Усилители биопотенциалов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………….......3

1. История возникновения усилителей биопотенциалов.……………………..5
2. Известные технические решения усилителей биопотенциалов…………...6
3. Возникавшие технические противоречия и пути их преодоления……….17
4. Историческое совершенствование усилителей биопотенциалов путем ликвидации их недостатков…………………………………………………23

Заключение……………………………………………………………………….28

Список  литературы……………………………………………………………....29

Приложение  А. Патентный поиск………………………………………………30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ

     За  последние 20 лет уровень применения компьютеров в медицине чрезвычайно  повысился. Практическая медицина становится все более и более автоматизированной.

     Использование различных средств и методов  анализа, реализуемых электронными устройствами, позволяет существенно расширить пределы медицинского исследования и заметно уменьшить вероятность ошибки при диагностике.

     Современные электронные устройства, применяемые  в медицине, представляют собой сложные  комплексы, которые состоят из датчиков, а иногда и системы датчиков, электронных усилителей, функциональных преобразователей, регистрирующих, вычислительных и управляющих устройств, устройств памяти, предварительной обработки и отображения информации. Сложные современные исследования немыслимы без применения вычислительной техники. Количество информации, которое получается при таких исследования так огромно, что без компьютера человек был бы неспособен ее воспринять и обработать.

     С помощью вычислительной техники  уже сейчас возможно существенно  усовершенствовать методику регистрации, хранения и извлечения различного рода информации, получить ряд новых данных, недоступных ручным методам анализа, преобразовывать эти данные в визуализированные и пространственные образы, открывающие дополнительные возможности локальной диагностики.

     В живых организмах информацию о состоянии  различных исследуемых участков и их функционировании передают биоэлектрические потенциалы, возникающие за счет разности зарядов на двух отдельно взятых точках.  

     Биопотенциал  – это обобщенная характеристика взаимодействия зарядов, находящихся в исследуемой живой ткани, например, в различных областях мозга, в клетках.

     В медицине измерение биопотенциалов применяется в таких методах  обследования, как электроэнцефалография, электромиография, в лабораторных исследованиях и многих других. Для усиления мощности электрических сигналов различной формы и амплитуды, полученных от регистрируемых биопотенциалов, находящихся в живой ткани, используют усилители. [7] 

1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ  УСИЛИТЕЛЕЙ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

      Систематическое изучение биопотенциалов было начато немецким физиологом Э. Дюбуа-Реймоном в 1848, который доказал существование  биопотенциалов в нервах и мышцах в покое и при возбуждении. Но ему не удалось зарегистрировать быстрые, длящиеся тысячные доли секунды колебания биопотенциалов при проведении импульсов вдоль нервов и мышц из-за большой инерционности гальванометра.

      В 1886 немецкий физиолог Ю. Бернштейн проанализировал  форму потенциала действия, а французский учёный Э. Ж. Марей в 1875 году применил для записи колебаний потенциалов бьющегося сердца капиллярный электрометр; русский физиолог Н. Е. Введенский в 1883 году использовал для прослушивания ритмических разрядов импульсов в нерве и мышце телефон, а голландский физиолог В. Эйнтховен в 1903 году ввёл в эксперимент и клиническую практику струнный гальванометр - высокочувствительный и малоинерционный прибор для регистрации электрических токов в тканях. Значительный вклад в изучение биопотенциалов в 1913-1921 годах внесли русские физиологи: В. В. Правдич-Неминский впервые зарегистрировал электроэнцефалограмму, а А. Ф. Самойлов исследовал природу нервно-мышечной передачи возбуждения, Д. С. Воронцов в 1932 году открыл следовые колебания биопотенциалов, сопровождающие потенциал действия в нервных волокнах. [9]

      Прогресс  в изучении биопотенциалов был тесно  связан с успехами электроники, позволившими применить в физиологическом эксперименте электронные усилители и осциллографы (работы американских физиологов Г. Бишопа, Дж. Эрлангера и Г. Гассера в 30-40-х гг. 20в.). [7] 
 

2. ИЗВЕСТНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

     Усилителем называется устройство, при помощи которого производится регистрация и усиление биопотенциалов. Обычно усилитель состоит из предусилительной головки и блока регистрации. Предусилительная головка необходима для согласования электрического сопротивления объекта и микроэлектрода, а также для разделения электрических цепей объекта и усиливающей аппаратуры. Предусилительная головка крепится на микроманипуляторе и к ней через держатель электродов присоединяется регистрирующий электрод. В предусилителе сигнал от биологического объекта усиливается и передается по проводам в блок регистрации усилителя. В блоке регистрации усилителя осуществляется дальнейшее усиление биопотенциалов до величин, достаточных для визуального наблюдения на экране осциллографа или мониторе компьютера. [1]

     Существует  несколько основных видов электрофизиологических усилителей. Выбор типа усилителя  следует производить в зависимости от методического подхода решения конкретной экспериментальной задачи. При помощи некоторых усилителей можно проводить несколько типов измерений, но в основном только в рамках той методики, для которой он был разработан.  
      К сожалению, не существует полностью универсального усилителя, который бы мог решать все задачи поставленные пред современным электрофизиологом. Поэтому выбор усилителя достаточно серьезная задача для исследователя. В настоящее время доступен достаточно широкий спектр усилителей от разных производителей. Можно выделить несколько основных видов усилителей. 

     Усилители внутриклеточные  

     Регистрация электрических процессов на клеточных  мембранах возможна с помощью  острых стеклянных микроэлектродов (микропипеток), вводимых в клетку. Такой тип регистрации в основном применяется при исследовании процессов протекающих в целой клетке, которая имеет, как правило, различные типы белков и транспортёров (мышечные клетки, ооциты, крупные нейроны беспозвоночных и т.п.).

     Техника с одним внутриклеточным электродом позволяет измерять разность потенциалов или ток, но не даёт возможности фиксировать их на определенном уровне, так что во время исследования одновременно меняются оба параметра.

     Такого  типа регистрация позволяет оценивать  мембранный потенциал клеток, амплитуду регистрируемых сигналов, но не может давать корректную информацию об их временных характеристиках. Как правило, усилители для такого вида отведения не дороги и просты в обращении. Усилители для одноэлектродной регистрации могут быть многоканальными, в этом случае регистрация может проводиться не зависимо по нескольким каналом. Несмотря на ограничения, одноэлектродного отведения в некоторых случаях бывает достаточно для решения многих экспериментальных задач.

     Техника с двумя внутриклеточными микроэлектродами позволяет фиксировать потенциал клетки на определенном уровне, что позволяет корректно оценивать ток, проходящий через мембрану клетки. В этом случае один из электродов служит для регистрации потенциала, а другой для инъекции тока.

     Этот  метод имеет большое преимущество перед одноэлектродным отведением, поскольку в этом случае, есть возможность  корректно оценивать амлитудно-временные  характеристики сигналов, оценивать  время работы каналов, емкостные  свойства мембраны, строить вольтамперные характеристики и т.д. Усилители для такого вида исследований более сложные и более дорогие. Как правило, усилители, предназначенные для фиксации потенциала могут работать в режиме регистрации потенциала, т.е. их можно так же использовать для простейших экспериментов с одним электродом. Многие фирмы выпускают специализированные усилители для работы с определенным видом клеток (ооциты, мышечные клетки)

     Существует  также методика фиксации потенциала через один электрод. В этом случае и измерение потенциала и инъекция тока осуществляется через один и тот же электрод посредством быстрого переключения режимов.

     Такого  вида отведение бывает полезно, когда  существуют методические трудности  при введении двух электродов(клетки малы по размеру, спонтанные сокращения клеток и т.п.) Но такой метод имеет существенные ограничения по временным характеристикам регистрируемых сигналов, поскольку время необходимое, для переключения режимов может быть сравнимо с параметрами измеряемых сигналов.

