脑电图机

背景

脑电图 (EEG) 机器是一种用于创建大脑电活动图片的设备。它已被用于医学诊断和神经生物学研究。脑电图机的基本组件包括电极、放大器、计算机控制模块和显示设备。制造通常涉及各种组件的单独生产、组装和最终包装。脑电图机于 20 世纪初首次开发，并不断得到改进。人们认为，这台机器将在基本脑功能和治疗各种神经系统疾病方面带来广泛的重要发现。

脑电图机的功能取决于大脑中的神经细胞不断产生微小的电信号这一事实。神经细胞或神经元通过电向全身传递信息。它们通过钙、钠和钾离子穿过细胞膜的扩散产生电脉冲。当一个人在思考、阅读或看电视时，大脑的不同部分会受到刺激。这会产生不同的电信号，可以由 EEG 监测。

脑电图机上的电极贴在头皮上，因此它们可以接收神经产生的小脑电波。当信号通过机器时，它们会通过放大器，使它们足够大以供显示。这些放大器就像家庭立体声系统中的放大器一样工作。一对电极构成一个通道。 EEG 机器有 8 到 40 个通道。根据设计，脑电图机要么在纸上打印出波活动（通过检流计），要么将其存储在计算机硬盘驱动器上以在显示器上显示。

众所周知，不同的心理状态会导致不同的 EEG 显示。四种精神状态——警觉、休息、睡眠和做梦——与名为 alpha、beta、theta 和 delta 的脑电波相关联。这些脑波模式中的每一个都有不同的频率和波幅。

脑电图机用于多种目的。在医学上，它们被用于诊断癫痫症、头部损伤和脑肿瘤等疾病。一名训练有素的技术人员在专门设计的房间内进行脑电图测试。患者仰卧，并在头皮上放置 16-25 个电极。电极的输出记录在计算机屏幕上或绘制在移动的方格纸上。有时会要求患者执行某些任务，例如深呼吸或看着明亮的闪烁灯光。从这台机器收集的数据可以被计算机解释，并提供大脑活动的几何图像。这可以向医生准确显示大脑活动问题所在。

历史

脑电图机由汉斯·伯杰于 1929 年首次介绍给世界。伯杰是德国耶拿大学的神经精神病学家，他使用了德语术语 elektrenkephalogramm 描述大脑中产生的电流的图形表示。他建议脑电流会根据大脑的功能状态而改变，例如睡眠、麻醉和癫痫。这些革命性的想法帮助创建了医学科学的一个新分支，称为神经生理学。

大多数情况下，伯杰那个时代的科学界并不相信他的结论。又过了五年，他的结论才能通过埃德加·道格拉斯·阿德里安和 B. C. H. 马修斯的实验得到证实。在这些实验之后，其他科学家开始研究该领域。 1936 年，W. Gray Walter 证明了这项技术可用于精确定位脑肿瘤。沃尔特使用了大量贴在头皮上的小电极，发现脑肿瘤会导致异常的电活动区域。

多年来，脑电图电极、放大器和输出设备都得到了改进。科学家们了解了放置电极的最佳位置以及如何诊断条件。他们还发现了如何创建大脑的电子地图。 1957 年，Walter 开发了一种称为拓扑镜的设备。这台机器使用脑电图活动来生成大脑表面的地图。它有 22 个阴极射线管，连接到头骨上的一对电极。电极的排列使得每个管都可以显示不同大脑切片的活动强度。通过使用这台机器，沃尔特证明了静息状态的脑电波与需要集中注意力的脑力任务期间产生的脑电波不同。虽然这种设备很有用，但它从未取得商业成功，因为它既复杂又昂贵。今天，脑电图机器有多个通道、计算机存储存储器和可以创建大脑电子地图的专用软件。

原材料

许多原材料用于构建 EEG 机器。内部印刷电路板是平坦的树脂涂层板。连接到它们的是电子元件，例如电阻器、电容器和由各种金属、塑料和硅制成的集成电路。

电极通常由德国银制成。德国银是一种由铜、镍和锌组成的合金。它特别有用，因为它足够柔软，可以轻松研磨和抛光。也可以使用不锈钢（镍含量较高）。它往往更耐腐蚀，但更难钻孔和加工。

