EEG-Maschine

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Hintergrund

Ein Elektroenzephalogramm (EEG)-Gerät ist ein Gerät, das verwendet wird, um ein Bild der elektrischen Aktivität des Gehirns zu erstellen. Es wurde sowohl für die medizinische Diagnose als auch für die neurobiologische Forschung verwendet. Zu den wesentlichen Komponenten eines EEG-Geräts gehören Elektroden, Verstärker, ein Computersteuermodul und ein Anzeigegerät. Die Herstellung umfasst typischerweise die separate Produktion der verschiedenen Komponenten, den Zusammenbau und die Endverpackung. Das EEG-Gerät wurde erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt und wird ständig verbessert. Es wird angenommen, dass diese Maschine zu einer Vielzahl wichtiger Entdeckungen sowohl in der grundlegenden Gehirnfunktion als auch in der Heilung verschiedener neurologischer Erkrankungen führen wird.

Die Funktion eines EEG-Geräts hängt davon ab, dass die Nervenzellen im Gehirn ständig winzige elektrische Signale produzieren. Nervenzellen oder Neuronen übertragen Informationen elektrisch durch den Körper. Sie erzeugen elektrische Impulse durch die Diffusion von Kalzium-, Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembranen. Beim Denken, Lesen oder Fernsehen werden verschiedene Teile des Gehirns stimuliert. Dadurch entstehen verschiedene elektrische Signale, die von einem EEG überwacht werden können.

Die Elektroden des EEG-Geräts werden an der Kopfhaut befestigt, damit sie die kleinen elektrischen Gehirnwellen aufnehmen können, die von den Nerven erzeugt werden. Während die Signale durch die Maschine laufen, durchlaufen sie Verstärker, die sie groß genug machen, um angezeigt zu werden. Die Verstärker funktionieren genauso wie Verstärker in einer Heimstereoanlage. Ein Elektrodenpaar bildet einen Kanal. EEG-Geräte haben zwischen acht und 40 Kanälen. Je nach Ausführung druckt das EEG-Gerät dann die Wellenaktivität entweder auf Papier aus (durch ein Galvanometer) oder speichert sie auf einer Computerfestplatte zur Anzeige auf einem Monitor.

Es ist seit langem bekannt, dass unterschiedliche Geisteszustände zu unterschiedlichen EEG-Darstellungen führen. Vier Geisteszustände – Wachheit, Ruhe, Schlaf und Träumen – haben assoziierte Gehirnwellen namens Alpha, Beta, Theta und Delta. Jedes dieser Gehirnwellenmuster hat unterschiedliche Frequenzen und Amplituden von Wellen.

EEG-Geräte werden für verschiedene Zwecke eingesetzt. In der Medizin werden sie zur Diagnose von Anfallsleiden, Kopfverletzungen und Hirntumoren eingesetzt. Ein geschulter Techniker führt in einem speziell dafür eingerichteten Raum einen EEG-Test durch. Der Patient liegt auf dem Rücken und 16-25 Elektroden werden auf der Kopfhaut angebracht. Das Ausgangssignal der Elektroden wird auf einem Computerbildschirm aufgezeichnet oder auf ein sich bewegendes Stück Millimeterpapier gezeichnet. Der Patient wird manchmal aufgefordert, bestimmte Aufgaben zu erledigen, wie zum Beispiel tief durchzuatmen oder in ein helles, flackerndes Licht zu schauen. Die von dieser Maschine gesammelten Daten können von einem Computer interpretiert werden und liefern ein geometrisches Bild der Gehirnaktivität. Dies kann Ärzten genau zeigen, wo Probleme mit der Gehirnaktivität liegen.

Verlauf

Das EEG-Gerät wurde erstmals 1929 von Hans Berger der Welt vorgestellt. Berger, ein Neuropsychiater an der Universität Jena in Deutschland, verwendete den deutschen Begriff Elektrenkephalogramm die grafische Darstellung der im Gehirn erzeugten elektrischen Ströme zu beschreiben. Er schlug vor, dass sich die Gehirnströme basierend auf dem Funktionsstatus des Gehirns wie Schlaf, Anästhesie und Epilepsie ändern. Dies waren revolutionäre Ideen, die dazu beitrugen, einen neuen Zweig der Medizin namens Neurophysiologie zu schaffen.