     На  что нужно обратить особое внимание при выборе внутриклеточного усилителя:

     Входное сопротивление усилителя должно быть не менее, чем в 1000 раз больше сопротивления рабочего электрода;

     Убедиться, что параметры регистрируемого  сигнала укладываются в диапазон усилителя.

     Компенсация емкости и частотные фильтры существенно облегчают работу.

     Наличие специального режима прокола облегчит введение электрода в клетку.

     Возможность инъекции тока дают усилителю некоторый  контроль над возбудимостью исследуемой  клетки.

     Убедиться, что величина регистрируемого сигнала после усиления (на выходе прибора) укладывается в диапазон Вашего самописца, регистратора или АЦП.

     Обратить  внимание на количество каналов, если есть необходимость вести регистрацию  в многоканальном режиме.

     Усилитель Модели 1600 Neuroprobe Amplifier - высокоточный микроэлектродный усилитель, специально разработанный для проведения внутриклеточных нейрофизиологических исследований. Это отдельное устройство обеспечивает многофункциональность, точность и простоту операций, и не требует вспомогательного оборудования.

• Цифровая панель отображает величину мембранного потенциала, инжектируемого тока и сопротивления электрода.
• Генератор прямоугольных импульсов используется для оценки параметров электродов и компенсации емкости.
• Система инжекции тока с шагом (точностью) 0.1 нА (максимум - 1 мкА) позволяет одновременно проводить стимуляцию и регистрацию с помощью одного электрода.
• Раздельное управление балансом для импульсов и постоянного тока
• Встроенные фильтр нижних частот и узкополосный режекторный фильтр.

     

Рисунок 1 – внутриклеточный усилитель  модели 1600 Neuroprobe Amplifier

     Усилители ВА обладают широкой полосой частот и подходят для внутриклеточных  записей в режиме фиксации потенциала с помощью острых микроэлектродов, перфорированного патч клампа или патч клампа в конфигурации целая клетка. Эти усилители так же подходят для электропорации и ионтофореза.

     Усилитель BA-01X это стандартный мостовой усилитель для внутриклеточных записей в режиме фиксации тока. Обладая расширенным диапазоном токов (x10, например +/. 120 нA макс.), этот усилитель может быть использован для электропорации одельных клеток и их неинвазивного джакстаклеточного заполнения клеток красителями или плазмидами.

     Усилитель BA-03X имеет дополнительо фильтры высоких и низких частот записываемого потенциала и коэффициент усиления до 1000. Поэтому он может быть использован и для внеклеточных записей.

     

Рисунок 2 - усилитель ВА

     Усилители внеклеточные 

     Метод внеклеточной регистрации  - это методика, при которой микроэлектрод не прокалывает мембрану клетки, а плотно прижимается к ней. Кончики внеклеточных электродов не острые а закругленные, их диаметр может достигать нескольких десятков микрометров.

     В некоторых случаях микроэлектроды для внеклеточной регистрации изготовляют из металла покрытого изолирующим составом а и иногда вместо стекла для вытягивания электродов используют пластик. Такие электроды можно использовать многократно.

     При внеклеточном отведении регистрируются локальные токи, проходящие через мембрану, т.е. можно измерять аплитудно-временные параметры сигналов без фиксации потенциала. В отличие от методики фиксации потенциала при которой сигнал регистрируется от всей клетки в целом, в случае внеклеточной регистрации сигналы отводятся локально, только от той области которую накрывает электрод.

      В отличии от patch-clamp регистрации в случае внеклеточного отведения обычно не удается получить плотного контакта с мембраной. В связи с этим таким методом можно регистрировать токи только относительно большой величины. Эта методика используется в основном в тех случаях когда метод patch-clamp не работает (поверхность клеток покрыта соединительной тканью и т.п.).