EEGマシン

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背景

脳波（EEG）マシンは、脳の電気的活動の画像を作成するために使用されるデバイスです。医学的診断と神経生物学的研究の両方に使用されてきました。 EEGマシンの重要なコンポーネントには、電極、増幅器、コンピューター制御モジュール、およびディスプレイデバイスが含まれます。製造には通常、さまざまなコンポーネントの個別の製造、組み立て、および最終パッケージングが含まれます。 20世紀初頭に最初に開発されたEEGマシンは、引き続き改良されています。この機械は、基本的な脳機能とさまざまな神経疾患の治療法の両方において、幅広い重要な発見につながると考えられています。

EEGマシンの機能は、脳内の神経細胞が常に小さな電気信号を生成しているという事実に依存しています。神経細胞、またはニューロンは、体全体に電気的に情報を伝達します。それらは、細胞膜を横切るカルシウム、ナトリウム、およびカリウムイオンの拡散によって電気インパルスを生成します。人がテレビを考えたり、読んだり、見たりしているとき、脳のさまざまな部分が刺激されます。これにより、EEGで監視できるさまざまな電気信号が作成されます。

脳波装置の電極は頭皮に取り付けられているため、神経によって生成される小さな電気的脳波を拾うことができます。信号がマシンを通過すると、表示するのに十分な大きさの増幅器を通過します。アンプは、ホームステレオシステムのアンプと同じように機能します。 1対の電極がチャネルを構成します。 EEGマシンには、8〜40チャネルがあります。設計に応じて、EEGマシンは、波の活動を紙に印刷するか（検流計によって）、モニターに表示するためにコンピューターのハードドライブに保存します。

異なる心の状態が異なるEEG表示につながることは長い間知られていました。覚醒、休息、睡眠、夢の4つの心の状態には、アルファ、ベータ、シータ、デルタという名前の脳波が関連付けられています。これらの脳波パターンのそれぞれは、波の異なる周波数と振幅を持っています。

EEGマシンは、さまざまな目的で使用されます。医学では、発作障害、頭部外傷、脳腫瘍などの診断に使用されます。特別に設計された部屋で訓練を受けた技術者がEEGテストを実行します。患者は仰向けになり、16〜25個の電極が頭皮に適用されます。電極からの出力は、コンピューター画面に記録されるか、移動する方眼紙に描画されます。患者は、深く呼吸したり、明るく点滅する光を見たりするなど、特定の作業を行うように求められることがあります。このマシンから収集されたデータは、コンピューターで解釈でき、脳の活動の幾何学的な画像を提供します。これにより、脳活動の問題がどこにあるかを医師に正確に示すことができます。

歴史

EEGマシンは、1929年にハンスベルガーによって最初に世界に紹介されました。ドイツのイエナ大学の神経精神科医であったベルガーは、ドイツ語の elektrenkephalogramm を使用しました。 脳で生成された電流のグラフィック表現を説明します。彼は、睡眠、麻酔、てんかんなどの脳の機能状態に基づいて脳電流が変化することを示唆しました。これらは、神経生理学と呼ばれる医学の新しい分野を生み出すのに役立った革新的なアイデアでした。

ほとんどの場合、バーガーの時代の科学界は彼の結論を信じていませんでした。エドガー・ダグラス・エイドリアンとB. C. H.マシューズによる実験を通じて彼の結論が確認されるまで、さらに5年かかりました。これらの実験の後、他の科学者がこの分野の研究を始めました。 1936年、W。グレイウォルターは、この技術を使用して脳腫瘍を特定できることを実証しました。ウォルターは頭皮に貼り付けた多数の小さな電極を使用し、脳腫瘍が異常な電気的活動の領域を引き起こしていることを発見しました。

