بخشی از مقاله
خلاصه
در سیستمهای ثبت پتانسیل حیاتی میزان دسترسی الکترود به پوست سر رابطه ی مستقیم با کیفیت سیگنال های اخذ شده دارد. چراکه در الکتروهای فعال بدلیل عدم استفاده از الکترولیت، دی الکتریک بین الکترود و پوست نقش مهمی در ایجاد نویز بر روی سیگنال دریافتی خواهد داشت. از آنجا که تغیر شرایط ارتباط الکترود با پوست مخصوصا در ثبت سیگنال مغزی تاثیر مستقیم در ظرفیت خازنی بین الکترود و پوست دارد، تثبیت این اندازه یکی از مهمترین راههای کاهش نویز می باشد. بنابراین در طراحی ساختار الکترودها سعی شده جهت رسیدن به حداقل امپدانس الکترود پوست این مقدار تا حد امکان کنترل شود.
میزان رسانایی آلیاژ صفحات الکترود و شکل هندسی آن جهت دستیابی مطلوب به پوست سر و میزان پایداری روی پوست از عوامل تعیین کننده ی میزان امپدانس الکترود-پوست میباشد. در این پروژه چهار مدل الکترود نیمه مرطوب و یک مدل الکترود خشک از جنس نقره معرفی شده است که از این بین از الکترود خشک هشت پین و الکترود نیمه مرطوب تک پین بهترین نتایج حاصل شده است.
به منظور ارزیابی الکترودها، ثبت سیگنال مغزی از 9 نفر با محدوده ی سنی متفاوت - از 6تا 50 سال - به صورت همزمان با الکترود مرطوب Ag/AgCl - جهت مقایسه نتایج - انجام شده است. بعد از ثبت سیگنال با استفاده از تبدیل ویولت، سیگنال اصلی، نویز ناشی از EMG و آرتیفکت های حرکتی از سیگنال خام استخراج شده و سپس با استفاده از روش Welch طیف توان باندهای فرکانسی مختلف از سیگنال EEG استخراج شده و نهایتا نسبت SMR/Theta و Theta/Beta محاسبه و با نسبت های استخراج شده از الکترود مرطوب مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد مقادیر حاصل شده از الکترودهای ساخته شده در این پروژه بسیار نزدیک به مقادیر الکترودهای مرطوب مرسوم میباشد. البته در الکترود تک پین به دلیل داشتن سطح مؤثر ناکافی، چنانچه بصورت چند پین طراحی شود نتایج بهتری در بر خواهد داشت.
.1 مقدمه
در سیستمهای اخذ سیگنال مرسوم از الکترودهای پسیو برای اخذ و ثبت سیگنالهای مغزی استفاده میشود. به طور کلی، این الکترودها به صورت دیسک و یا به شکل حلقه و از جنس [1] Ag/AgCl ساخته شده اند. بروز مشکلات مختلف از جمله حس ناخوشایند برای بیمار، عدم امکان ثبت دراز مدت، نیاز به آماده سازی های طولانی مدت، نیاز به ثبت در اماکن محافظت شده و عاری از نویز، خشک شدن ژل و... باعث شده امروزه محقیق روی الکترودهای فعال تمرکز کنند.
اهمیت ساختار الکترودها برای دستیابی موثر به پوست سر همواره توسط دانشمندان تحت تغییر و تحول قرار داشته است. که از آن جمله میتوان به الکترودهای اسپرینگ لود[12,13]، نانو تیوب کربنی [18]، پلیمری منعطف[16,19]، پلی اورتان روکش دار[17] ، تیتانیوم نیترید[17] ، سرامیکی [20]، لاستیک رسانا[3,4]، نانولوله های کربنی رسانا[5] ، سازه میکرو تیپ [6] میکرو ماشین[7,8,9] انواع بدون تماس [10,11]، ساختار مویی[ 14 ]، فوم رسانا [15] ، طلا و... اشاره کرد.
باتوجه به اینکه الکترودهای فعال به صورت خشک و نیمه مرطوب مورد استفاده قرار میگیرند نیازمند دسترسی مطلوب به پوست سر میباشند، که بدین منظور الکترودهای آرایه ای طراحی شدند . الکترودهای آرایه ای با چند پین رسانا دسترسی به پوست سر را از روی مو امکان پذیر کردند. الکترودهای آرایه ای نیز به دو دسته ی نیمه تهاجمی وغیرتهاجمی تقسیم میشوند. الکترودهای نیمه تهاجمی همان طور که از نامشان پیداست اغلب به صورت سوزن هایی هستند که بخشی از آن به لایه اپیدرم نفوذ میکند. این دسته از الکترودها به دلیل نفوذ به لایه ی خارجی پوست دارای امپدانس الکترود پوست ایده آل میباشند اما میتوانند در استفاده های طولانی مدت دردناک و منجر به ایجاد عفونت شوند. اما درمورد دسته ی دوم از الکترودهای آرایه ای که غیر تهاجمی میباشند که میتوانند بصورت انعطاف پذیر ،خشک و نیمه مرطوب طراحی شوند .