Größtenteils glaubte die wissenschaftliche Gemeinschaft zu Bergers Zeit seinen Schlussfolgerungen nicht. Es dauerte weitere fünf Jahre, bis seine Schlussfolgerungen durch Experimente von Edgar Douglas Adrian und B. C. H. Matthews verifiziert werden konnten. Nach diesen Experimenten begannen andere Wissenschaftler, das Feld zu untersuchen. 1936 demonstrierte W. Gray Walter, dass mit dieser Technologie ein Hirntumor lokalisiert werden kann. Walter verwendete eine große Anzahl kleiner Elektroden, die er auf die Kopfhaut klebte, und stellte fest, dass Hirntumore Bereiche mit abnormaler elektrischer Aktivität verursachten.

Im Laufe der Jahre wurden die EEG-Elektroden, Verstärker und Ausgabegeräte verbessert. Die Wissenschaftler lernten die besten Orte zum Anbringen der Elektroden und die Diagnose von Erkrankungen. Sie entdeckten auch, wie man elektrische Karten des Gehirns erstellt. 1957 entwickelte Walter ein Gerät namens Toposkop. Diese Maschine nutzte die EEG-Aktivität, um eine Karte der Gehirnoberfläche zu erstellen. Es hatte 22 Kathodenstrahlröhren, die mit einem Paar Elektroden am Schädel verbunden waren. Die Elektroden wurden so angeordnet, dass jedes Röhrchen die Aktivitätsintensität in verschiedenen Hirnschnitten anzeigen konnte. Mit dieser Maschine demonstrierte Walter, dass die Gehirnwellen im Ruhezustand anders waren als Gehirnwellen, die während einer mentalen Aufgabe erzeugt wurden, die Konzentration erforderte. Dieses Gerät war zwar nützlich, hatte jedoch keinen kommerziellen Erfolg, da es komplex und teuer war. Heutzutage verfügen EEG-Geräte über mehrere Kanäle, Computerspeicher und spezialisierte Software, die eine elektrische Karte des Gehirns erstellen kann.

Rohstoffe

Beim Bau einer EEG-Maschine werden zahlreiche Rohstoffe verwendet. Die internen Leiterplatten sind flache, harzbeschichtete Platten. Daran angeschlossen sind elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und integrierte Schaltkreise aus verschiedenen Metallen, Kunststoffen und Silizium.

Die Elektroden sind in der Regel aus Neusilber gefertigt. Neusilber ist eine Legierung aus Kupfer, Nickel und Zink. Es ist besonders nützlich, weil es weich genug ist, um leicht zu schleifen und zu polieren. Edelstahl (mit einer höheren Nickelkonzentration) kann ebenfalls verwendet werden. Es ist tendenziell korrosionsbeständiger, aber schwieriger zu bohren und zu bearbeiten.

Ein Klebeband wird verwendet, um Oberflächenelektroden am Patienten zu befestigen. Da die elektrischen Signale schwach durch die Haut zu den Elektroden übertragen werden, wird typischerweise eine Elektrolytpaste oder ein Gel benötigt. Dieses Material wird direkt auf die Haut aufgetragen. Es kann aus einem kosmetischen Inhaltsstoff wie Lanolin und Chloridionen bestehen, die dazu beitragen, eine leitfähige Brücke zwischen der Haut und der Elektrode zu bilden, die eine bessere Signalübertragung ermöglicht. Als Beschichtung für Drähte und verschiedene Arten von Elektroden wird Polytetrafluorethylen (Teflon) verwendet.

Design

Zu den Grundsystemen eines EEG-Geräts gehören die Datenerfassung, -speicherung und -anzeige. Die Komponenten dieser Systeme umfassen Elektroden, Verbindungsdrähte, Verstärker, ein Computersteuermodul und ein Anzeigegerät. In den Vereinigten Staaten hat die FDA (Food and Drug Administration) Produktionsvorschläge für Hersteller von EEG-Geräten vorgeschlagen.

Die Elektroden oder Leitungen, die in einem EEG-Gerät verwendet werden, können in zwei Arten unterteilt werden, einschließlich Oberflächen- und Nadelelektroden. Im Allgemeinen bieten Nadelelektroden eine größere Signalklarheit, da sie direkt in den Körper injiziert werden. Dadurch wird eine durch die Haut verursachte Signaldämpfung vermieden. Für Oberflächenelektroden gibt es Einwegmodelle wie die Laschen-, Ring- und Stabelektroden. Es gibt auch wiederverwendbare Scheiben- und Fingerelektroden. Die Elektroden können auch zu einer Elektrodenkappe zusammengefasst werden, die direkt auf den Kopf aufgesetzt wird.

