Achizitia Si Prelucrarea Semnalelor Cerebrale

CUPRINS

Capitolul 1. Aspecte fiziologice

1.1. Potențialul de repaus celular

1.2. Potențial de acțiune al celulei.Stimuli.

Condiții necesare stimulilor pentru excitare

1.3. Organizarea sistemului nervos

Capitolul 2. Electroencefalografie

2.1. Introducere

2.2. Electroencefalograful

2.3. Detectarea descărcărilor epileptice

2.4. Detectarea complexelor K

Capitolul 3. Sistemul de achiziție și prelucrare

3.1 Culegerea semnalelor bioelectrice cerebrale.

Electrozi

3.2 Amplificarea semnalelor electrofiziologice

3.3 Filtrarea semnalelor cerebrale

3.4 Corelatia

Capitolul 4. Concluzii

Bibliografie

Anexe

1. Aspecte fiziologice

Potențial de repaus celular

Evoluția cantitativă a unei celule (creșterea) precum alături de cea calitativă (specializarea unui grup de celule pentru a răspunde în mod superior – timp de reacție, viteza de procesare și de răspuns sporite) este însoțită de o activitate electrică a cărei importanță este dată de furnizarea unor parametri foarte importanți referitori la patologia celulei și interacțiunea ei cu diverși stimuli.

Activitatea electrică a unei celule se rezumă în cele din urmă la schimbul de ioni care este făcut prin intermediul membranei cu exteriorul. Ionii de potasiu (K) și cei de Na () au rolul cel mai impotant în procesul energetic al celulei. Alături de ei o importanță secundară o au ionii de Ca, Mg, Cl etc.

Concentrațiile ionilor au valori diferite în interiorul celulei fată de exteriorul ei. Pentru diverse tipuri de celule concentrația ionilor de K este de 20-40 ori mai mare în interiorul celulei față de exterior, iar a ionilor de Na de aproximativ 10 ori mai mare în exteriorul celulei față de interiorul ei.

Relația Nernst din termodinamică, stabilește cantitativ potențialul electric ce apare de o parte și de alta a unei membrane cu caracteristici selective față de ioni, când există un gradient chimic ionic:

Pentru o valoare medie a gradientului de concentrație a ionilor de K de , se stabilește numai față de ionii de K. Un potențial Nernst de aproximativ , pozitiv în interiorul celulei față de exteriorul ei. Pentru ionii de Na, potențialul Nernst este de aproximativ , negativ în interiorul celulei față de exterior.

Aceasta este posibil prin difuzia selectivă a membranei față de ioni (în caz contrar difuzia ionilor prin membrană tinde să egalizeze concentrațiile ceea ce ar duce la dispariția gradientului electric stabilit între exteriorul și interiorul membranei). Deci avem de-a face cu un mecanism de transport activ. Printr-un mecanism de consum energetic în transportul activ de ioni, ioni prin membrană dictat de permeabilitatea ei diferită.

Ionii de trec din spațiul intercelular în celulă, iar ionii de din interiorul celulei trec în exterior. Dar în același timp permeabilitatea membranei față de ionii de K este mult mai mare decât permeabilitatea ei față de alte tipuri de ioni. Energia înmagazinată ca gradient de concentrații chimice poate fi echilibrată de o energie ce ar fi cauzată de un gradient electric. Dacă cele două energii nu sunt la un moment dat echilibrate, acționează o forță asupra ionilor care îi pompează în sensul restabilirii echilibrului (fig1). Cu cât mai mulți ioni de K ies din celulă prin difuzie cu atât va fi mai mare forța de pompare.

– 91 +

+ 62 –

FIG.1 – Curenții ionici prin membrana celulară:

curenții de difuzie si pompa – ;

potențialele Nernst

După un anumit timp celula se află într-o stare staționară în care ea este polarizată. Acest potențial al interiorului celulei față de exteriorul ei, notat cu U, se numește potențial de repaus celular.

Un circuit electric echivalent al procesului de transport activ prin membrană al ionilor de K și Na, ar putea reprezenta prin rezistențe de valori diferite căile de curent corespunzătoare acestor ioni.

Un model, care ține cont de fenomenele reale, consideră rezistența prezentată în fața ionilor de K de către membrană , iar pentru ionii de Na, (fig. 2).

FIG. 2 – Circuit echivalent electric pentru membrana unei celule

în “stare de repaus”: U – potențialul de repaus celular

(-45 + – 100mV); ; ;

C=1…10 µF/

Curentul total prin membrană în starea staționară de echilibru este nul, . Din calculul acestor curenți în circuitul echivalent din fig. 2, rezultă valoarea potențialului de repaus al celulei U= -90 mV.

Celula vie, din cauza mișcării părților componente în cadrul metabolismului (ce o definește ca fiind vie), este polarizată negativ în interior față de exterior, atunci când se află la echilibru dinamic, adică atunci când se produc schimburi cu exteriorul, dar celula nu este stimulată.

Potențialul de repaus variază pentru diferite tipuri de celule în limite

destul de largi, de la câteva zeci de milivolți până la –110 mV.

În circuitul electric echivalent al celulei se introduce capacitatea electrică echivalentă a membranei C. Corespunzător sarcinii electrice de semne contrare de cele două părți ale membranei, dimensiunilor transversale și permitivității electrice medii, capacitatea pe unitatea de suprafată a membranei este de aproximativ la celula nervoasă.

1.2. Potențialul de acțiune al celulei. Stimuli. Condiții

necesare stimulilor pentru excitare

Atunci când celula este stimulată (mecanic, electric, chimic, etc.) caracteristicile membranei se modifică, în sensul schimbării permeabilității față de ionii participanți în procesul metabolic.