هر کدام از این الکترودها مزایا و نواقصی دارند مثلا در مورد الکترودهای انعطاف پذیر که از جنس پلیمرهای نرم رسانا شده یا پوشانده شده با مواد رسانا میباشند میتوان گفت که این الکترودها پوست سررا اذیت نمیکند اما از معایب آن میتوان به پایدار نبودن و عدم رسانایی قابل قبول آن اشاره کرد. الکترودهای خشک که معمولا از جنس طلا میباشند بسیار رسانایی بالایی دارند اما بسیار هزینه بر هستند. و درنهایت الکترودهای نیمه مرطوب که در مقالات مختلف از آن به عنوان اسپرینگ لود [12,13] یاد شده مخزنی از ژل روی آن تعبیه شده که درصورت تماس پینها با سر مقداری از این ژل به روی سر جاری میشود که نقش الکترولیت را دارد.
.2 روش کار
طبق تحقیقات صورت گرفته روی الکترودهای فعال ، شکل هندسی الکترود و ضخامت آن مطابق شکل 1 به صورت دایره و 5 میلی متر درنظر گرفته شده است .[21,22] برای دستیابی به شکل هندسی مطلوب تمامی موارد انجام شده توسط محققین قبلی مورد ارزیابی قرار گرفته و در نهایت چهار مدل مختلف از الکترود های نیمه مرطوب و یک مدل الکترود خشک طراحی و ساخته شده است.
درمدل اول - شکل - 1 الکترود به صورت پین دار برای دستیابی راحت به پوست سر طراحی شده است که تعداد این پین ها بین 8 تا 16 متغیر است و هر کدام میتواند با توجه به نوع نیاز مورد استفاده قرار گیرد. چراکه افزایش تعداد پین منجر به کاهش میزان امپدانس و افزایش سطح تماس موثر با پوست سر میشود اما از طرفی منجر به افزایش سطح مقطع الکترود و کاهش رزولوشن مکانی میشود. قطر پینها 1,5 mm و طول آنها از 2 mm تا 15 mm متغیر است که هر کدام با توجه به نیاز میتواند مورد استفاده قرار گیرد. در این پروژه از الکترود هشت پین بدلیل رزولیشن مکانی بالا و سطح تماس موثر مطلوب برای ثبت سیگنال استفاده شده است. با توجه به فرمول محاسبه ی مساحت دایره - r_ - سطح موثر تماس با پوست سر برای هشت پین با قطر 1,5 mm برابر 14,137 mm 2 خواهد بود. همچنین جهت دستیابی مطلوب به پوست سر در افراد با موهای پرپشت و قابلیت استفاده برای افراد با موهای کم پشت طول پینها 8 mm در نظر گرفته شده است.
شکل -1ساختار الکترود خشک و مرطوب جهت ثبت سیگنال مغزی
الکترودهای نیمه مرطوب که در مقالات مختلف از آن به عنوان اسپرینگ لود یاد شده ، طوری طراحی شده که پس از تماس پینها با سر مقداری ژل داخل مخزن تعبیه شده روی الکترود به روی سر جاری میشود که نقش الکترولیت را دارد
.این دسته از الکترودها به دلیل استفاده از الکترولیت امپدانس قابل قبولی دارند اما قیمت بالای آن و نیاز به پر کردن مخزن آن پس از هر بار استفاده از معایب غیر قابل انکار آنها میباشد. مزیت قابل توجه الکترودهای اسپرینگ لود خاصیت فنری بودن پین ها است که منجر به تثبیت شدن هر چه بهتر در سطح ناهموار سر میباشد. در این پروژه از این مزیت بهره برده شده است و باطراحی منحصر به فرد آنها ،پین های الکترود به طور کامل با سطح پوست تماس پیدا کرده و سطح ناهموار پوست را لمس میکند.
در مدل دوم - شکل - 2 الکترود به صورت نیمه مرطوب طراحی شده است . دراین الکترود پین ها - چهار و پنج عدد پین - به صورت فنری و متحرک طراحی شده اند که بافشردن دکمه روی الکترود بخشی از ژل داخل محفظه روی سر تزریق میشود که به دلیل ناچیز بودن این مقدار ،باعث ایجاد کثیفی و ناراحتی روی سر بیمار نمیشود. همچنین روی پینها فنر مینیاتوری تعبیه شده که میتواند به راحتی داخل مو نفوذ کند.
همچنین محفظه ی ژل به گونه ای طراحی شده است که ژل تنها با پمپ و تحت فشار وارد محفظه میشود که این امر باعث ماندگاری طولانی مدت ژل داخل محفظه میشود واز خشک شدن ژل جلوگیری میکند. این موضوع علاوه بر صرفه جویی اقتصادی تعداد دفعات شارژ الکترود را کاهش میدهد که مزیت بسیار بزرگی نسبت به سایر الکترودهاست. در الکترودهای نیمه مرطوب از محلول سدیم کلراید %0,9 به عنوان الکترولیت استفاده شده است. در این دست از الکترودها به دلیل رسانایی بالا و عدم نیاز به پیش تقویت سیگنال اخذ شده، از تعبیه ی مدارتقویت کننده روی آن خودداری شده است.
