ČVUT - FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ V KLADNĚ Interaktivní simulátor EEG Týmový projekt Student: Jiří Hrdlička Vedoucí: Ing. Jan Suchomel Konzultant: Ing. Petr Kudrna
i
Interaktivní simulátor EEG Tato práce se zabývá návrhem a realizací EEG simulátoru, který bude zabudován v pacientském simulátoru METI ECS, který je učební pomůckou na Fakultě biomedicínského inženýrství v Kladně. Navržený simulátor by měl přispívat k lepší interpretaci problematiky zaznamenávání EEG signálu budoucím studentům na této fakultě. V úvodu práce jsou obecné informace o elektroencefalografii, které jsou nutné k pochopení dalšího obsahu. Další část se zabývá návrhem řešení simulátoru. Interactive EEG simulator This work deals with the design and implementation of EEG simulator, which will be incorporated in the patient simulator METI ECS, which is a teaching tool at the Faculty of Biomedical Engineering, Kladno. The proposed simulator should contribute to better interpretation of the issue of recording EEG signal to future students at the fakulty. At the beginnig of this document are general informations about electroencephalography, which are necessary for understanding other content. The next section is about simulator proposal. ii
Prohlášení Prohlašuji, že jsem týmový projekt Simulátor EEG signálu vypracoval samostatně a použil k tomu úplný výčet citací použitých pramenů, které uvádím v seznamu přiloženém k práci. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Kladně dne 6. 1. 2012 Jiří Hrdlička iii
Obsah 1 Úvod... 1 2 Elektroencefalografie... 2 2.1 Historie... 2 2.2 Vznik EEG signálu... 2 2.3 Parametry EEG signálu... 2 2.4 Snímání EEG signálu... 2 2.4.1 Elektrody pro snímání EEG signálu... 3 2.5 Zpracování EEG signálu... 4 3 Návrh EEG simulátoru... 5 3.1 Požadavky na EEG simulátor... 5 3.2 Blokové schéma řešení simulátoru... 5 3.3 Výběr světlocitlivého prvku... 6 3.4 Návrh Schmittova klopného obvodu... 7 4 Závěr... 9 5 Seznam použité literatury... 10 iv
1 Úvod Fakulta biomedicínského inženýrství v Kladně disponuje pacientským simulátorem METI ECS, který umí simulovat životní funkce člověka, reagovat na různé podněty, simulovat nemoci apod. Tento simulátor se používá k výuce několika předmětů na této fakultě. Aby bylo možné výuku ještě zdokonalit, vznikl tým zabývající se dalšími simulátory funkcí, které METI ECS simulovat neumí. V případě mé práce se jedná o simulátor EEG. Tento simulátor by měl vyhodnocovat stav očí pacientského simulátoru a generovat EEG signál o příslušné frekvenci. Detailněji to bude rozvedeno v samotné práci. Generátor EEG signálu bude v tomto projektu řešen softwarově. Na jeho realizaci budu pracovat v rámci bakalářské práce. 1
2 Elektroencefalografie 2.1 Historie Již ve druhé polovině 18. Století si známí vědci Luigi Galavani a Alessandro Volta pozorovali elektrickou aktivitu živé tkáně. V roce 1924 zaznamenal Hans Berger elektrickou aktivitu mozku na papír pomocí citlivých galvanometrů a zapisovače. Položil tím základ elektroencefalografie neboli sledování a zaznamenávání elektrické aktivity mozku. 2.2 Vznik EEG signálu Každá nervová buňka svou činností vytváří elektrické biopotenciály. Těmi jsou akční potenciál a dále postsynaptické potenciály. Akční potenciál má příliš krátkou dubu trvání (cca 1 ms), a proto se v EEG signálu neprojevuje na rozdíl od postsynaptických potenciálů, které mají dobu trvání delší (cca 100 ms). Změny těchto biopotenciálů vytvářejí elektrické pole. Sumací takto vzniklých elektrických polí snímaných z povrchu hlavy vzniká EEG signál. 2.3 Parametry EEG signálu Jak již bylo řečeno, EEG signál je signál elektrický. V souvislosti s jeho popisem se nejčastěji hovoří o jeho amplitudě a frekvenci. Amplituda EEG signálu se pohybuje nejčastěji v desítkách nebo maximálně stovkách mikrovoltů. Mnohem větší vypovídající hodnotu má v tomto případě frekvence. Ta se mění například při inhibici očního nervu (otevření oka), čehož budeme v tomto projektu využívat, mění se v závislosti na fázi spánku nebo naopak se zvyšující se aktivitou člověka. Jednotlivé frekvence a stavy kdy se objevují, popisuje následující tabulka. Označení Rozsah frekvence (Hz) Objevuje se Delta 1-4 u kojenců, při hlubokém spánku dospělého Theta 4-8 u dětí, při spánku dospělého Alfa 8-13 relaxovaný stav se zavřenýma očima Beta 13-30 otevřené oči, mentální činnost, soustředění Tab. 2.1. Frekvence EEG Kromě výše zmíněných rytmů se vyskytují ještě další označované jako Gama, Mi, Sigma a další. Tyto rytmy se ovšem tak často nevyskytují a z hlediska našeho projektu nejsou důležité. 