Iritabilitatea este proprietatea cu totul generală a materiei vii de a-și schimba starea și caracteristicile funcționale ca răspuns la acțiunea agnților iritanți (diverse forme de energie din mediul exterior membranei care acționează asupra acesteia). Este o proprietate general valabilă pentru toate celulele, de orice tip, din ambele regnuri, din orice stadiu evolutiv (fiecare celulă răspunde după posibilitățile ei: un protozoar atins mecanic se deplasează, un centru nervos motor comandă mișcarea organului căruia îi este asociat etc.).

Deci iritabilitatea este caracterizată de un raspuns lent, difuz, nespecializat, continuu.

Excitabilitatea apare pe măsura înaintării pe scara filogenetică și caracterizează un anumit grup de celule (țesuturi) – răspuns specializat, discret, rapid și se declanșează pentru cantități de energie de milioane de ori mai mici față de un agent iritant.

Celula nervoasă (neuronul) răspunde la excitatii electrice (acestea îndeplinând și rolul de transmitere a informației (influxului nervos) în ambele sensuri – Receptor (traductor biologic)-SNC (element de decizie)-Organ Efector (element de execuție)).

Un stimul excitator tinde să micșoreze în valoare absolută potențialul de repaus al celulei, membrana devenind permeabilă în fața ionilor de Na, iar caracteristicile de permeabilitate față de ionii de K rămân aproape neschimbate.

Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească orice tip de excitant (inclusiv cel electric) se rezumă la:

Variația de intensitate trebuie să fie suficient de mare, pentru a depăși pragul de sensibilitate (excitabilitate) al celulei – există deci un prag (intensitate liminară). Dacă excitantul este de natură electrică intensitatea liminară se mai numește și reobază.

Variația în intensitate trebuie să se instaleze cu o viteză de creștere (sau scădere) suficient de rapidă pentu a depăsi viteza cu care se instalează adaptarea celulei.

Excitantul trebuie să acționeze un timp suficient de lung.

Forma de energie care suferă o variație în intensitate trebuie să posede calități excitante, precise, asupra celulei excitate și nu simple acțiuni iritante difuze, asupra diverselor celule.

În circuitul echivalent, în urma excitației, permeabilitatea crescută față de ionii de Na se traduce prin micșorarea valorii rezistenței avute în circuitul din fig. 2 la o valoare reală de aproximativ .

Permeabilitatea mărită a membranei față de ionii de Na permite difuzia acestora din exteriorul celulei (unde se găsesc în cantitate mai mare) în interiorul celulei. Dacă excitantul are amplitudine și durată de acțiune suficient de mari asupra celulei încât o cantitate de ioni de din exteriorul celulei să treacă spre interior și să aducă potențialul celulei până la o anumită valoare numită prag, procesul de difuzie în continuare a ionilor nu mai depinde liniar de caracteristicile stimulului, ci devine un proces de trecere în avalanșă. Depolarizarea celulei se stabilizează pentru o scurtă perioadă când curentul ionic spre interiorul celulei este echilibrat de curentul ionic spre exteriorul celulei: . Din calculul acestor curenți în circuitul echivalent din fig. 3 – 1. 5 rezultă valoarea potențialului de depolarizare maximă a celulei: (vezi fig. 3)

–

–

Ud

FIG. 3 – Circuit echivalent electric pentru membrana unei celule în

starea de depolarizare maximă:

Ud – potențial de depolarizare maximă (+ 20 mV); ;;C=1…10 µF/

După depolarizarea completă până la a celulei, caracteristicile membranei revin la cele din starea de repaus, determinând o scădere a curentului dat de ionii de Na față de curentul dat de ionii de K, pâna ce se restabilește potențialul de repaus U= – 90 mV al celulei. În fig. 4 se prezintă forma de undă a potențialului de acțiune al celulei. La cele mai subțiri celule (raportul între suprafața și volum este maxim) s-a estimat că cel mult o miime din cantitatea de ioni ai celulei participă la un impuls de depolarizare. Mecanismul de regenerare autoamat restaurează prin pompele ionice ce operează în mod continuu compoziția ionică.

Potențialul de acțiune al celulei i-a naștere numai atunci când stimulul îndeplinește cele patru condiții enuntate mai sus (stimul excitator). Atunci când stimulul este inhibitor, potențialul de repaus al celulei este deranjat în sensul accentuării potențialului negativ față de exteriorul ei.

Răspunsul unei celule la un stimul excitator sub pragul de depolarizare și la un stimul inhibitor este de asteptat conform fig. 2 să fie asemănător răspunsului la impuls dreptunghiular al unui circuit RC.

Procesele descrise formează baza producerii semnalelor electrice în organism și sunt strâns legate de procesele metabolice și funcțiile ce le realizează. Pe aceasta se bazează importanța diagnostică a culegerii și înregistrării semnalelor electrofiziologice.

Fig. 4 – Răspunsul celulei vii la stimuli excitatori și inhibitori:

potențialul de acțiune al celulei

În măsurările electrofizilogice se folosesc cel puțin doi electrozi: unul cât mai apropiat de grupul de celule sau organul a cărui activitate se urmărește, iar celălalt electrod cât mai depărtat, astfel ca diferența de potential între electrozi, proporțională cu rezistența volumului de țesut cuprins între electrozi și curentul ionic prin țesut, să fie cât mai mare.

3. Organizarea sistemului nervos

Sistemul nervos este astfel organizat astfel încât prin componentele sale, creier (encefal), măduva spinării, ganglioni nervoși și nervi, să asigure viața de relație cu mediul înconjurător (sistem nervos somatic – sistem ecotrop sau de relații externe care controlează și coordonează, conștient și voluntar, adaptarea organzmului la 0modificările mediului ambiant) ți să conducă și coordoneze activitatea organelor interne și schimbul de substanțe de la nivelul celulelor și țesuturilor (sistem nervos vegetativ – sistem idiotrop sau de relații interne, care asigură o funcționare involuntară a diferitelor funcții ce mențin viața vegetativă și homeostazia organizmului).