何年にもわたって、EEG電極、増幅器、および出力デバイスが改善されました。科学者たちは、電極を配置するのに最適な場所と状態を診断する方法を学びました。彼らはまた、脳の電気地図を作成する方法を発見しました。 1957年、ウォルターはトポスコープと呼ばれる装置を開発しました。このマシンは、脳波活動を使用して脳の表面のマップを作成しました。頭蓋骨の一対の電極に接続された22本のブラウン管がありました。電極は、各チューブが異なる脳切片の活動の強さを示すことができるように配置されました。この機械を使用することにより、ウォルターは、安静時の脳波が、集中力を必要とする精神的作業中に生成される脳波とは異なることを実証しました。このデバイスは便利でしたが、複雑で高価なため、商業的な成功を収めることはありませんでした。今日、EEGマシンには、複数のチャネル、コンピューターストレージメモリ、および脳の電気マップを作成できる専用ソフトウェアがあります。

原材料

脳波マシンの構築には多くの原材料が使用されています。内部のプリント回路基板は、平らな樹脂コーティングされたシートです。それらに接続されているのは、抵抗器、コンデンサー、さまざまな種類の金属、プラスチック、シリコンで作られた集積回路などの電子部品です。

電極は一般的に洋白で作られています。洋白は、銅、ニッケル、亜鉛からなる合金です。やわらかくて磨きやすく、特に便利です。ステンレス鋼（ニッケル濃度が高い）も使用できます。耐食性が高くなる傾向がありますが、穴あけや機械加工が困難です。

粘着テープを使用して、表面電極を患者に取り付けます。電気信号は皮膚を介して電極に弱く伝達されるため、通常、電解質ペーストまたはゲルが必要です。この素材は肌に直接塗布されます。それは、皮膚と電極の間に導電性ブリッジを形成するのを助け、より良い信号伝達を可能にするラノリンや塩化物イオンのような化粧品成分で構成されているかもしれません。ワイヤーや各種電極のコーティングにはポリテトラフルオロエチレン（テフロン）を使用しています。

デザイン

EEGマシンの基本的なシステムには、データの収集、保存、および表示が含まれます。これらのシステムのコンポーネントには、電極、接続ワイヤ、増幅器、コンピュータ制御モジュール、およびディスプレイデバイスが含まれます。米国では、FDA（食品医薬品局）がEEGマシンのメーカーに生産提案を提案しています。

脳波マシンで使用される電極、またはリードは、表面電極と針電極を含む2つのタイプに分けることができます。一般に、針電極は体内に直接注入されるため、信号の明瞭度が高くなります。これにより、皮膚によって引き起こされる信号の消音がなくなります。表面電極には、タブ電極、リング電極、バー電極などの使い捨てモデルがあります。再利用可能なディスクと指の電極もあります。電極はまた、頭に直接配置される電極キャップに組み合わせることができる。

EEG増幅器は、脳からの弱い信号を出力デバイス用のより識別可能な信号に変換します。これらは、比較的低レベルの信号を測定するときに役立つ差動アンプです。一部の設計では、アンプは次のように設定されています。一対の電極が体からの電気信号を検出します。電極に接続されたワイヤは、信号を増幅器の最初のセクションであるバッファ増幅器に転送します。ここで、信号は電子的に安定化され、5〜10倍に増幅されます。次に、信号を10〜100倍にフィルタリングおよび増幅する差動プリアンプが並んでいます。これらの増幅器を通過した後、信号は数百または数千倍に乗算されます。

患者から直接信号を受信する増幅器のこのセクションは、光アイソレータを使用して主電源回路を患者から分離します。分離により、偶発的な感電の可能性を防ぎます。一次増幅器は主電源回路にあります。このパワードアンプでは、アナログ信号がデジタル信号に変換され、出力に適しています。

脳は頭蓋骨のさまざまなポイントでさまざまな信号を生成するため、複数の電極が使用されます。 EEGマシンが持つチャネルの数は、使用される電極の数に関連しています。チャネルが多いほど、脳波の画像はより詳細になります。 EEGマシンの各増幅器には、2つの電極が取り付けられています。アンプは、異なる入力信号を変換し、同一の信号をキャンセルすることができます。これは、機械からの出力が実際には2つの電極によって拾われた電気的活動の差であることを意味します。したがって、各電極の配置は重要です。電極が互いに近ければ近いほど、記録される脳波の違いが少なくなるからです。

