Энцефалограф на базе Arduino

Развиваем тему о том, как сделать своими руками электрокардиограф, и плавно переходим к тому, как самостоятельно сделать электроэнцефалограф. Таким образом, здесь рассмотрена доработка кардиографа отсюда до энцефалографа.
Электроэнцефалограф (энцефалограф) по сути отличается от электрокардиографа лишь просто большим коэффициентом усиления. У электрокардиографа коэффициент усиления порядка 1000 (у нас на схеме это 7*124=868), у энцефалографа он должен быть как минимум порядка 20000 (см. книгу Л.Р. Зенков Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии. Изд-во “МЕДпресс-информ”.). Для этого заменим резистор в 400 Ом задающий коэффициент усиления второго ОУ с рис.8 на резистор порядка 25 Ом. Тогда коэффициент усиления второго ОУ станет около 2000, а коэффициент усиления все схемы 7*2000=14000. Теоретически этого уже достаточно, правда есть “небольшая” закавыка. Мы, конечно же, можем теперь снимать электроэнцефалограмму при помощи этой схемы, но для этого клиента придётся побрить наголо! Ведь электроды мы используем те же, что и для снятия ЭКГ – то есть те, которые должны довольно плотно прилегать к коже.
Конечно же, вариант с бритьём наголо для большинства неприемлем. Поэтому придётся доработать наше устройство следующим образом. Во-первых, мы должны применить электроды, которые бы благополучно достигали кожу головы даже при наличии на ней волос. То есть электроды должны быть чем-то типа массажной расчёски. Делать мы такую “расчёску” будем при помощи так называемых штырьковых соединителей следующего вида:

рис.15

Cкрепив штырьки следующим образом, получаем “расчёску”:

рис.16

Данная технология была взята отсюда. Далее необходимо все короткие штырьки (которые снизу на рис.16) закоротить между собой и присоединить к проводу, который потом будет вести к входу усилителя. Длинные штырьки будут контачить с кожей головы. Казалось бы, что задача изготовления электрода для подключения к голове решена. Однако тут возникает следующая проблема. Дело в том, что сопротивление кожа-электрод в такой схеме резко повышается. Если у электродов для снятия ЭКГ это сопротивление не выше 5...100 кОм (см. С.В. Фролов, В.М. Строев, А.В. Горбунов, В.А. Трофимов Методы и приборы функциональной диагностики. Изд-во ТГТУ), то у штырьковых электродов из-за малой площади контакта штырьков с кожей это сопротивление подскакивает до 1 Мом и более. При этом сопротивление провода, к которому подключён электрод, всего лишь несколько Ом. Практика показала, что огромное сопротивление датчика-электрода на коже головы, подключённое к входу усилителя, чьё сопротивление мало относительно сопротивления кожа-электрод, приводит к полной неработоспособности схемы, что выражается в том, что полезный сигнал буквально тонет в шумах. Чтобы от этого избавиться в схему ставят, для так называемого согласования повторитель, у которого входное сопротивление стремится к бесконечности, а выходное к нулю (о повторителе см., например, здесь, о согласовании здесь). Таким образом, схема сопряжения датчика-“расчёски” с проводом должна иметь следующий вид:

рис.17

Здесь данный способ согласования применён даже в схеме электрокардиографа. Здесь это применяется в схеме энцефалографа. Необходимо отметить, что для лучшего качества работы схемы необходимо чтобы повторитель был как можно ближе к датчикам на коже головы. В идеале провод ведущий от датчика к повторителю должен иметь нулевую длину.
Для уменьшения действия шумов сигнальный провод и провода питания этой схемы лучше всего заключить в экран. То есть выполнить всё это на базе экранированного микрофонного провода. Тогда более полная схема подключения данных датчиков имеет следующий вид:

рис.17

Здесь экран (медная оплётка провода) должен быть подключен к нулю схемы. В качестве ОУ для построения повторителя в соответствии с рекомендациями сайта берём TLC272. В микросхеме TLC272 на самом деле два усилителя, а нам нужен лишь один, поэтому выводы второго подключаем в соответствии с рекомендациями сайта.

рис.18

Здесь выводы № 1, 2, 3 – выводы неиспользуемого второго усилителя. Выводы усилителя, который используется, на рис.18 подключены по схеме рис.17. Необходимо отметить, что подключения на упомянутом сайте в своей основе те же, что и на рис.18, правда там добавлены дополнительные конденсаторы и резисторы. Из своего опыта скажу, что я делал без этих дополнительных конденсаторов и резисторов и всё работало, схему же с этого сайта не проверял.
Таким образом, схема энцефалографа это рис.2, ну или рис.3 (см. также исходную схему кардиографа здесь), где аналоговая часть это рис.8 у которой резистор в 400 Ом второго усилителя заменён на резистр в 25 Ом, далее это источник питания аналоговой части рис.11 и схема рис.18. – так (через повторители) подключаем электроды (датчики) ко входам первого ОУ схемы рис.8. Ну и нулевой провод в схеме энцефалографа в отличие от электрокардиографа подключают не к правой ноге, а к мочке уха – для этого провода повторители не нужны. Если собирать всё это на основе платы беспаечного монтажа, то получится что-то типа вот такого :-). Про настройку блютуза, "заливку" скетчей в Arduino и разных способах просмотра полученных данных на компьютере см. здесь.