Sistemul nerorțională cu rezistența volumului de țesut cuprins între electrozi și curentul ionic prin țesut, să fie cât mai mare.

3. Organizarea sistemului nervos

Sistemul nervos este astfel organizat astfel încât prin componentele sale, creier (encefal), măduva spinării, ganglioni nervoși și nervi, să asigure viața de relație cu mediul înconjurător (sistem nervos somatic – sistem ecotrop sau de relații externe care controlează și coordonează, conștient și voluntar, adaptarea organzmului la 0modificările mediului ambiant) ți să conducă și coordoneze activitatea organelor interne și schimbul de substanțe de la nivelul celulelor și țesuturilor (sistem nervos vegetativ – sistem idiotrop sau de relații interne, care asigură o funcționare involuntară a diferitelor funcții ce mențin viața vegetativă și homeostazia organizmului).

Sistemul nervos formează o unitate: creierul prin scoarța cerebrală (cortex) conduce și coordonează activitățile din organizm și realizează atât unitatea între diversele părți ale corpului cât și unitatea acestuia cu mediul înconjurător.

Sistemul nervos poate fi privit ca fiind compus din trei subsisteme: sistemul nervos central (SNC), sistemul nervos periferic (SNP) și sistemul nervos vegetativ (SNV – numit și sistem autonom ganglionar).

Mecanizmul de bază al activității nervoase î-l constituie reflexul.

Reflexul este definit ca un răspuns logic al organizmului la acțiunea unui stimul din mediul extern sau intern, realizat cu participarea sistemului nervos.

Procesul de convertire intensitate stimul – frecvența impulsurilor de depolarizare transmise prin căile aferente, este un proces complex. Stimulii activează un câmp receptor, astfel că numărul total al impulsurilor nervoase este suma frecvențelor individuale generate de receptorii existenți în câmpul receptor în fibrele nervoase ale acestuia.

Mecanizmul prin care creierul își concentrează atenția asupra anumitor informații specifice în aprecierea intensității stimulului este un mecanizm de reacție (feedback) prin trimiterea unor impusuri excitatorii sau inhibitorii de către scoarța cerebrală și unele structuri subcorticale asupra căilor nervoase aferente.

Structura creierului

Creierul are o structură complexă; cuprinnde un număr mare de celule nervoase (14 miliarde) care sunt în interconexiune și vare coordonează activitatea diferitelor organe prin control direct.

Circulația influxului nervos prin rețeaua neuronală corticală se reflectă în activitatea electrică, ce poate fi evidențiată prin măsurări electrofiziologice.

Studiile pe animale au arătat că există trei generatoare de biopotențiale în structura cortexului. Un oscilator de tip A, situat la 500 de micrometri în scoarță, generează biopotențiale extracelulare negative culese la suprafață, de frecvență constantă. Un oscilator de tip B este situat la 900 micrometri; potențialele extracelulare culese la suprafață sunt pozitive și de frecvență variabilă. Generatorul de tip C, situat la 500 micrometri, generează la suprafață biopotențiale negative de frecvență joasă. Activitatea electrică corticală este în strânsă legătură cu activitatea subcorticală, de unde se primesc influxuri excitatorii sau/și inhibitorii și care la rândul lor controlează activitatea structurilor profunde. Generatoarele bioelectrice la diverse nivele ale sistemului nervos central permite studierea transmisiei și prelucrării informației pe baza teoriei sistemelorcompartimentale ierarhizate.

2. Electroencefalografie

2. 1. Introducere

Tehnica de explorare funcțională de detectare de pe pielea capului a activității bioelectrice cerebrale și reprezentarea grafică a acesteia în timp este cunoscută sub numele de encefalografie. Undele electroencefalografice în banda de frecvență 8 . . . 13 Hz sunt numite ritm alfa. Undele alfa au amplitudini predominant în jur de 50 microVvv, dar putem avea și unde alfa în traseul electroencefalografic cu amplitudini între 30 și 100 microVvv.

Ritmul beta are componente de frecvență între 14 și 32 Hz, amplitudini sub 30 microVvv și este asociat activității mentale, de gândire.

Componentele de frecvențe mai mari de 33 Hz până la 55 Hz sau chiar 70 Hz formează ritmul gama.

Ritmul delta cu componente de frecvență între 0,5 și 3 Hz are amplitudini între 50 și 150 microVvv și se întâlnește la copilul mic în stare de veghe și la copii și adult în anumite faze ale somnului.

Pe lângă aceste ritmuri, o electroencefalograma mai poate prezenta și alte unde tipice cum sunt complexele K definite ca unde cu amplitudine minimă de 100 microVvv, având ambele faze de durată totală între 0,5 și o sec precedată și urmată de cel puțin 2 sec activitate encefalică de mică amplitudine.

2. 2. Electroencefalograful

S-au făcut electroencefalografe cu 4, 6, 8 și 10 canale și electroencefalografe mobile cu 16, 32, 64 canale. Schema bloc a unui canal de electroencefalografie este prezentată în fig. 4. Impedanța de intrare diferențială este în general de 10 megaohmi cu capacitate de 1,5 nF. Constanta de timp este reglabilă în trepte și frecvența de tăiere la înalte este reglabilă. Un electroencefalograf este prevăzut cu un ohmetru pentru măsurarea și indicarea impedanței electrozilor.

. 1

.

2 3

55

FIG. 5– Schema bloc a unui canal de electroencefalografie

1 – selector sistem și electrozi de culegere;

2 – preamplificator; 3 – amplificator; 4 – înregistrator

5 – ohmetru; 6 – bloc de etalonare.