EEGマシンには、さまざまな出力プリンターとモニターが用意されています。一般的なデバイスの1つは、検流計または紙片レコーダーです。このデバイスは、EEG信号のハードコピーを経時的に印刷します。コンピュータプリンタ、光ディスク、記録可能なコンパクトディスク（CD）、磁気テープユニットなどの他のタイプのデバイスも使用されます。収集されたデータはアナログであるため、電子出力デバイスを使用できるようにデジタル信号に変換する必要があります。したがって、EEGの一次回路には通常、アナログ-デジタル変換器セクションが組み込まれています。一部のEEGマシンに付属のソフトウェアを使用して、脳のマップを作成できます。

他のさまざまなアクセサリがEEGマシンで使用されます。これらには、電解ペーストまたはゲル、取り付けクリップ、さまざまなセンサー、および感熱紙が含まれます。睡眠研究で使用されるEEGマシンには、いびきセンサーと呼吸センサーが装備されています。その他の用途には、ヘッドホンやLEDゴーグルなどの感覚刺激装置が必要です。さらに他のEEGマシンには、電気刺激装置が装備されています。

製造
プロセス

EEGマシンのさまざまな部品は別々に製造され、パッケージングの前に一次メーカーによって組み立てられます。電極、増幅器、ストレージおよび出力デバイスを含むこれらのコンポーネントは、外部メーカーから供給されるか、社内で製造されます。

電極

• 1 EEG電極は通常、外部のサプライヤーから受け取り、設定された仕様に準拠しているかどうかを確認します。 EEGマシンに一般的に使用される電極の1つのタイプは、針電極です。これらはステンレス鋼の棒から作ることができます。バーは柔らかくなるまで加熱され、押し出されてシームレスチューブを形成します。
• 2次に、チューブを引き出して細い中空のチューブを作成します。これらのチューブは希望の長さにカットされ、次に円錐形に鋭利にされてポイントを生成します。
• 3簡単に挿入できるように、チューブをポリテトラフルオロエチレン（テフロン）のバスに通して、滑らかで耐薬品性のあるコーティングを施します。チューブがバスを出るとき、チューブは温められて溶媒を蒸発させ、コーティングを付着させます。
• 4次に、チューブは、射出成形機で作成されたプラスチック製のアダプターピースに機械的に配置されます。この部品により、使い捨ての個別にパッケージ化された針をリード線に接続できます。
• 5シールドされたリード線には、プライマリユニットに接続できるアダプタが取り付けられています。

内部電子機器

• 6アンプとコンピュータ制御モジュールは、他の電子機器と同じように組み立てられています。電子配置は最初に回路基板に印刷されます。ボードには、チップ、コンデンサ、ダイオード、ヒューズ、およびその他の電子部品を手作業で取り付けるか、自動化された機械に通すことができます。このマシンは、ラベルマシンのように機能します。それは電子部品の多数のスプールと配置ヘッドを搭載しています。コンピュータがの動きを制御します 電極を備えたキャップを着用して、脳波を経験している男性。マシンを介してボード。ボードがコンポーネントスプールの1つの下に移動すると、配置ヘッドがボード上の適切な位置に電子部品をスタンプします。完了すると、ボードはウェーブはんだ付けのために次のステップに送られます。
• 7次のステップでは、ウェーブはんだ付け機が電子部品をボードに取り付けます。ボードがこのマシンに入ると、短絡の原因となる可能性のある汚染物質を除去するために、ボードがフラックスで洗浄されます。
• 次に、8枚のボードを赤外線熱を使用して加熱します。ボードの下側は、溶融はんだのバットの上を通過します。はんだは、毛細管現象によって必要な領域に充填されます。
• 9ボードが冷えると、はんだが硬化し、電子機器が所定の位置に保持されます。目視検査は通常、欠陥のあるボードが拒否されることを確認するためにこの時点で行われます。

アンプ

• 10アンプの電子ボードをつなぎ合わせて、ハウジングに固定します。これは通常、事前に製造されたボードに部品を物理的に配置するラインオペレーターによって行われます。
• 11ハウジングは、一般的な射出成形プロセスで構築された頑丈なプラスチックで作られています。このプロセスでは、目的のパーツの形状が逆になる2ピースの金型が作成されます。溶融プラスチックを金型に射出し、金型が冷えると成形品が成形されます。一部のEEGモデルでは、アンプは教科書と同じくらいの大きさの別の箱です。ボックスの外側には、電極とコンピューター接続ラインが接続されているコネクターがあります。