Die EEG-Verstärker wandeln die schwachen Signale des Gehirns in ein besser wahrnehmbares Signal für das Ausgabegerät um. Sie sind Differenzverstärker, die bei der Messung von Signalen mit relativ niedrigem Pegel nützlich sind. Bei einigen Designs sind die Verstärker wie folgt aufgebaut. Ein Elektrodenpaar erfasst das elektrische Signal des Körpers. An die Elektroden angeschlossene Drähte übertragen das Signal an den ersten Abschnitt des Verstärkers, den Pufferverstärker. Hier wird das Signal elektronisch stabilisiert und um den Faktor 5 bis 10 verstärkt. Als nächstes folgt ein differentieller Vorverstärker, der das Signal filtert und um den Faktor 10-100 verstärkt. Nachdem sie diese Verstärker durchlaufen haben, werden die Signale hundert- oder tausendfach multipliziert.

Dieser Abschnitt der Verstärker, der direkte Signale vom Patienten empfängt, verwendet optische Isolatoren, um den Hauptstromkreis vom Patienten zu trennen. Die Trennung verhindert die Möglichkeit eines versehentlichen Stromschlags. Der Primärverstärker befindet sich im Hauptstromkreis. In diesem Leistungsverstärker wird das analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt, das für die Ausgabe besser geeignet ist.

Da das Gehirn an verschiedenen Stellen des Schädels unterschiedliche Signale erzeugt, werden mehrere Elektroden verwendet. Die Anzahl der Kanäle, die ein EEG-Gerät hat, hängt von der Anzahl der verwendeten Elektroden ab. Je mehr Kanäle, desto detaillierter das Gehirnwellenbild. Für jeden Verstärker am EEG-Gerät werden zwei Elektroden angebracht. Der Verstärker ist in der Lage, die unterschiedlichen eingehenden Signale zu übersetzen und identische zu löschen. Dies bedeutet, dass die Leistung der Maschine tatsächlich die Differenz der elektrischen Aktivität ist, die von den beiden Elektroden aufgenommen wird. Daher ist die Platzierung jeder Elektrode entscheidend, denn je näher sie beieinander liegen, desto weniger Unterschiede in den aufgezeichneten Gehirnwellen werden aufgezeichnet.

Für EEG-Geräte stehen verschiedene Ausgabedrucker und -monitore zur Verfügung. Ein übliches Gerät ist ein Galvanometer oder ein Papierstreifenschreiber. Dieses Gerät druckt im Laufe der Zeit eine Hardcopy der EEG-Signale. Andere Arten von Geräten werden ebenfalls verwendet, einschließlich Computerdrucker, optische Platten, beschreibbare Compact Discs (CDs) und Magnetbandeinheiten. Da die gesammelten Daten analog sind, müssen sie in ein digitales Signal umgewandelt werden, damit elektronische Ausgabegeräte verwendet werden können. Daher weist die Primärschaltung des EEG typischerweise einen eingebauten Analog-Digital-Wandlerabschnitt auf. Die mit einigen EEG-Geräten mitgelieferte Software kann verwendet werden, um eine Karte des Gehirns zu erstellen.

Verschiedenes anderes Zubehör wird mit einem EEG-Gerät verwendet. Dazu gehören Elektrolytpasten oder -gele, Montageclips, verschiedene Sensoren und Thermopapiere. EEG-Geräte für Schlafstudien sind mit Schnarch- und Atmungssensoren ausgestattet. Andere Anwendungen erfordern sensorische Stimulationsgeräte wie Kopfhörer und LED-Schutzbrillen. Noch andere EEG-Geräte sind mit elektrischen Stimulatoren ausgestattet.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die verschiedenen Teile eines EEG-Geräts werden separat hergestellt und dann vom Ersthersteller vor dem Verpacken zusammengebaut. Diese Komponenten, einschließlich der Elektroden, des Verstärkers sowie der Speicher- und Ausgabegeräte, können von externen Herstellern geliefert oder selbst hergestellt werden.