3. Detectarea descărcărilor epileptice

Parametrii undei de descărcare epileptică ce trebuie evidențiați pentru separarea cin electroencefalogramă sunt: amplitudinea, panta, durata și componentele de frecvență. Modificarea electroencefalogramei specifică epilepsiei constă în apariția unei activități electrice, generalizată sau localizată, datorată unor descărcări neuronale anormale excesive.

Spaicul (spike) sau unda de descărcare epileptică a fost definită ca undă anormală ascuțită în traseul electroencefalografic care are o durată maximă de 1/12 secunde.

Fenomenul poate fi prezentat ca având: o pantă relativ mare cu o polaritate, urmată brusc de o pantă mare de polaritate opusă. Vârful undei este ascuțit, deși ambele laturi ale undei pot fi inegale în durată, durata totală este între 20 și 80 ms.

Criteriile de detecție sunt bazate pe propietățile derivatei întâi și derivatei a doua a spaicului și au fost definite în urma a numeroase analize de trasee encefalice.

Descărcările epileptice sunt însoțite de fenomene lente,ceea ce usurează prelucrarea în vederea detecției. Pentru a reduce zgomotul este necesar să se facă o filtrare trece – jos, fără a distorsiona electroencefalograma. Filtrarea digitală a fost realizată algând diverse frecvențe superioare ale benzii de trecere simulând caracteristica de filtru trece – jos analog cu răspunsul

G1(s)=1/[(s/a+1)*(s/a+1)]

Filtrarea trece – jos se poate face cu o frecvență de tăiere între 30 și 50 Hz.

t

FIG. 6 – Definirea descărcării epileptice (spike-ul)

Avem și o pantă de atenuare de 18 dB/octavă fără a distorsiona în mod semnificativ caracteristicile definite ale spike-ului și nici restul traseului encefalic.

Detectarea complexelor K

Activitatea neurofiziologică a sistemului nervos central măsurată prin culegerile directe electroencefalografice în diferite stări ale pacientului evidențiază atât modificări organice, cât și modificări psihologice, deci o cantitate mare de informații. Avem următoarele etape în starea de somn:

Somnul cu unde lente sau faza NREM – este caracterizat de vise rare, imprecise, debitul sanguin cerebral crescut cu aproximativ 10 la sută față de cel în stare de veghe, crestera pragului unor reflexe.

Somnul cu unde rapide sau faza REM dă impresia unui somn superficial,desi profunzimea somnului este mai adâncă decât în celelalte etape de somn. În somnul paradoxal debitul sanguin cerebral crește cu 50 la sută față de debitul în somnul lent.

T1>=2s 0,5<=T<=1s T2>=2s

FIG. 7 – Modelul de definire al complexului K

Complexul K este definit de o undă cu ambele polarități, având amplitudinea minimă de 100 microVvv, pe o durată între 0,5 și o secundă, precedată și urmată de activitate de mică amplitudine, de cel puțin 50 microVvv, pe o durată de cel puțin 2 sec. Două complexe K sunt distanțate în timp la minim 2 secunde.

Complexul K poate apărea atât spontan (neevocat), cât și sub influența unor stimuli externi. Imporatnța detectării complexului K este datorată semnificației pe care o are pentru prognosticare și diagnostigare.

Detecția propiu-zisă acomplexelor K este realizată prin filtrare digitală a semnalelor pe fiecare canal și anliza în amplitudine, durată și perioade de latență anterioară și posterioară. Pentru a valida detecția unui complex K, este necesar ca fenomenul să apară pe cel puțin două canale din cele trei analizate.

Sistemul de achiziție și prelucrare

3.1. Culegerea semnalelor bioelectrice cerebrale. Electrozi

Prelucrarea semnalelor captate cu electrozi este efectuată în sensul extragerii semnalului util bioelectric din semnale perturbatoare care însoțesc orice măsurare. Procesele care au loc în țesuturile vii sunt procese chimice la care participă un electrolit. Culegerea diferențelor de potențial generate de activitățile din celule și țesuturi se realizează cu electrozi. Electrodul reprezintă un conductor electric împreună cu electrolitul cu care este pus în contact. Doi electrozi de culegere a biopotențialelor sunt în contact electric prin electrolitul interpus între ei. Dacă cei doi electrozi sunt uniți în exteriorul electrolitului cu un conductor electric, prin acesta circulă un curent electric, adica circulă electroni de la electrodul negativ la electrodul pozitiv.

Scalp

FIG.8 – Schema bloc de măsurare a biopotențialelor

La suprafața de contact dintre fiecare din cei doi electrozi și electrolit, se stabilește o diferență de potențial, numită potențial de electrod.

Conducția electrică în electrolit este realizată de ioni; conducția electrică între electrozii metalici este realizată de electroni. La interfața electrod-electrolit au loc fenomene care transformă conducția ionică în conducția electronică și invers – la orice suprafață de contact electrod-electrolit există tendința de difuzie a electronilor din metal spre electrolit și de difuzie a ionilor din electrolit spre metal, în sensul stabilirii echilibrului chimic. Aceasta se explică prin reacțiile de oxido-reducere care au loc la suprafața între electrozi și electrolit.

Reacția de oxidare este definită ca o pierdere de electroni, iar reacția de reducere, ca un câștig de electroni. Deci, se pot oxida metale (electrozi metalici, anioni sau molecule neutre din electrolit) și se pot reduce nemetale, cationi sau molecule neutre. Orice oxidare este însoțită de o reducere – bilanțul este cantitativ.