使用胶带将表面电极连接到患者身上。由于电信号微弱地通过皮肤传输到电极，因此通常需要电解质糊剂或凝胶。这种材料直接涂在皮肤上。它可能由羊毛脂和氯离子等化妆品成分组成，有助于在皮肤和电极之间形成导电桥，从而实现更好的信号传输。聚四氟乙烯 (Teflon) 用作电线和各种电极的涂层。

设计

脑电图机的基本系统包括数据采集、存储和显示。这些系统的组件包括电极、连接线、放大器、计算机控制模块和显示设备。在美国，FDA（食品药品监督管理局）已经为脑电图机的制造商提出了生产建议。

脑电图机中使用的电极或导线可分为两种类型，包括表面电极和针状电极。一般来说，针状电极可提供更清晰的信号，因为它们是直接注射到体内的。这消除了由皮肤引起的信号消音。对于表面电极，有一次性型号，例如极耳、环形和条形电极。还有可重复使用的圆盘和手指电极。电极也可以组合成直接放置在头部上的电极帽。

EEG 放大器将来自大脑的微弱信号转换为输出设备更易识别的信号。它们是差分放大器，在测量相对低电平的信号时很有用。在某些设计中，放大器设置如下。一对电极检测来自身体的电信号。连接到电极的电线将信号传输到放大器的第一部分，即缓冲放大器。在这里，信号被电子稳定并放大了 5 到 10 倍。接下来是一个差分前置放大器，用于过滤和放大信号 10 到 100 倍。通过这些放大器后，信号被放大成百上千倍。

这部分放大器接收来自患者的直接信号，使用光隔离器将主电源电路与患者分开。隔离防止意外触电的可能性。主放大器位于主电源电路中。在这个有源放大器中，模拟信号被转换为更适合输出的数字信号。

由于大脑在头骨的不同点产生不同的信号，因此使用了多个电极。脑电图机的通道数与使用的电极数有关。通道越多，脑电波图像越详细。对于 EEG 机器上的每个放大器，都连接了两个电极。放大器能够转换不同的输入信号并消除相同的信号。这意味着机器的输出实际上是两个电极拾取的电活动的差异。因此，每个电极的放置非常关键，因为它们彼此距离越近，记录的脑电波差异就越小。

多种输出打印机和显示器可用于 EEG 机器。一种常见的设备是电流计或纸带记录器。随着时间的推移，该设备会打印一份 EEG 信号的硬拷贝。还使用其他类型的设备，包括计算机打印机、光盘、可记录光盘 (CD) 和磁带单元。由于收集的数据是模拟数据，因此必须将其转换为数字信号，以便可以使用电子输出设备。因此，EEG 的主要电路通常具有内置的模数转换器部分。一些脑电图机提供的软件可用于创建大脑图。

各种其他配件与脑电图机一起使用。这些包括电解膏或凝胶、安装夹、各种传感器和热敏纸。用于睡眠研究的脑电图机配备有打鼾和呼吸传感器。其他用途需要感官刺激设备，例如耳机和 LED 护目镜。还有其他脑电图机配备有电刺激器。

制造
过程

脑电图机的不同部分分别生产，然后在包装前由主要制造商组装。这些组件，包括电极、放大器以及存储和输出设备，可以由外部制造商提供或内部制造。

电极

• 1 EEG 电极通常从外部供应商处接收并检查它们是否符合设定的规格。通常用于 EEG 机器的一种电极是针状电极。这些可以由不锈钢棒制成。加热棒直到变软，然后挤压形成无缝管。
• 2 然后将管子拉出，制成细的空心管。这些管子被切割成所需的长度，然后圆锥形地锐化以产生一个尖端。
• 3 为确保轻松插入，管子经过聚四氟乙烯 (Teflon) 浴以提供光滑的耐化学涂层。当管子离开浴时，它被加热以蒸发溶剂并使涂层粘附。
• 4 然后将管子机械放置在由注塑机制成的塑料适配器件中。这件作品允许一次性的、单独包装的针头连接到导线上。
• 5 屏蔽导线配有一个可以连接到初级单元的适配器。