2.4 Snímání EEG signálu Snímání EEG signálu se provádí z důvodu diagnózy různých mozkových chorob a poruch jako je například epilepsie, otřes mozku, mozková příhoda a další. EEG signál snímáme speciálními elektrodami z hlavy pacienta. Ve většině případů se jedná o neinvazivní vyšetření, takže se snímá z pokožky hlavy vyšetřovaného. Existují i invazivní podkožní elektrody a další druhy, které se využívají pouze ve speciálních případech. K ideálnímu rozmístění elektrod se používá tzv. EEG čepice, ve které jsou všity elektrody a nasadí se pacientovi na hlavu. Ačkoli existuje několik koncepcí rozmístění elektrod, v dnešní 2
době se nejčastěji používá tzv. systém 10/20. Tato čísla vyjadřují procento vzdálenosti elektrod v jedné linii z celkové délky. Počet elektrod na hlavě pacienta je v tomto systému 19+2 referenční elektrody. Obr. 2.1. Rozmístění elektrod Na snímání EEG signálu se používají zpravidla dva režimy. Unipolární a bipolární. V unipolárním režimu snímáme potenciály ze všech elektrod vůči jedné referenční elektrodě, která se připojuje obvykle k ušním lalůčkům. Je zde však riziko, že se mozková aktivita projeví i na referenční elektrodě a objeví se v signálu v každém svodu s opačnou polaritou. V unipolárním režimu se žádná referenční elektroda nepoužívá. Zde mají dva sousední kanály jednu společnou elektrodu. 2.4.1 Elektrody pro snímání EEG signálu Elektrody pro EEG bývají nejčastěji tzv. argentchloridové označované jako Ag AgCl. Jsou to elektrody vyrobené ze stříbrného plíšku pokrytého vrstvou chloridu stříbrného. K účelům EEG se používají elektrody kruhového tvaru. Přechodový odpor mezi elektrodou a pokožkou hlavy by mě být menší než 3 kω. Pro snížení přechodového odporu se mezi elektrodu a pokožku nanáší speciální vodivý EEG gel nebo pasta. Gel nanášíme do otvoru v elektrodě, viz obrázek 2.2. Obr. 2.2. EEG elektroda 3
2.5 Zpracování EEG signálu Signál naměřený z elektrod je bohužel pro vyhodnocení lékařem nepoužitelný. Signál bývá silně ovlivněn nežádoucími artefakty, s nízkou amplitudou a hlavně na počítači nezobrazitelný, jelikož se jedná o signál analogový. Každý kanál EEG signálu se upravuje EEG zesilovačem, který lze zjednodušeně popsat tímto blokovým schématem. Obr. 2.3. Blokové schéma EEG zesilovače Všechny prvky naznačené v blokovém schématu musí být samozřejmě napájeny. O to se stará napájecí zdroj. DC/DC konvertor je zařazen kvůli napájení obvodů před izolačním zesilovačem, které musí být galvanicky odděleny. Vstupní předzesilovač má za úkol impedanční oddělení. Navazující filtr typu horní propust odstraní ze signálu nežádoucí nízké frekvence menší než 0,5 Hz. Dalším důležitým prvkem je izolační zesilovač. Jeho úkolem je galvanické oddělení obvodů a tím ochrana pacienta před úrazem elektrickým proudem. Je známo, že EEG signál obsahuje frekvence přibližně do 80 Hz. Vyšší frekvence jsou tudíž neužitečné a rušivé. K jejich odstranění se zde používá filtr typu dolní propust. V signálu se velmi často objevuje rušení na frekvenci 50 Hz. To je dáno napájením z rozvodné sítě, které na této frekvenci pracuje. Řešení je filtr typu pásmová zádrž, který odstraní požadovanou frekvenci. Signál už zbývá jen zesílit, o což se postará zesilovač, a poté převést do digitální podoby pomocí A/D převodníku. Takto upravený signál již lze zobrazit na počítači a obsahuje jen potřebné informace. Tímto způsobem je třeba upravit signál ze všech 19 elektrod. Výsledný záznam EEG signálu může vypadat jako na obrázku 2.4. 4
