Д.т.н. Щербань И.В., студент Судаков С.А., студент Знаменский Д.А.

Южный федеральный университет, г.Ростов-на-Дону, Россия

КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОТВЕТНЫХ РЕАКЦИЙ МОЗГА ИСПЫТУЕМОГО НА ТРАНСКРАНИАЛЬНУЮ МАГНИТНУЮ СТИМУЛЯЦИЮ

Ключевые слова: транскраниальная магнитная стимуляция, измерение электроэнцефалограммы, наводимые помехи, оптический канал передачи.

При формировании магнитных импульсов транскраниальной магнитной стимуляции в измерительных цепях наводятся импульсы ЭДС самоиндукции, амплитуда которых на порядок превышает амплитуду информационных сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Разработан оптический канал передачи, где измерения ЭЭГ оцифровываются и преобразуются в групповой оптический сигнал в микроконтроллере и электронно-оптическом преобразователе, размещенных в магнитно-экранированном корпусе на голове испытуемого.

В настоящее время в НИИ "Нейрокибернетики" Южного федерального университета проводятся исследования вопросов организации нейронных систем. Известно, что транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), позволяет неинвазивно стимулировать кору головного мозга при помощи коротких магнитных импульсов. В данном конкретном случае аппаратный комплекс содержит магнитный стимулятор Нейро-МС [1], цифровой многоканальный усилитель BrainAmp DC [2] и ЭВМ. На голове испытуемого закрепляются электроды для снятия текущей электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Структурная схема комплекса показана на рисунке 1, где цифрой 1 обозначены электрические измерительные цепи; 2 – условные линии магнитной индукции ТМС; 3 – шина цифровых данных; 4 – голова испытуемого; 5 – электроды для снятия ЭЭГ; 6 – интерфейс цифрового усилителя.

Вследствие естественного замыкания на участках коры головного мозга измерительные цепи 1, фактически, представляют собой замкнутые электрические контуры. Соответственно, при формировании магнитных импульсов ТМС в измерительных цепях наводятся импульсы ЭДС самоиндукции. Из практики известно [3], что амплитуда наводимых импульсов напряжения в измерительных цепях значительная и, практически, на порядок превышает максимальную амплитуду информационных сигналов ЭЭГ. В результате происходят кратковременные потери измеренных данных.

Рисунок 1 – Структурная схема аппаратного комплекса

На сегодняшний день решение проблемы локализации и исключения помех вследствие самоиндукции реализовано следующим образом. За счет использования каскадов высокоскоростных реле электрические измерительные цепи 1 разрываются непосредственно перед импульсом ТМС и замыкаются после окончания его действия [3]. Подобное решение имеет недостаток, связанный с потерей измерительной информации, так как измерительные каналы, фактически, оказываются отключенными в течение примерно около 1с. Например, при частоте обработки сигналов 5КГц оказываются потерянными порядка 5000 измерений в каждом канале.

Соответственно, предлагается использовать единый оптический канал передачи данных от электродов 5 к интерфейсу цифрового усилителя 6 вместо электрических цепей 1. При этом измерения ЭЭГ оцифровываются и преобразуются в групповой оптический сигнал в микроконтроллере и электронно-оптическом преобразователе, размещенных в магнитно-экранированном корпусе на голове испытуемого. Оптический групповой сигнал в инфракрасном диапазоне подается на оптико-электронный преобразователь на входе интерфейса усилителя по атмосферному каналу или по оптоволокну с соответствующим окном прозрачности.

Разработана подобная экспериментальная система передачи данных, структурная схема которой представлена на рисунке 2. Здесь в микроконтроллере МК1 программно и аппаратно реализованы мультиплексор, операционный усилитель (ОУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), БЧХ-кодер, формирователь пакетов и сдвиговый регистр RG.

Рисунок 2 – Структурная схема оптического канала

Отличительной особенностью реализованного оптического канала является использование простых, имеющихся в свободной продаже неспециализированных оптоэлектронных преобразователей, работающих в инфракрасном диапазоне с длиной волны 930 нм. Программное обеспечение канала передачи выполнено средствами LabVIEW. Для магнитно-экранированного корпуса используется магнитная сталь толщиной 0,5 мм. При этом действие магнитного поля уменьшится более чем в 100 раз [4].

Разработанная система передачи данных достаточно проста с точки зрения ее приборной реализации, построена на основе современной цифровой электронной базы и позволяет решить проблему наводок в информационных цепях, обусловленных магнитными импульсами ТМС.

Литература:

1. Магнитный стимулятор для диагностического и лечебного воздействия на моторные зоны коры головного мозга Нейро-МС (http://www.neurosoft.ru/rus/product/neuro-ms)

2. Rugged portable amplifier for multiple applications

(http://www.brainproducts.com/productdetails.php?id=2)

3. J. Virtanen, J. Ruohonen, R. Näätänen, R. J. Ilmoniemi Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation // Med. Biol. Eng. Comput., 1999, №37, p.p. 322-236.

4. М.Л. Волин Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре // Радио и связь, 1981, с. 62-65