内部电子设备

• 6 放大器和计算机控制模块的组装与其他电子设备一样。电子配置首先印刷在电路板上。电路板可以手动或通过自动化机器安装芯片、电容器、二极管、保险丝和其他电子零件。这台机器像贴标机一样工作。它装有大量电子元件线轴和贴装头。计算机控制运动 一名男子正在接受脑电图检查，戴着装有电极的帽子。板通过机器。当一块电路板在其中一个元件线轴下方移动时，贴装头会在电路板上的适当位置印上电子零件。完成后，电路板将被送到下一步进行波峰焊接。
• 7 在下一步中，波峰焊机将电子元件固定到电路板上。当电路板进入这台机器时，它们会被助焊剂清洗以去除可能导致短路的污染物。
• 然后使用红外线加热 8 块板。电路板的底面通过一桶熔化的焊料。焊料通过毛细作用填充到所需区域。
• 9 随着电路板冷却，焊料变硬，电子元件固定到位。目视检查通常在此时进行，以确保有缺陷的电路板被拒绝。

放大器

• 10 放大器的电子板拼凑在一起并固定在外壳上。这通常由生产线操作员完成，他们将零件实际放置在预制板上。
• 11 外壳由坚固的塑料制成，通过典型的注塑成型工艺制成。在此过程中，创建了一个两件式模具，该模具具有所需零件的相反形状。熔融塑料被注入模具，当它冷却时，零件就形成了。对于某些 EEG 模型，放大器是一个单独的盒子，大小与教科书差不多。盒子的外侧有连接器，电极和计算机连接线插入其中。

电脑控制箱

• 12 EEG 站由放大器和计算机控制站组成。该控制站通常具有台式计算机、键盘和鼠标、彩色打印机和视频监视器。这些设备均由外部制造商生产，并由 EEG 制造商组装。

总装

• 13 将 EEG O 机器的每个组件放在一起并放置在适当的金属框架中。这个过程是由在极其干净的条件下工作的生产线操作员完成的。组装组件后，它们通常会放在坚固的钢制手推车上，以使设备便于携带。
• 14 然后将成品设备与附件（如电极、计算机软件、打印纸和手册）一起放入最终包装中。

质量控制

在制造过程的每个步骤中，都会进行目视和电气检查，以确保所生产的每个 EEG 设备的质量。由于电路制造对污染很敏感，因此组装工作由生产线操作员在气流控制的洁净室中完成。操作员还必须穿着不起毛的衣服，以减少污染的机会。每个完成的 EEG 设备的功能性能也经过测试以确保其正常工作。这是通过为设备通电、打开并运行一系列标准测试来完成的。为了模拟现实生活中的使用，这些测试是在不同的热量和湿度水平下进行的。

通常，制造商为其 EEG 机器设置自己的质量规范。然而，在美国，食品和药物管理局 (FDA) 提供的生产建议通常由行业调整。其他各种医疗和政府组织也提出了标准和性能建议。一些被认为重要的因素是标准化输入信号范围、校准信号的准确性、频率响应和记录持续时间。

未来

未来，脑电图机将在制造和应用方面得到改进。从制造的角度来看，构成设备内部电子设备的组件可能会变得更小。这将允许使用更小、更便携的机器。它还将使设备更便宜。这一点很重要，因为一些专家认为，未来的应用将使个人消费者更愿意拥有 EEG 机器。

虽然制造改进将来自电子制造一般领域的研究，但对 EEG 机器的特定研究侧重于新用途和应用。例如，最近推出了一种设备，可以筛查阿尔茨海默病。该机器包含一个装有电极的盖子。佩戴时，它会提供患者大脑活动的电子图片。这张图片与健康人的大脑活动进行了比较，并注意到了差异。

已经开发出一种类似的机器，它可以使用从 EEG 电极接收到的信息来控制计算机。使用该设备时，用户戴上装有电极的帽子并注视计算机屏幕。经过计算机培训后，用户可以仅通过意念来控制屏幕上光标的移动。如果得到充分发展，这项技术可能是截瘫患者的革命性发展。个人消费者也可以通过思考使用这种设备来控制家用灯、计算机和电器。

哪里可以了解更多

书籍

Fisch, Bruce J. Fisch 和 Spehlmann 的 EEG Primer。 爱思唯尔科学，1999 年。

奥特默，柯克。 化学技术百科全书。 卷。 1992 年 22 月。

Webster, J. G. 医疗仪器应用和设计。 第二版。 1992年。

Wong, Peter K. H. 临床实践中的数字脑电图。 利平科特·威廉姆斯和威尔金斯，1995 年。

其他

Sabbatini, Renato M.E. “映射大脑”。 大脑和头脑 2001 年 11 月 15 日。。

佩里 罗曼诺夫斯基