Din cauza reacțiilor de oxido-reducere, la interfața electrod-țesut ia naștere un strat dublu de sarcini, care are o distribuție, într-un spațiu de dimensiuni atomice, în funcție de activitatea electrolitului și ușurința cu care metalul electrodului transferă electroni spre electrolit (iată deci o primă condiție necesară în alegerea metalelor din care pot fi confectionati senzorii în vederea unui transfer maxim a diferenței de potențial) – aceasta este îndeplinită foarte bine de Ag | AgCl | HCl aq sau

Ag | AgCl | NaCl aq, având loc reacțiile reversibile:

Ag +

+ AgCl

sau, formulat ca o reacție globală: Ag + Cl – AgCl +

Deci măsurarea biopotențialelor se face cu electrozi reversibili (la interfața cu electrolitul are loc reacția de oxidare – pierdere de electroni, cât și reacția de reducere – acceptare de electroni).

În fig. 9 este prezentată o configurație de distribuție a sarcinilor și potențialului în stratul dublu electric.

+ –

+ –

+ –

+ –

+ –

+ –

FIG. 9 – Distribuția de sarcini electrice și distribuția potențialului

electric la interfața electrod-electrolit

Din punct de vedere al electrolitului, conducția este dată atât de ionii pozitivi, cât și de ionii negativi. Starea ideală, în care ionii de semn contrar nu se influențeaza reciproc, este o stare limită, ideală, atinsă numai la diluție infinită. În țesuturi, concentrația C a fiecărei substanțe este finită și numai o fracțiune din numărul total de ioni este disponibilă pentru a determina transportul electric sau alte proprietăți.

Totodată aceste fenomene sunt puternic influențate de temperatură.

Impedanța și zgomotul electrozilor

Impedanța pe care o prezintă un electrod în circuitul de măsurare a fenomenului biolelectric depinde de natura stratului dublu electric (fig.9) format la interfata cu țesutul, de aceea este numită impedanța de polarizare. Prin urmare, impedența electrozilor este dependentă de suprafața de contact cu țesutul și materialul din care este confectionat electrodul.

C R E

Fig.10 – Cicuitul echivalent al interfeței electrod de suprafață –

țesut în măsurările electrofiziologice

În circuitul de culegere și măsurare a biopotențialelor (fig. 8), prin impedența celor doi electrozi, impedența țesutului și impedanța de intrare în preamplificator, va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din țesut. Cu toate că impedanța de intrare în amplificator este mare, curentul prin circuitul de măsurare este mic, căderea de tensiune pe impedanța electrozilor este de obicei neglijabilă, totuși trebuie ținut seama de impedanțele care intervin pentru a putea alege optim caracterisricile amplificatorului privind amplitudunea și frecvența semnalului.

În acest sens conceptual, o interfață electrod – țesut se echivalează cu o sursă de tensiune (potențial de electrod) și un condensator, datorită stratului dublu electric. Distanța dintre sarcinile electrice de semne opuse la această interfață este de dimensiuni moleculare, astfel încât capaciatea pe unitatea de suprafață a electrodului este într-adevăr mare (~ 10 µF/).

Cu toate acestea, este bine cunoscut că poate trece curent prin joncțiunea electrod – țesut , deci orice model electric pentru o astfel de interfață trebuie să includă și o rezistență , , în paralel cu condensatorul (fig. 10).

Având componente capacitive, impedanța unei perechi de electrozi plasați pe suprafața unui țesut va fi dependența cu frecvența semnalului bioelectric și anume va scădea cu creșterea frecvenței.

Potențialul de elctrod va fi o sursă de semnale perturbatoare; chiar în cazul în care cei doi electrozi cu care se face măsurarea sunt din același material și identici ca dimensiuni, în circuitul echivalent al unei perechi de elctrozi va exista o tensiune continuă egală cu diferența potențialelor celor doi electrozi , deorece este greu de realizat contacte perfect identice la ambele interfețe și stabile în timp.

Stabilitatea electrică a unui electrod este dictată de stabilitatea stratului dublu electric și de mărimea în valoare absolută a potențialului de electrod.

În măsurarea biopotențialelor cerebrale se folosesc în mod frecvent electrozi compuși din Ag | AgCl |, la care potențialul de elctrod este E=0,222 V, mic în comparație cu alte potențiale de electrod și fluctuațiile în timp ale proceselor electrochimice de la interfață sunt de asteptat a fi reduse. În fig. 9 sunt prezentate tensiunile de zgomot ale unui electrod din Ag și ale aceluiași electrod după clorurare.

FIG. 11 – Tensiunea de zgomot măsurat pentru o pereche

de electrozi din Ag (a) și Ag!AgCl (b) într-o

soluție de 0,9% NaCl

Rețeta de obținere a clorurii de argint, la suprafața electrodului din argint, a fost dată de Taniguchi și adoptată general în construcția electrozilor pentru culegeri electrofiziologice – electrozii din Ag se mențin timp de 2 minute la polul pozitiv al unei băi electrochimice, la care catodul este de asemenea din Ag; electrolitul este NaCl 0,9%; tensiunea între electrozi este în funcție de suprafața electrozilor, astfel încât densitatea de curent să fie între 1 și 3 mA/ (densitatea de curent este aleasă astfel, deorece s-a constatat ca atunci când stratul de clorură de argint este gros, impedanța electrodului este mare).

În circuitul echivalent din fig. 8, în serie cu impedanța interfeței unui electrod cu pielea, trebuie adăugată impedanța pe care o introduce pielea, care, în general, depășește câtiva kiloohmi. Impedanța electrozilor Ag!AgCl este de obicei neglijabilă (fig.9).

O soluție de micșorare a impedanței electrozilor, mai ales la frecvențe joase (frecvențele undelor componente ale EEG) este aceea de mărire a suprafeței active a electrozilor.

