EEG Machine

Achtergrond

Een elektro-encefalogram (EEG) machine is een apparaat dat wordt gebruikt om een ​​beeld te maken van de elektrische activiteit van de hersenen. Het is gebruikt voor zowel medische diagnose als neurobiologisch onderzoek. De essentiële componenten van een EEG-machine omvatten elektroden, versterkers, een computerbesturingsmodule en een weergaveapparaat. Productie omvat doorgaans de afzonderlijke productie van de verschillende componenten, assemblage en uiteindelijke verpakking. De EEG-machine, die voor het eerst werd ontwikkeld in het begin van de twintigste eeuw, wordt nog steeds verbeterd. Er wordt gedacht dat deze machine zal leiden tot een breed scala aan belangrijke ontdekkingen, zowel op het gebied van de basale hersenfunctie als op het gebied van genezingen voor verschillende neurologische ziekten.

De functie van een EEG-machine hangt af van het feit dat de zenuwcellen in de hersenen voortdurend kleine elektrische signalen produceren. Zenuwcellen, of neuronen, zenden informatie elektrisch door het lichaam. Ze creëren elektrische impulsen door de diffusie van calcium-, natrium- en kaliumionen door de celmembranen. Wanneer een persoon denkt, leest of televisie kijkt, worden verschillende delen van de hersenen gestimuleerd. Dit creëert verschillende elektrische signalen die kunnen worden gevolgd door een EEG.

De elektroden op de EEG-machine worden op de hoofdhuid bevestigd, zodat ze de kleine elektrische hersengolven kunnen opvangen die door de zenuwen worden geproduceerd. Terwijl de signalen door de machine gaan, lopen ze door versterkers waardoor ze groot genoeg zijn om te worden weergegeven. De versterkers werken net als versterkers in een stereo-installatie thuis. Een paar elektroden vormt een kanaal. EEG-machines hebben tussen de acht en veertig kanalen. Afhankelijk van het ontwerp drukt de EEG-machine de golfactiviteit vervolgens af op papier (door een galvanometer) of slaat deze op de harde schijf van een computer op voor weergave op een monitor.

Het is al lang bekend dat verschillende geestestoestanden leiden tot verschillende EEG-weergaven. Vier geestestoestanden - alertheid, rust, slaap en dromen - hebben geassocieerde hersengolven genaamd alfa, bèta, theta en delta. Elk van deze hersengolfpatronen heeft verschillende frequenties en amplitudes van golven.

EEG-machines worden voor verschillende doeleinden gebruikt. In de geneeskunde worden ze gebruikt om zaken als epileptische aandoeningen, hoofdletsel en hersentumoren te diagnosticeren. Een getrainde technicus voert in een speciaal daarvoor ingerichte ruimte een EEG-test uit. De patiënt ligt op zijn of haar rug en er worden 16-25 elektroden op de hoofdhuid aangebracht. De output van de elektroden wordt geregistreerd op een computerscherm of getekend op een bewegend stuk ruitjespapier. De patiënt wordt soms gevraagd om bepaalde taken uit te voeren, zoals diep ademhalen of naar een fel flikkerend licht kijken. De gegevens die met deze machine worden verzameld, kunnen door een computer worden geïnterpreteerd en geven een geometrisch beeld van de hersenactiviteit. Dit kan artsen precies laten zien waar problemen met de hersenactiviteit zitten.

Geschiedenis

De EEG-machine werd voor het eerst in de wereld geïntroduceerd door Hans Berger in 1929. Berger, een neuropsychiater van de Universiteit van Jena in Duitsland, gebruikte de Duitse term elektrenkephalogramm om de grafische weergave te beschrijven van de elektrische stromen die in de hersenen worden gegenereerd. Hij suggereerde dat hersenstromen veranderden op basis van de functionele status van de hersenen, zoals slaap, anesthesie en epilepsie. Dit waren revolutionaire ideeën die hielpen bij het creëren van een nieuwe tak van medische wetenschap, neurofysiologie genaamd.