コンピューターコントロールボックス

• 12 EEGステーションは、増幅器とコンピューター制御ステーションで構成されます。このコントロールステーションには通常、デスクトップコンピューター、キーボードとマウス、カラープリンター、およびビデオモニターがあります。これらのデバイスはすべて外部メーカーによって製造され、EEGメーカーによって組み立てられています。

最終組み立て

• 13 EEG Oマシンの各コンポーネントがまとめられ、適切な金属フレームに配置されます。このプロセスは、非常にクリーンな状態で作業するラインオペレーターによって行われます。コンポーネントが組み立てられるとき、それらは通常、デバイスをポータブルにするために頑丈なスチールカートに入れられます。
• 14完成したデバイスは、電極、コンピューターソフトウェア、印刷用紙、マニュアルなどのアクセサリとともに最終パッケージに入れられます。

品質管理

製造プロセスの各ステップで、製造されている各EEGデバイスの品質を確認するために、目視検査と電気検査が行われます。回路の製造は汚染に敏感であるため、組み立て作業は、空気の流れが制御されたクリーンルームのラインオペレーターによって行われます。オペレーターはまた、汚染の可能性を減らすために、糸くずの出ない衣服を着用する必要があります。完成した各EEGデバイスの機能性能もテストされ、動作することを確認します。これは、デバイスの電源を入れ、電源を入れ、一連の標準テストを実行することによって行われます。実際の使用をシミュレートするために、これらのテストはさまざまなレベルの熱と湿度の下で実行されます。

一般に、メーカーはEEGマシンに独自の品質仕様を設定します。ただし、米国では、食品医薬品局（FDA）が、通常は業界で採用されている製造に関する推奨事項を提供しています。他のさまざまな医療機関や政府機関も、基準とパフォーマンスの提案を提案しています。重要と見なされるいくつかの要因は、標準化された入力信号範囲、校正信号の精度、周波数応答、および記録期間です。

未来

将来的には、EEGマシンの製造と用途が改善されます。製造の観点からは、デバイスの内部電子機器を構成するコンポーネントはおそらく小さくなります。これにより、より小型でポータブルなマシンが可能になります。また、デバイスの価格も安くなります。一部の専門家は、将来のアプリケーションでは個々の消費者がEEGマシンを使用することが望ましいと示唆しているため、これは重要です。

製造の改善は電子機器製造の一般的な分野で行われた研究からもたらされますが、EEGマシンに関する特定の研究は、新しい用途と用途に焦点を合わせています。たとえば、最近、アルツハイマー病のスクリーニングを可能にする可能性のあるデバイスが導入されました。この機械には、電極が取り付けられたキャップが含まれています。着用すると、患者の脳活動の電子画像を提供します。この写真は健康な人の脳の活動と比較され、違いが示されています。

脳波電極から受け取った情報を使用してコンピューターを制御できる同様の機械が開発されました。このデバイスでは、ユーザーは電極を含むキャップを着用し、コンピューターの画面を見ます。コンピュータとのトレーニングセッションの後、ユーザーは自分の考えを使用するだけで画面上のカーソルの動きを制御できるようになりました。完全に開発された場合、この技術は対麻痺者にとって革新的な開発になる可能性があります。個人の消費者も、このようなデバイスを使用して、考えるだけで家庭用照明、コンピューター、および電化製品を制御できるというメリットがあります。

詳細情報

本

フィッシュ、ブルースJ. フィッシュとSpehlmannのEEG入門書。 Elsevier Science、1999年。

オスマー、カーク。 化学技術百科事典。 巻1992年22日。

Webster、J。G. 医療機器のアプリケーションとデザイン。 第2版1992年。

Wong、Peter K. H. 臨床診療におけるデジタルEEG。 リッピンコットウィリアムズ＆ウィルキンス、1995年。

その他

サバティーニ、レナートM.E.「脳のマッピング」 頭脳と心 2001年11月15日。。

ペリー ロマノフスキー