Obr. 2.4. Záznam EEG 3 Návrh EEG simulátoru 3.1 Požadavky na EEG simulátor Naším úkolem bylo navrhnout a také realizovat EEG simulátor reagující na stav očí umělého pacienta METI ECS. Simulátor bude reagovat změnou frekvence a amplitudy generovaného signálu, který bude považován za EEG signál a bude možné ho vyhodnocovat na reálném EEG přístroji. V této části projektu bude hardwarově realizován pouze snímač polohy oka a obvod k jeho vyhodnocení. Samotný generátor bude realizován v rámci bakalářské práce. 3.2 Blokové schéma řešení simulátoru Obr. 3.1. Blokové schéma řešení simulátoru 5
Při vyhodnocování polohy oka jsme využili toho, že simulátor METI ECS má pohyblivá oční víčka, kterými své oko zakrývá podobně jako člověk. Do jeho oka jsme tedy implantovali světlocitlivý prvek (detektor světla). Při odklopení víček pacienta proniká do světlocitlivého prvku světelné záření, které mění jeho elektrické vlastnosti. Výstupní signál z detektoru světla je třeba upravit námi navrženým tvarovacím obvodem, který pracuje jako Schmittův klopný obvod. Výstup z tohoto obvodu bude řídícím signálem pro generátor. 3.3 Výběr světlocitlivého prvku Světlocitlivých prvků je k dispozici celá škála. Od fototranzistorů, fotorezistorů až po fotodiody. Naše volba padla jednoznačně na fototranzistor a to na model BPW42. Vybrali jsme tak proto, že jeho citlivost je ze všech uvedených prvků nejvyšší a také hlavně kvůli jeho malým rozměrům a tvaru, díky kterým byla implantace do oka umělého pacienta jednoduší. Obr. 3.2. Fototranzistor BPW42 Obr. 3.3. Implantovaný fototranzistor 6
V laboratoři naší školy jsme experimentálně naměřili závislost průběhu napětí na fototranzistoru na intenzitě světla při napájení fototranzistoru napětím 5 V. 6 Závislost napětí na intenzitě světla 5 Napětí (V) 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 300 Intenzita světla (lx) Obr. 3.4. Závislost napětí na intenzitě světla 3.4 Návrh Schmittova klopného obvodu Výstupem z detektoru světla bude nepravidelný signál, kterým bychom generátor jen těžko řídili. K našim účelům potřebujeme signál, který bude mít pouze dvě úrovně. Ideální je proto použití tvarovacího obvodu, kterým bude v našem případě Schmittův klopný obvod realizovaný pomocí operačního zesilovače s kladnou zpětnou vazbou. Podle světelných podmínek se mění úbytek napětí na fototranzistoru a zároveň na odporu R1. Mezi nimi je pak vyveden potenciál, který je úměrný intenzitě osvětlení. Tento potenciál je porovnáván operačním zesilovačem s potenciálem na jeho kladném vstupu, na který je připojena zpětná vazba. Díky tomu, že je ve zpětné vazbě zařazen regulovatelný potenciometr, lze nastavit, aby obvod překlápěl dříve než při dosažení hodnoty výstupního napětí. V praxi to pro nás znamená, že bude možno snímač používat i při horších světelných podmínkách, kdy se fototranzistor dostatečně neotevře. Schéma navrženého obvodu je na obrázku 3.4. 7
Obr. 3.5. Detektor světla se Schmittovým klopným obvodem 3.5 Generování EEG signálu Generování EEG signálu je v současné době řešeno pomocí multifunkční karty NI DAQ USB 6008 od společnosti National Instruments, která disponuje analogovými vstupy a výstupy. Tato karta je propojena s počítačem a ovládána pomocí softwaru. Generované signály jsou v požadovaném rozsahu hodnot, ovšem průběh je sinusový. 8
4 Závěr V dosavadním průběhu našeho projektu byl navržen a realizován snímač, který vyhodnocuje polohu oka simulátoru pacienta METI ECS, což je řídící veličina pro generátor EEG vln. Tento snímač byl následně propojen s počítačem, kde jsme generátor EEG vln realizovali softwarově. Celý tento systém se podařilo propojit s reálným EEG přístrojem, který podle očekávání spolupracoval. 9
5 Seznam použité literatury MUDr. Bušek Petr. Fyziologická podstata vzniku EEG signálu a limity rutinního EEG vyšetření [online]. Poslední změna 16. 2. 2001. URL: <http://www.medicina.cz/odborne/clanek.dss?s_id=2287&s_ts=40110,085625> Hříbal Petr. Zesilovač EEG signálu. Praha, 2001. Diplomová práce, ČVUT, Fakulta elektrotechnická. doc. MUDr. Pokorný Jan, DrSc. Elektroencefalografie [online]. URL: <http://fbmi.cvut.cz/files/nodes/657/public/eeg.pdf> Rozman Jiří a kolektiv. Elektronické přístroje v lékařství. Nakladatelství Academia, Praha, 2006. 10