Voor het grootste deel geloofde de wetenschappelijke gemeenschap van Bergers tijd zijn conclusies niet. Het duurde nog vijf jaar voordat zijn conclusies konden worden geverifieerd door middel van experimenten door Edgar Douglas Adrian en B.C.H. Matthews. Na deze experimenten begonnen andere wetenschappers het veld te bestuderen. In 1936 toonde W. Gray Walter aan dat deze technologie kan worden gebruikt om een ​​hersentumor op te sporen. Walter gebruikte een groot aantal kleine elektroden die hij op de hoofdhuid plakte en ontdekte dat hersentumoren gebieden met abnormale elektrische activiteit veroorzaakten.

In de loop der jaren zijn de EEG-elektroden, versterkers en uitvoerapparaten verbeterd. Wetenschappers leerden de beste plaatsen om de elektroden te plaatsen en hoe ze aandoeningen konden diagnosticeren. Ze ontdekten ook hoe ze elektrische kaarten van de hersenen konden maken. In 1957 ontwikkelde Walter een apparaat genaamd de toposcoop. Deze machine maakte gebruik van EEG-activiteit om een ​​kaart van het hersenoppervlak te maken. Het had 22 kathodestraalbuizen die waren verbonden met een paar elektroden op de schedel. De elektroden waren zo gerangschikt dat elke buis de intensiteit van activiteit in verschillende hersensecties kon laten zien. Door deze machine te gebruiken toonde Walter aan dat de hersengolven in rusttoestand anders waren dan hersengolven die werden gegenereerd tijdens een mentale taak die concentratie vereiste. Hoewel dit apparaat nuttig was, bereikte het nooit commercieel succes omdat het complex en duur was. Tegenwoordig hebben EEG-machines meerdere kanalen, computergeheugens en gespecialiseerde software die een elektrische kaart van de hersenen kunnen maken.

Grondstoffen

Bij de bouw van een EEG-machine worden tal van grondstoffen gebruikt. De interne printplaten zijn platte, met hars gecoate platen. Daarop zijn elektronische componenten aangesloten, zoals weerstanden, condensatoren en geïntegreerde schakelingen gemaakt van verschillende soorten metalen, plastic en silicium.

De elektroden zijn over het algemeen gemaakt van Duits zilver. Duits zilver is een legering die bestaat uit koper, nikkel en zink. Het is vooral handig omdat het zacht genoeg is om gemakkelijk te slijpen en te polijsten. Roestvast staal (dat een hogere nikkelconcentratie heeft) kan ook worden gebruikt. Het is meestal corrosiebestendiger, maar is moeilijker te boren en te bewerken.

Een plakband wordt gebruikt om oppervlakte-elektroden aan de patiënt te bevestigen. Aangezien de elektrische signalen zwak door de huid naar de elektroden worden overgebracht, is typisch een elektrolytpasta of -gel nodig. Dit materiaal wordt rechtstreeks op de huid aangebracht. Het kan bestaan ​​uit een cosmetisch ingrediënt zoals lanoline en chloride-ionen die helpen een geleidende brug te vormen tussen de huid en de elektrode, waardoor een betere signaaloverdracht mogelijk is. Polytetrafluorethyleen (Teflon) wordt gebruikt als coating voor de draden en verschillende soorten elektroden.

Ontwerp

De basissystemen van een EEG-machine omvatten het verzamelen, opslaan en weergeven van gegevens. De componenten van deze systemen omvatten elektroden, verbindingsdraden, versterkers, een computerbesturingsmodule en een weergaveapparaat. In de Verenigde Staten heeft de FDA (Food and Drug Administration) productiesuggesties voorgesteld voor fabrikanten van EEG-machines.

De elektroden, of leidingen, die in een EEG-machine worden gebruikt, kunnen in twee typen worden verdeeld, waaronder oppervlakte- en naaldelektroden. Over het algemeen geven naaldelektroden een grotere signaalhelderheid omdat ze direct in het lichaam worden geïnjecteerd. Dit elimineert signaaldemping veroorzaakt door de huid. Voor oppervlakte-elektroden zijn er wegwerpmodellen zoals de tab-, ring- en staafelektroden. Er zijn ook herbruikbare schijf- en vingerelektroden. De elektroden kunnen ook worden gecombineerd tot een elektrodekap die direct op het hoofd wordt geplaatst.