Elektroden

• 1 Die EEG-Elektroden werden in der Regel von externen Lieferanten bezogen und daraufhin überprüft, ob sie den festgelegten Spezifikationen entsprechen. Ein Elektrodentyp, der üblicherweise für das EEG-Gerät verwendet wird, ist eine Nadelelektrode. Diese können aus einer Stange aus Edelstahl hergestellt werden. Der Stab wird erhitzt, bis er weich wird, und dann extrudiert, um ein nahtloses Rohr zu bilden.
• 2 Das Rohr wird dann herausgezogen, um ein feines Hohlrohr zu erzeugen. Diese Rohre werden auf die gewünschte Länge geschnitten und dann konisch zu einer Spitze geschärft.
• 3 Um ein einfaches Einführen zu gewährleisten, wird der Schlauch durch ein Bad aus Polytetrafluorethylen (Teflon) geführt, um eine glatte, chemikalienbeständige Beschichtung zu erhalten. Wenn das Rohr das Bad verlässt, wird es erwärmt, um das Lösungsmittel zu verdampfen und die Beschichtung haften zu lassen.
• 4 Anschließend wird die Tube mechanisch in ein Kunststoff-Adapterstück eingelegt, das mit einer Spritzgussmaschine hergestellt wird. Mit diesem Stück können die einzeln verpackten Einwegnadeln an den Ableitungsdraht angeschlossen werden.
• 5 Das abgeschirmte Anschlusskabel ist mit einem Adapter ausgestattet, der an die Primäreinheit angeschlossen werden kann.

Interne Elektronik

• 6 Die Verstärker und das Computersteuermodul werden wie andere elektronische Geräte zusammengebaut. Die elektronischen Konfigurationen werden zunächst auf Leiterplatten gedruckt. Die Platinen können von Hand mit Chips, Kondensatoren, Dioden, Sicherungen und anderen elektronischen Teilen bestückt oder durch eine automatisierte Maschine geführt werden. Diese Maschine funktioniert wie eine Etikettiermaschine. Es ist mit zahlreichen Spulen elektronischer Komponenten und Bestückungsköpfen bestückt. Ein Computer steuert die Bewegung von Ein Mann, der sich einem EEG unterzieht, trägt eine mit Elektroden ausgestattete Mütze. das Brett durch die Maschine. Wenn eine Platine unter eine der Komponentenspulen bewegt wird, stempelt ein Bestückungskopf das elektronische Bauteil an den entsprechenden Positionen auf die Platine. Nach Fertigstellung werden die Platinen zum nächsten Schritt zum Wellenlöten geschickt.
• 7 Im nächsten Schritt bringt eine Wellenlötmaschine die elektronischen Bauteile auf die Platine. Wenn die Platinen in diese Maschine gelangen, werden sie mit Flussmittel gewaschen, um Verunreinigungen zu entfernen, die Kurzschlüsse verursachen könnten.
• 8 Boards werden dann mit Infrarotwärme erhitzt. Die Unterseite der Platine wird über einen Bottich mit geschmolzenem Lot geführt. Das Lot füllt sich durch Kapillarwirkung in die benötigten Bereiche.
• 9 Während die Platinen abkühlen, härtet das Lot aus und die Elektronik wird an Ort und Stelle gehalten. An dieser Stelle wird in der Regel eine Sichtprüfung durchgeführt, um sicherzustellen, dass defekte Platinen aussortiert werden.

Verstärker

• 10 Die Elektronikplatinen für den Verstärker werden zusammengestückelt und an einem Gehäuse befestigt. Dies wird typischerweise von Linienbedienern durchgeführt, die die Teile physisch auf vorgefertigten Brettern platzieren.
• 11 Das Gehäuse besteht aus einem robusten Kunststoff, der durch typische Spritzgussverfahren hergestellt wird. Bei diesem Verfahren entsteht eine zweiteilige Form, die die umgekehrte Form des gewünschten Teils hat. Geschmolzener Kunststoff wird in die Form eingespritzt und beim Abkühlen wird das Teil geformt. Bei einigen EEG-Modellen ist der Verstärker eine separate Box von der Größe eines Lehrbuchs. An den Außenseiten der Box befinden sich Anschlüsse, an denen die Elektroden und die Computerverbindungsleitungen angeschlossen werden.

Computerkontrollbox

• 12 Eine EEG-Station besteht aus dem Verstärker und einer Computersteuerstation. Diese Kontrollstation hat typischerweise einen Desktop-Computer, eine Tastatur und eine Maus, einen Farbdrucker und einen Videomonitor. Diese Geräte werden alle von Fremdherstellern produziert und vom EEG-Hersteller montiert.