O corodare a unor canale superficiale în stratul de AgCl depus pe electrodul de Ag ar mări artificial suprafața de contact cu pielea, ar îndepărta din canale AgCl, astfel ca rezistivitatea scăzută a Ag va înlocui rezistivitatea mare a AgCl, determinând o scădere considerabilă a impedanței electrodului de AgCl.

S-au încercat diverse posibilități și s-a constatat că imersarea în developator fotografic are efectul optim, dacă timpul de menținere este în jur de 3 minute. De fapt, impedanța minimă în funcție de condițiile de realizare este strâns dependentă și de grosimea stratului de AgCl.

Pentru o depozitare mai groasă de AgCl (3 minute la o densitate de curent de 5mA/) se obține impedanță cea mai scazută (~20 ), după menținerea în developator timp de 3 minute.

Electrozi de suprafață

În măsurările potențialelor cerebrale (deci cu electrozi plasați pe piele), circuitul echivalent oferit de electrozi și sursa de semnal biolelectric la intrarea preamplificatorului este prezentat în fig. 12.

Între electrodul metalic și piele, pentru a stabiliza potențialul de electrod, mai ales la mișcările pacientului, se introduce fie o hârtie de filtru, fie tifon, îmbibate cu un electrolit (de obicei soluție salină), fie o pastă electroconductivă livrata de diversi producători de aparatură medicală.

Pastele electroconductive conțin soluție de clorură de sodiu sau potasiu, glicerină, apă, piatră ponce; în compoziția unora mai putem găsi săpun sau praf de cuarț. S-a constat că introducerea unui abraziv reduce mult impedanța interfeței electro – țesut.

De asemenea, rezistența interfeței pastă electroconductivă – piele scade mult, iar impedanța este stabilă, dacă pielea, înainte de aplicarea pastei, este degresată cu alcool și usor curățată cu glaspapir foarte fin.

De-a lungul timpului, practica electro – medicală din domeniul culegerii biopotențialelor cerebrale a validat electrozi circulari

(ø 7…10 mm), din AgCl.

În ultimii ani se folosesc mai mult electrozii cu joncțiune lichidă, care se utilizează de cele mai multe eri o singură dată și sunt confecționți din argint stabilizat electric și mecanic,într-o pastă conductivă ce umple o cavitate. Deoarece este un contact stbil între electrodul propiu-zis și electrolitul din scobitura portelectrodului, acești electrozi permit culegeri ale biopotențialelor în timp ce pacientul desfășoară activități normale sau chiar eforturi fizice. Din această cauză s-au făcut electrozi cu masă cât mai mică. sunt electrozi de câteva grame greutate, realizați prin depuneri metalice pe benzi din poliester.

Sunt și tipuri de electrozi uscați care sunt aplicați direct pe pielea degresată prin depunere metalică (argint de obicei), acoperită cu un ciment izolator. Pentru ca transpirația să nu modifice parametrii electrici ai interfeței electrod piele, secreția glandelor sudoripare este blocată prin administrarea de medicamente. Impedanța acestor electrzi este de 500 – 800 k. Sunt utilizați în cercetări aerospțiale.

Se mai utizează electrozi de suprafță capacitivi, care sunt separați de țesut sau piele printr-un strat izolator. Pentru ca impedanța să fie mică este necesară o capacitate a interfeței electrod – țesut cât mai mare.

Sisteme de culegere

Plasarea electrozilor pe cap este standardizată pentru a permite o interpretare unică a traseelor electroencefalografice (fig. 13). Electrozii poartă numele zonei de culegere: F – electrozi frontali, T – electrozi temporali,C – electrozi centrali, P – electrozi parientali și O – electrozi occipitali, iar elctrodul de referință notat cu A și poate fi plasat fie cu un cleștisor pe fosa nazală, fie doi electrozi clește conectați împreună și plasați pe lobul urechilor, fie, uneori pe frunte la baza nasului, adică o zonă în care activitatea encefalică poate fi considerată nulă.

FIG. 13 Plasarea electrozilor pe pielea capului

Sistemul de culegere unipolară introduce la intrarea amplificatorului de măsurare diferențe de potențial între un electrod oricare de pe cap și electrodul de referință A sau N.

Sistemul de culegere cu punct de referință median, efectuează culegeri de biopotențiale între un electrod activ de pe scalp ți un potențial de referință ales prin medierea potențialelor tuturor electrozilor encefalici printr – o rețea rezistivă de însumare.

În sistemul de culegere bipolară, canalele de electro – encefalografie sunt conectate la perechi de electrozi aflați pe scalp. În acest sistem de culegere fenomenele encefalice apar mai bine localizate; pe două canale care se amplifică și redau fenomene între două perechi de electrozi vecini, semnalele utile apar în antifază.

Măsurările bipolare sunt standardizate între electrozi la distanțe egale, doi câte doi, în direcție longitudinală și transversală, pentru evidențierea fenomenelor bioelectrice la nivelul cortexului.

Pentru explorarea zonelor profunde ale emisferelor cerebrale, în sistemul de culegere bipolar sunt stadardizate măsurările de orintare ale biopotențialelor culese de perechi de electrozi aflați la distanțe mai mari (duble față de măsurările longitudinale și transversale).

3. 2. Amplificarea semnalelor electrofiziologice

Introducere

La culegerea cu electrozi a activității electrice a țesuturilor sau celulelor, pe lângă semnalul util apar semnale perturbatoare provocate de:

variațiile în timp ale impedanțelor de contact a electrozilor și ale potențialelor de electrod;

cuplajele magnetice și electrice ale cablurilor de electrozi și ale țesuturilor cu surse de semnal exterioare, în special rețeaua de alimentare;

variațiile potențialelor de masă, atunci cân sursa de semnal util și amplificatorul au puncte de conectare la masă diferite, la numai câțiva centrimetri depărtare.