De EEG-versterkers zetten de zwakke signalen van de hersenen om in een beter waarneembaar signaal voor het uitvoerapparaat. Het zijn differentiële versterkers die handig zijn bij het meten van relatief lage signalen. In sommige ontwerpen zijn de versterkers als volgt opgesteld. Een paar elektroden detecteert het elektrische signaal van het lichaam. Draden die op de elektroden zijn aangesloten, brengen het signaal over naar het eerste deel van de versterker, de bufferversterker. Hier wordt het signaal elektronisch gestabiliseerd en versterkt met een factor vijf tot 10. Een differentiële voorversterker is de volgende in de rij die het signaal filtert en versterkt met een factor 10-100. Nadat ze door deze versterkers zijn gegaan, worden de signalen honderden of duizenden keren vermenigvuldigd.

Dit gedeelte van de versterkers, dat directe signalen van de patiënt ontvangt, maakt gebruik van optische isolatoren om de hoofdstroomcircuits van de patiënt te scheiden. De scheiding voorkomt de mogelijkheid van een onbedoelde elektrische schok. De primaire versterker bevindt zich in het hoofdstroomcircuit. In deze aangedreven versterker wordt het analoge signaal omgezet in een digitaal signaal, dat meer geschikt is voor output.

Omdat de hersenen verschillende signalen produceren op verschillende punten op de schedel, worden meerdere elektroden gebruikt. Het aantal kanalen dat een EEG-machine heeft, is gerelateerd aan het aantal gebruikte elektroden. Hoe meer kanalen, hoe gedetailleerder het hersengolfbeeld. Voor elke versterker op de EEG-machine zijn twee elektroden bevestigd. De versterker is in staat om de verschillende binnenkomende signalen te vertalen en identieke signalen te annuleren. Dit betekent dat de output van de machine eigenlijk het verschil in elektrische activiteit is dat door de twee elektroden wordt opgevangen. Daarom is de plaatsing van elke elektrode van cruciaal belang, want hoe dichter ze bij elkaar zijn, hoe minder verschillen in de hersengolven die worden geregistreerd.

Er is een verscheidenheid aan outputprinters en monitors beschikbaar voor EEG-machines. Een veelgebruikt apparaat is een galvanometer of papierstrookrecorder. Dit apparaat drukt in de loop van de tijd een hardcopy van de EEG-signalen af. Er worden ook andere soorten apparaten gebruikt, waaronder computerprinters, optische schijven, opneembare compactdiscs (cd's) en magneetbandeenheden. Aangezien de verzamelde gegevens analoog zijn, moeten ze worden omgezet in een digitaal signaal, zodat elektronische uitvoerapparaten kunnen worden gebruikt. Daarom heeft het primaire circuit van het EEG typisch een ingebouwd analoog-naar-digitaal-omzettergedeelte. De software die bij sommige EEG-machines wordt geleverd, kan worden gebruikt om een ​​kaart van de hersenen te maken.

Bij een EEG-apparaat worden diverse andere accessoires gebruikt. Deze omvatten elektrolytische pasta's of gels, bevestigingsclips, verschillende sensoren en thermisch papier. EEG-machines die bij slaaponderzoek worden gebruikt, zijn uitgerust met snurk- en ademhalingssensoren. Andere toepassingen vereisen apparaten voor sensorische stimulatie, zoals koptelefoons en led-brillen. Weer andere EEG-machines zijn uitgerust met elektrische stimulatoren.

Het fabricageproces

De verschillende onderdelen van een EEG-machine worden afzonderlijk geproduceerd en vervolgens geassembleerd door de primaire fabrikant voordat ze worden verpakt. Deze componenten, inclusief de elektroden, de versterker en de opslag- en uitvoerapparaten, kunnen door externe fabrikanten worden geleverd of in-house worden gemaakt.

