Биоусилитель — это электрофизиологическое устройство, разновидность инструментального усилителя , используемое для сбора и повышения целостности сигнала физиологической электрической активности для вывода на различные источники. Он может быть независимым блоком или быть интегрированным в электроды.
Попытки усилить биосигналы начались с развитием электрокардиографии . В 1887 году британский физиолог Август Уоллер успешно измерил электрокардиограф своей собаки, используя два ведра физиологического раствора, в которые он погрузил передние и задние лапы. [1] Несколько месяцев спустя Уоллер успешно записал первую электрокардиографию человека с помощью капиллярного электрометра. [1] Однако на момент изобретения Уоллер не предполагал, что электрокардиография будет широко использоваться в здравоохранении. Электрокардиограф был непрактичным в использовании, пока голландский физиолог Виллем Эйнтховен не ввел новшество в использовании струнного гальванометра для усиления сердечного сигнала. [2] Значительные усовершенствования в технологиях усилителей привели к использованию меньших электродов, которые было легче прикреплять к частям тела. [1] В 1920-х годах был представлен способ электрического усиления сердечных сигналов с использованием вакуумных трубок, который быстро заменил струнный гальванометр, который усиливал сигнал механически. Вакуумные трубки имеют большее сопротивление, поэтому усиление было более надежным. Кроме того, его относительно небольшой размер по сравнению со струнным гальванометром способствовал широкому использованию вакуумных трубок. Кроме того, большие металлические ведра больше не были нужны, поскольку были введены гораздо меньшие металлические пластинчатые электроды. К 1930-м годам электрокардиографические устройства можно было приносить к пациенту домой для проведения прикроватного мониторинга. [3] С появлением электронного усиления было быстро обнаружено, что многие особенности электрокардиографии были выявлены при различном размещении электродов. [4]
Электрокардиография (ЭКГ или ЭКГ) регистрирует электрическую активность сердца через поверхность кожи грудной клетки. Сигналы обнаруживаются электродами, прикрепленными к поверхности кожи, и регистрируются внешним по отношению к телу устройством. [5]
Амплитуда ЭКГ колеблется от 0,3 до 2 мВ для комплекса QRS, который используется для определения интервала между ударами, из которого выводится частота. Типичные требования к усилителям, которые будут использоваться в ЭКГ, включают: [1]
Электромиография (ЭМГ) регистрирует электрическую активность, производимую скелетными мышцами. Она регистрирует различные типы мышечных сигналов от простого расслабления с помощью размещения электродов на лбу субъекта до сложной нервно-мышечной обратной связи во время реабилитации после инсульта. Сигналы ЭМГ получаются от электродов, наложенных на мышцы или рядом с ними, которые необходимо контролировать. Электроды делегируют сигналы усилителю, обычно состоящему из высокопроизводительных дифференциальных усилителей. Обычные типы интересующего сигнала находятся в диапазоне амплитуды 0,1–2000 мВ в полосе пропускания около 25–500 Гц. [1]
Хотя многие электроды по-прежнему подключаются к усилителю с помощью проводов, некоторые усилители достаточно малы, чтобы монтироваться непосредственно на электрод. Некоторые минимальные характеристики для современного усилителя ЭМГ включают: [1]
Электроэнцефалографическое (ЭЭГ) оборудование похоже на ЭМГ оборудование с точки зрения размещения множества поверхностных электродов на коже пациента, в частности, на коже головы. В то время как ЭМГ получает сигналы от мышц под кожей, ЭЭГ пытается получить сигналы на коже головы пациента, генерируемые клетками мозга. Одновременно ЭЭГ регистрирует суммированную активность десятков тысяч или миллионов нейронов. Поскольку усилители стали достаточно маленькими, чтобы интегрироваться с электродами, ЭЭГ стала иметь потенциал для долгосрочного использования в качестве интерфейса мозг-компьютер , поскольку электроды можно держать на коже головы неограниченно долго. Временное и пространственное разрешение и соотношение сигнал-шум ЭЭГ всегда отставали от аналогичных показателей сопоставимых внутрикортикальных устройств, но у нее есть преимущество в том, что она не требует хирургического вмешательства. [6]