Se utilizează preamplificatoare cu intrare simetrică, care realizează pe lângă amplificare și rejecția unor semnale nedorite, induse în circuitul de măsurare.

Tensiunile și curenții care se suprapun semnalului util pot provoca în sursa de semnal biologic reacții chimice ireversibile, pot produce stimularea unor celule sau a țesutului (deci ceea ce se măsoară nu corespunde activității reale, spontane a sursei biologice) sau chiar pot arde țesuturile.

În proiectarea și construcția preamplificatoarelor electrofiziologice se iau măsuri pentru alimita curenții electrici în vederea prevenirii electrocutării pacientului (generatorului de semnal), astfel încât curenții ce trec dinspre circuitul de măsurare spre electrozi și țesut să nu depășească anumite valori stabilite pe baza experienței practice electrografice. Aceste probleme sunt importante pentru viața pacientului.

Măsuri de protecție a sursei de semnal bioelectric

Curenții electrici care trec prin pacient sunt:

curentul auxiliar de pacient, definit de curentul care străbate pacientul în timpul utilizării normale, între elemente ale părții aplicate (electrozi); el nu este destinat să producă un efect fiziologic (curentul de intrare în preamplificator);

curentul de scurgere prin pacient, definit de curentul nefuncțional care trece de la partea aplicată (electrozi) prin pacient la pământ, din cauza cuplajelor capacitive și inductive nedorite cu generatoarele externe.

Aparatele electrofiziologice sunt alimentate fie de la o sursă electrică externă, fie de la o sursă electrică internă. În ambele cazuri trebuie luate măsuri prin proiectare și construcție, astfel încât curentul auxiliar de pacient și curentul de scurgere prin pacient să fie mai mici decât limita admisă corespunzător fiecărei categorii de utilizare a părții aplicate la pacient, pentru a nu avea efecte fiziologice asupra organelor sau organismului.

Valori admise ale curenților de scurgere și curentului auxiliar de pacient în condiții normale (CN) și condiții de prim defect (CPD)

Aparatură de tip B pentru aplicații medicale la suprafața organizmului.

Aparatură de tip BF, care este de fapt o aparatură de tip B cu o parte aplicată pe pacient izolată (flotantă) de toate celelalte părți ale aparatului.

Aparatură de tip CF, care este o aparatură tot de tip BF dar cu o protecție sporită împotriva electrocutării.

Perturbațiile care însoțesc semnalul util, pe lîngă faptul că pot periclita funționarea organelor sau chiar viața pacientului, periclitează măsurarea prin distorsionarea semnalului. De aceea se iau măsuri în proiectare și construcție, în vederea reducerii pe cât posibil a interferențelor externe și a influențelor acestora asupra măsurării.

Zgomotul și rejecția de mod comun

În medicină, orice perturbație care însoțește semnalul util într – o măsurare se numește artefact.

Semnalele electrofiziologice generate de alte organe decât organul ce se studiază și care apar în măsurare, sunt de aemenea artefacte.

Semnalele biologice nedorite pot fi reduse la minim prin metodele:

pozițonarea electrozilor de culegere (alegerea unor legături sau derivații de culegere), astfel încât biopotențielele altor organe să apară în fază față de electrozii calzi sau să fie mai depărtați de organele perturbatoare;

limitarea benzii de frecvență a lanțului de amplificare, astfel încât semnalele electrofiziologice culese de la alte organel, dar cu componenete de frecvență diferite de cele ale organului studiat, să nu fie amplificate;

uitlizarea unor metode de prelucrare, care pe baza propietăților cunoscute ale semnalului electrofiziologic utilo sau/și ale semnalelor altor organe, să poată estima semnalul dorit.

Alt artefact î – l reprezintă zgomotul generat de contactul

electrozilor, care este o problemă de natură chimică și mecanică din cauza efectelor de polarizare deja prezentate.

Zgomotul electrozilor poate fi redus alegând corespunzător curentul de intrare în preamplificator, pentru a nu avea reacții chimice ireversibile (funcționare în domeniulliniar al impedanței electrozilor), bandă de frecvență a amplificatorului limitată la banda semnalului util, impedanța de intrare în preamplificator adaptată la impedanța electrozilor.

Trebuie aleși electrozi cu zgomot cât mai mic (impedanță mică) și cât mai stabili în timp; în timpul măsurărilor pentru a avea un contact cât mai stabil sunt necesare fixări ale electrozilor cu benzi de cauciuc, iar pacientul să fie cât mai relaxat.

Artefactele datorate câmpurilor electrice intense din jurul pacientului se reduc prin propietatea constructivă a interfeței pacient –preamplificator, prin ecranare, prin alegera unor preamplificatoare cu rejecție de mod comun cât mai mare, prin reducerea nivelelor de impedanță, prin scurtarea cablului de pacient.

Zgomotul amplificatorului este o problemă de proiectare și se reduce prin limitarea benzii de frecvență și a impedanței de intrare, dar acetea sunt dictate de banda semnalului și de electrozii utilizați, și prin alegerea unor dispozitive electronice în etajul de preamplificare care să lucreze cu, curenți mici, când și fluctuațiile acestora sunt reduse.

În mod convențional orice perturbație care însoțește semnalul util se consideră derivă (drift), dacă componentele de frecvență ale acestora sunt sub 0,1 Hz.

Perturbațiile cu componente de frecvență mai mari de 0,1 Hz sunt incluse în noțiunea de zgomot. Zgomotul se măsoară în :

Vvv, Vef, Vtg și reprezintă tensiunea echvalentă de zgomot la intrarea amplificatorului; se calculează ca raportul între tensiunea de ieșire a amplifucatorului (măsurată cu bornele de intrare scurtcircuitate, sau conectând între bornele de intrare o impedanță echivalentă sursei de semnal) și mărimea amplificării;

în k și reprezintă rezistența echivalentă de zgomot; se calculează din relația ce exprimă tensiunea de zgomot Johnson (zgomot termic) și care se măsoară ca tensiune de ieșire vârf – vârf a amplificatorului, raportată la amplificare.