Endmontage

• 13 Alle Komponenten des EEG O-Geräts werden zusammengeführt und in einen entsprechenden Metallrahmen gelegt. Dieser Prozess wird von Linienbedienern durchgeführt, die unter extrem sauberen Bedingungen arbeiten. Wenn die Komponenten zusammengebaut sind, werden sie normalerweise auf einen stabilen Stahlwagen gestellt, um das Gerät tragbar zu machen.
• 14 Anschließend werden die fertigen Geräte zusammen mit Zubehör wie Elektroden, Computersoftware, Ausdruckpapier und Handbüchern endverpackt.

Qualitätskontrolle

Bei jedem Schritt im Herstellungsprozess finden visuelle und elektrische Kontrollen statt, um die Qualität jedes produzierten EEG-Geräts sicherzustellen. Da die Schaltungsfertigung verschmutzungsempfindlich ist, werden die Montagearbeiten von Linienbedienern in luftstromkontrollierten Reinräumen durchgeführt. Die Bediener müssen außerdem fusselfreie Kleidung tragen, um das Risiko einer Kontamination zu verringern. Die Funktionstüchtigkeit jedes fertigen EEG-Geräts wird ebenfalls auf Funktionsfähigkeit getestet. Dazu wird das Gerät eingeschaltet, eingeschaltet und eine Reihe von Standardtests durchgeführt. Um den realen Gebrauch zu simulieren, werden diese Tests unter verschiedenen Hitze- und Feuchtigkeitsgraden durchgeführt.

Generell legen die Hersteller ihre eigenen Qualitätsvorgaben für ihre EEG-Geräte fest. In den Vereinigten Staaten gibt die Food &Drug Administration (FDA) jedoch Produktionsempfehlungen, die normalerweise von der Industrie angepasst werden. Verschiedene andere medizinische und staatliche Organisationen schlagen ebenfalls Standards und Leistungsvorschläge vor. Einige wichtige Faktoren sind standardisierte Eingangssignalbereiche, Genauigkeit des Kalibrierungssignals, Frequenzgänge und Aufzeichnungsdauer.

Die Zukunft

Zukünftig werden EEG-Maschinen in ihrer Herstellung und ihren Anwendungen verbessert. Aus fertigungstechnischer Sicht werden die Komponenten, aus denen die interne Elektronik des Geräts besteht, wahrscheinlich kleiner. Dies ermöglicht kleinere, tragbarere Maschinen. Außerdem werden die Geräte dadurch günstiger. Dies wird wichtig sein, da einige Experten vermuten, dass zukünftige Anwendungen es für einzelne Verbraucher wünschenswert machen werden, über EEG-Geräte zu verfügen.

Während Fertigungsverbesserungen aus der Forschung im allgemeinen Bereich der Elektronikfertigung resultieren werden, hat sich die spezifische Forschung zu EEG-Geräten auf neue Anwendungen und Anwendungen konzentriert. Zum Beispiel wurde kürzlich ein Gerät eingeführt, das es ermöglichen könnte, auf Alzheimer zu untersuchen. Dieses Gerät enthält eine Kappe, die mit Elektroden ausgestattet ist. Wenn es getragen wird, liefert es ein elektronisches Bild der Gehirnaktivität eines Patienten. Dieses Bild wird mit der Gehirnaktivität gesunder Menschen verglichen und es werden Unterschiede festgestellt.

Eine ähnliche Maschine wurde entwickelt, die von EEG-Elektroden empfangene Informationen verwenden kann, um Computer zu steuern. Bei diesem Gerät trägt der Benutzer eine Elektrodenkappe und schaut auf einen Computerbildschirm. Nach einer Trainingseinheit mit dem Computer konnten die Benutzer die Bewegung eines Cursors auf dem Bildschirm allein durch ihre Gedanken steuern. Bei vollständiger Entwicklung könnte diese Technologie eine revolutionäre Entwicklung für Querschnittgelähmte sein. Einzelne Verbraucher können auch davon profitieren, ein solches Gerät zu verwenden, um Haushaltslichter, Computer und Geräte einfach durch Denken zu steuern.

Weitere Informationen

Bücher

Fisch, Bruce J. Fisch und Spehlmanns EEG-Primer. Elsevier Science, 1999.

Othmer, Kirk. Enzyklopädie der chemischen Technologie. vol. 22., 1992.

Webster, J. G. Anwendung und Design von medizinischen Instrumenten. 2. Aufl. 1992.

Wong, Peter K. H. Digitales EEG in der klinischen Praxis. Lippincott Williams &Wilkins, 1995.

Andere

Sabbatini, Renato M.E. "Mapping the Brain". Gehirn &Verstand 15. November 2001. .

Perry Romanowski