Для усиления используются высокопроизводительные дифференциальные усилители. Сигналы, представляющие интерес, находятся в диапазоне от 10 мкВ до 100 мкВ в диапазоне частот от 1 до 50 Гц. Подобно усилителям ЭМГ, [1] ЭЭГ выигрывает от использования интегральной схемы. Вероятность ЭЭГ также в основном связана с асимметричным размещением электродов, что приводит к увеличению шума или смещения. [7] Некоторые минимальные характеристики для современного усилителя ЭЭГ включают: [1]
Гальваническая реакция кожи — это измерение электрической проводимости кожи, которая напрямую зависит от того, насколько кожа влажная. Поскольку потовые железы контролируются симпатической нервной системой, проводимость кожи имеет решающее значение для измерения психологического или физиологического возбуждения. [8] Клинически установлено, что возбуждение и активность эккриновых потовых желез имеют прямую связь. Высокая проводимость кожи из-за потоотделения может использоваться для прогнозирования того, что субъект находится в состоянии сильного возбуждения, либо психологического, либо физиологического, либо и того, и другого. [9]
Гальваническая реакция кожи может быть измерена либо как сопротивление, называемое активностью сопротивления кожи (SRA), либо как активность проводимости кожи (SCA), которая является обратной величиной SRA. Как SRA, так и SCA включают два типа ответов: средний уровень и кратковременный фазовый ответ. Большинство современных приборов измеряют проводимость, хотя оба они могут быть отображены с помощью преобразования, выполненного в схеме или программном обеспечении. [1]
Электрокортикография (ЭКоГ) регистрирует совокупную активность сотен или тысяч нейронов с помощью слоя электродов, размещенных непосредственно на поверхности мозга. Помимо того, что устройство ЭКоГ требует хирургического вмешательства и имеет низкое разрешение, оно имеет проводное соединение, что означает, что скальп не может быть полностью закрыт, что увеличивает риск инфекции. Однако исследователи, изучающие ЭКоГ, утверждают, что сетка «обладает характеристиками, подходящими для долгосрочной имплантации». [6]
Нейротрофический электрод — это беспроводное устройство, передающее свои сигналы через кожу. Кроме того, он продемонстрировал долговечность более четырех лет у пациента-человека, поскольку каждый компонент полностью биосовместим . Однако он ограничен в объеме информации, которую он может предоставить, поскольку электроника, которую он использует для передачи своего сигнала (основанная на дифференциальных усилителях ), требует так много места на коже головы, что на черепе человека могут поместиться только четыре. [10]
В одном эксперименте доктор Кеннеди адаптировал нейротрофический электрод для считывания локальных полевых потенциалов (LFP). Он продемонстрировал, что они способны контролировать вспомогательные технологические устройства, предполагая, что менее инвазивные методы могут быть использованы для восстановления функциональности запертых пациентов. Однако исследование не рассматривало степень контроля, возможную с помощью LFP, или не проводило формального сравнения между LFP и активностью отдельных единиц. [11]
В качестве альтернативы, массив Юты в настоящее время является проводным устройством, но передает больше информации. Он был имплантирован человеку более двух лет назад и состоит из 100 проводящих кремниевых игольчатых электродов, поэтому он имеет высокое разрешение и может записывать данные со многих отдельных нейронов. [6]
В настоящее время для записи биосигналов в основном используются цифровые усилители. Процесс усиления зависит не только от производительности и спецификаций усилительного устройства, но и тесно связан с типами электродов, которые крепятся к телу субъекта. Типы материалов электродов и положение крепления электродов влияют на получение сигналов. [12] Также используются многоэлектродные массивы, в которых несколько электродов расположены в массиве.