Tensiunea echivalentă de zgomot, în V, se determină din relația:

ezg= 4*k*T*R*B

unde k este constanta lui Boltzman, T – temperatura, R – mărimea rezistenței generatoare de zgomot în , B – bandă de frecvență a amplificatorului, la care frecvențele de tăiere sunt definite le 3 dB în Hz.

Dacă la intrarea preamplificatorului se conectează un generator de impulsuri dreptunghiulare, la ieșire se obțin impulsuri amplificate. Dacă micșorăm amplitudinea impulsurilor de la intrare atunci amplitudinea impulsurilor de la ieșirea amplificatorului va scade, dar apare suprapus zgomotul.

Pentru a drena curentul nedorit la un punct de pamânt funcțional se utilizează ecranarea electrostatică.

Regulile de ecranare sunt: un ecran trebuie conectat la potențialul de referința de semnal zero; segmentele de ecrane trebuie să fie legate în tandem printr – un conductor și apoi acesta conectat la potențialul de referință de semnal zero.

Preamplificatorul pentru biopotențiale proiectat pentru nivele mici de tensiune și curent trebuie, însă, protejat la perturbații electrice mari care pot apărea accidental sau în cazuri speciale de terapie electrică, când se urmăresc simultan și activități bioelectrice.

FIG. 14: Protecția preamplificatorului la perturbații ce depășesc

domeniul dinmic de intrare

Tensiunea de intrare diferențtilă a preamplificatorului este limitată la tensiunea a două joncțiuni (siliciu) pn în conducție directă, Uin dmax=1,2V.

Tensiunea de intrare de mod comun este limitată la suma tensiunilor directe a unei diode, tensiunii directe a unei diode Zener și tensiunii inverse a celeilalte diode Zener, Uin mcmax=1,2V+Udz.

Pentru un amplificator de biopotențiale trebuie definită pe lângă variația maximă de intrare a amplitudinii semnalului variabil în timp și variația maximă de intrare a diferenței potențialelor de electrod pentru care preamplificatorul lucrează liniar.

Noțiunea de fereastră dinmică a unui preamplificator de curent continuu se referă la posibilitățile cu care este prevăzut preamplificatorul pentru reglajul tensiunii continue diferențiale de intrare, astfel încât domeniul dinamic de intrare diferențial să nu fie depășit.Tensiunea continuă diferențială la intrarea amplificatorului este reglată asfel încât să anuleze diferența potențialelor de electrod în sistemul de măsurare.

De exemplu, reglajul până la o valoare maximă de 0,3V tensiune continuă difernțială de intrare,iar domeniul dinamic diferențial de 100V, definește o fereastră dinamică a amplificatorului diferențial de 0,3v. R2

R1

R1

==

V+

R3 R5

R4 V-

FIG. 15 Reglarea tensiunii continue diferențiabile

Impedanța de intrare

Impedanța de intrare trebuie să fie cât mai mare posbilă pentru a avea o rejecție corespunzătoare a semnalelor de mod comun.

Impedanța de intrare difernțială trebuie să fie de cel puțin 10 ori mai mare decât impedanța sursei de semnal, incluzând în impedanța sursei și impedanțele electrozilor și ale contactelor acestora cu țesutul.

În cazul culegerilor cu electrozi de suprafață mare, o impedanță de intrare diferențială între 2 – 5 M este considerată optimă pentru a satisface aceste două cerințe contradictorii.

Măsuri de biopotențiale cu electrozi de suprafață mică amplificatoare cu impedanță deintrare între 10 –50 M.

În cazul electrozilor de impedanță foarte mare, răspunsul în frecvență al circuitului echivalent de măsurare impune o impedanță de intrare în preamplificator de 100 M sau mai mult. Pentru componentele de diferite frecvențe ale semnalului apar impedanțe diferite în circuitul echivalent de măsurare, din cauza impedanțelor complexedin circuit, deci și amplitudinea laieșirea amplificatorului va fi dependentă de frecvență, chiar dacă amplificatorul este realzat astfel încât să acopere banda semnalului util.

Componentele diferite de frecvențe vor fi defazate diferit. Curentul care se închide în circuitul de măsurare determină comportarea impedanței electrod – țesut. La o densitate de curent peste o anumită valoare, impedanța devine neliniară, adică o funcție de amplitudinea semnalului bioelectric.

Pentru electrozi de suprafață mică densitatea de curent poate deveni foarte mare dacă s – ar utiliza amplificatoare pentru măsurările cu electrozi de suprafață mare. Pentru a putea realiza un preamplificator cu impedanță de intrare mare și un curent de intrare mic se utilizează amplificatoare operaționale cu tranzistoare cu efect de câmp care având curentul de polarizare scăzut încarcă mai puțin sursa de semnal.

Impedanța de intrare foarte mare a acestor amplificatoare permite utilizarea unor electrozi de culeger cu impedanță mare și cu dezechilibru mare între ei, fără reducerea factorului de rejecție a semnalelor de mod comun.

Pentru a micșora pierderile datorită rezistențelor de izolație finite ale cablului de alimentare cu semnal a amplificatorului și rezisteței de izolație pe cablajul imprimat, se introduce câte un inel de gardă la intrarea fiecăruia dintre cele două amplificatoare operaționale, inel care este menținut la un potențial față de masă cât mai apropiat de semnalul de mod comun al intrărilor.

Bibliografie

Rodica Strungaru, Electronica medicala, Editura didactica

si pedagogica, Bucuresti – 1982