Elektroden

• 1 De EEG-elektroden worden doorgaans van externe leveranciers ontvangen en gecontroleerd om te zien of ze voldoen aan de vastgestelde specificaties. Een type elektrode dat gewoonlijk voor de EEG-machine wordt gebruikt, is een naaldelektrode. Deze kunnen worden gemaakt van een staaf van roestvrij staal. De staaf wordt verwarmd tot hij zacht wordt en vervolgens geëxtrudeerd om een ​​naadloze buis te vormen.
• 2 De buis wordt vervolgens uitgetrokken om een ​​fijne holle buis te produceren. Deze buizen worden op de gewenste lengte gesneden en vervolgens conisch geslepen om een ​​punt te produceren.
• 3 Om een ​​gemakkelijke inbrenging te garanderen, wordt de buis door een bad van polytetrafluorethyleen (Teflon) geleid om een ​​gladde, chemisch resistente coating te verkrijgen. Als de buis het bad verlaat, wordt deze verwarmd om het oplosmiddel te verdampen en de coating te laten hechten.
• 4 De buis wordt vervolgens machinaal in een kunststof adapterstuk geplaatst dat met een spuitgietmachine is gemaakt. Met dit stuk kunnen de wegwerpbare, individueel verpakte naalden worden aangesloten op de geleidingsdraad.
• 5 De afgeschermde aansluitdraad is voorzien van een adapter die kan worden aangesloten op de primaire unit.

Interne elektronica

• 6 De versterkers en de computerbesturingsmodule zijn net als andere elektronische apparatuur in elkaar gezet. De elektronische configuraties worden eerst afgedrukt op printplaten. De borden kunnen met de hand worden voorzien van chips, condensatoren, diodes, zekeringen en andere elektronische onderdelen of door een geautomatiseerde machine worden geleid. Deze machine werkt als een etiketteermachine. Het is geladen met talloze spoelen met elektronische componenten en plaatsingskoppen. Een computer regelt de beweging van Een man die een EEG ondergaat, met een pet die is uitgerust met elektroden. het bord door de machine. Wanneer een bord onder een van de componentspoelen wordt bewogen, stempelt een plaatsingskop het elektronische stuk op het bord in de juiste posities. Wanneer voltooid, worden de borden naar de volgende stap gestuurd voor golfsolderen.
• 7 In de volgende stap bevestigt een golfsoldeermachine de elektronische componenten op het bord. Als de platen deze machine binnenkomen, worden ze gewassen met vloeimiddel om verontreinigingen te verwijderen die kortsluiting kunnen veroorzaken.
• 8 Boards worden vervolgens verwarmd met infraroodwarmte. De onderkant van het bord wordt over een vat met gesmolten soldeer geleid. Het soldeer vult de benodigde gebieden door capillaire werking.
• 9 Naarmate de printplaten afkoelen, hardt het soldeer uit en wordt de elektronica op zijn plaats gehouden. Op dit punt wordt meestal een visuele inspectie uitgevoerd om ervoor te zorgen dat defecte platen worden afgekeurd.

Versterker

• 10 De elektronische printplaten voor de versterker zijn in elkaar gezet en op een behuizing bevestigd. Dit wordt meestal gedaan door lijnoperators die de stukken fysiek op geprefabriceerde platen plaatsen.
• 11 De behuizing is gemaakt van stevig plastic dat is geconstrueerd door middel van typische spuitgietprocessen. In dit proces wordt een tweedelige mal gemaakt die de omgekeerde vorm heeft van het gewenste onderdeel. Gesmolten plastic wordt in de mal gespoten en wanneer deze afkoelt, wordt het onderdeel gevormd. Voor sommige EEG-modellen is de versterker een aparte doos ter grootte van een leerboek. De buitenzijden van de doos hebben connectoren waar de elektroden en de computerverbindingslijnen in worden gestoken.

Computerbesturingskast

• 12 Een EEG-station bestaat uit de versterker en een computerbesturingsstation. Dit controlestation heeft typisch een desktopcomputer, een toetsenbord en muis, een kleurenprinter en een videomonitor. Deze apparaten worden allemaal geproduceerd door externe fabrikanten en geassembleerd door de EEG-fabrikant.