Электроды, изготовленные из определенных материалов, как правило, работают лучше за счет увеличения площади поверхности электродов. Например, электроды из оксида индия и олова (ITO) имеют меньшую площадь поверхности, чем электроды, изготовленные из других материалов, таких как нитрид титана . Большая площадь поверхности приводит к снижению импеданса электрода, тогда сигналы нейронов получаются легче. Электроды ITO, как правило, плоские с относительно небольшой площадью поверхности и часто покрываются платиной гальваническим способом для увеличения площади поверхности и улучшения соотношения сигнала к площади. [13]
Цифровые усилители и фильтры в настоящее время производятся достаточно маленькими, чтобы их можно было объединить с электродами, выступая в качестве предусилителей. Необходимость в предусилителях очевидна, поскольку сигналы, которые производят нейроны (или любые другие органы), слабы. Поэтому предусилители предпочтительно размещать вблизи источника сигналов, где электроды находятся рядом. Еще одним преимуществом расположения предусилителей вблизи источника сигнала является то, что длинные провода приводят к значительным помехам или шуму. Поэтому лучше всего, чтобы провода были как можно короче. [13]
Однако, когда требуются более широкие полосы, например, очень высокая ( потенциалы действия ) или низкая частота ( локальные полевые потенциалы ), их можно отфильтровать цифровым способом, возможно, с помощью аналогового усилителя второго каскада перед оцифровкой. Могут быть некоторые недостатки, когда несколько усилителей в каскаде. Это зависит от типа, аналогового или цифрового. Однако, как правило, фильтры вызывают задержку по времени, и для синхронизации сигналов необходимы поправки. Кроме того, по мере добавления дополнительной сложности это стоит больше денег. Что касается цифровых усилителей, многие работы, которые выполняют лаборатории, заключаются в обратной подаче сигналов в сети в замкнутом контуре в реальном времени. В результате, требуется больше времени для применения к сигналам, когда на пути больше цифровых усилителей. Одним из решений является использование программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA), интегральной схемы «чистого листа», на которой что-то написано. Использование FPGA иногда снижает необходимость использования компьютеров, что приводит к ускорению фильтрации. Другая проблема с каскадными фильтрами возникает, когда максимальный выход первого фильтра меньше, чем необработанные сигналы, а второй фильтр имеет более высокий максимальный выход, чем первый фильтр. В этом случае невозможно распознать, достигли ли сигналы максимального выхода или нет. [13]
Тенденция развития электродов и усилителей заключается в уменьшении их размера для лучшей транспортабельности, а также в том, чтобы сделать их имплантируемыми на кожу для длительной записи сигналов. Предусилители, усилители головной ступени остаются прежними, за исключением того, что они должны иметь разные форм-факторы. Они должны быть легкими, водонепроницаемыми, не царапать кожу или скальп частями, которые им необходимо монтировать, и они должны хорошо рассеивать тепло. Рассеивание тепла является большой проблемой, поскольку дополнительное тепло может привести к повышению температуры близлежащих тканей, что потенциально может вызвать изменение физиологии ткани. Одним из решений для рассеивания тепла является использование устройства Пельтье . [13] Устройство Пельтье использует эффект Пельтье или термоэлектрический эффект для создания теплового потока между двумя различными типами материалов. Устройство Пельтье активно перекачивает тепло с одной стороны устройства на другую, потребляя электрическую энергию. Традиционное охлаждение с использованием сжатых газов не было бы приемлемым вариантом для охлаждения отдельной интегральной схемы, поскольку для ее работы требуется множество других устройств, таких как испаритель, компрессор и конденсатор. В целом, система на основе компрессора больше подходит для крупномасштабных задач по охлаждению и не подходит для мелкомасштабных систем, таких как биоусилители. Пассивное охлаждение, такое как радиатор и вентилятор, ограничивает только повышение температуры выше температуры окружающей среды, в то время как устройства Пельтье могут активно извлекать тепло прямо из тепловой нагрузки, как и системы охлаждения на основе компрессора. Кроме того, устройства Пельтье могут быть изготовлены с размерами значительно меньше 8 мм², поэтому их можно интегрировать в биоусилители, не теряя при этом их мобильности. [14]