Eindmontage

• 13 Elk van de componenten van de EEG O-machine wordt samengebracht en in een geschikt metalen frame geplaatst. Dit proces wordt uitgevoerd door lijnoperators die in extreem schone omstandigheden werken. Wanneer de componenten zijn gemonteerd, worden ze meestal op een stevige stalen kar geplaatst om het apparaat draagbaar te maken.
• 14 De voltooide apparaten worden vervolgens in de definitieve verpakking gedaan, samen met accessoires zoals elektroden, computersoftware, afdrukpapier en handleidingen.

Kwaliteitscontrole

Bij elke stap in het productieproces vinden visuele en elektrische inspecties plaats om de kwaliteit van elk EEG-apparaat dat wordt geproduceerd te waarborgen. Aangezien de fabricage van circuits gevoelig is voor verontreiniging, wordt het montagewerk gedaan door lijnoperators in cleanrooms met luchtstroomregeling. Ook moeten operators pluisvrije kleding dragen om de kans op besmetting te verkleinen. De functionele prestaties van elk voltooid EEG-apparaat worden ook getest om te controleren of het werkt. Dit wordt gedaan door het apparaat aan te zetten, aan te zetten en een reeks standaardtests uit te voeren. Om gebruik in de praktijk te simuleren, worden deze tests uitgevoerd onder verschillende niveaus van hitte en vochtigheid.

Over het algemeen stellen fabrikanten hun eigen kwaliteitsspecificaties voor hun EEG-machines. In de Verenigde Staten geeft de Food &Drug Administration (FDA) echter productieaanbevelingen die meestal door de industrie worden aangepast. Verschillende andere medische en overheidsorganisaties stellen ook normen en prestatievoorstellen voor. Sommige factoren die als belangrijk worden beschouwd, zijn gestandaardiseerde ingangssignaalbereiken, nauwkeurigheid van het kalibratiesignaal, frequentieresponsen en opnameduur.

De Toekomst

In de toekomst zullen EEG-machines worden verbeterd in hun fabricage en hun toepassingen. Vanuit een productiestandpunt zullen de componenten waaruit de interne elektronica van het apparaat bestaat waarschijnlijk kleiner worden. Dit zorgt voor kleinere, meer draagbare machines. Het zal de apparaten ook goedkoper maken. Dit zal belangrijk zijn omdat sommige deskundigen suggereren dat toekomstige toepassingen het voor individuele consumenten wenselijk zullen maken om EEG-machines te hebben.

Hoewel de fabricageverbeteringen voortkomen uit onderzoek op het algemene gebied van elektronische fabricage, heeft specifiek onderzoek naar EEG-machines zich gericht op nieuwe toepassingen en toepassingen. Zo is er recentelijk een apparaat geïntroduceerd dat screening op de ziekte van Alzheimer mogelijk kan maken. Deze machine bevat een kap die is voorzien van elektroden. Wanneer gedragen, geeft het een elektronisch beeld van de hersenactiviteit van een patiënt. Dit beeld wordt vergeleken met de hersenactiviteit van gezonde mensen en er worden verschillen opgemerkt.

Er is een vergelijkbare machine ontwikkeld die informatie van EEG-elektroden kan gebruiken om computers te besturen. Bij dit apparaat draagt ​​de gebruiker een elektrode-bevattende dop en kijkt naar een computerscherm. Na een trainingssessie met de computer konden gebruikers de beweging van een cursor op het scherm besturen door gewoon hun gedachten te gebruiken. Indien volledig ontwikkeld, zou deze technologie een revolutionaire ontwikkeling kunnen zijn voor mensen met een dwarslaesie. Individuele consumenten kunnen ook profiteren van het gebruik van een dergelijk apparaat om huishoudelijke verlichting, computers en apparaten te bedienen door gewoon na te denken.

Waar meer te leren

Boeken

Fisch, Bruce J. Fisch en Spehlmann's EEG Primer. Elsevier Wetenschap, 1999.

Anders, Kirk. Encyclopedie van chemische technologie. vol. 22, 1992.

Webster, J.G. Toepassing en ontwerp van medische instrumenten. 2e ed. 1992.

Wong, Peter K. H. Digitale EEG in de klinische praktijk. Lippincott Williams &Wilkins, 1995.

Overige

Sabbatini, Renato M.E. "De hersenen in kaart brengen." Hersenen en geest 15 november 2001. .

Perry Romanowski