machine EEG

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Contexte

Un électroencéphalogramme (EEG) est un appareil utilisé pour créer une image de l'activité électrique du cerveau. Il a été utilisé à la fois pour le diagnostic médical et la recherche neurobiologique. Les composants essentiels d'un appareil EEG comprennent des électrodes, des amplificateurs, un module de commande informatique et un dispositif d'affichage. La fabrication implique généralement la production séparée des divers composants, l'assemblage et l'emballage final. Développée pour la première fois au début du XXe siècle, la machine EEG continue d'être améliorée. On pense que cette machine conduira à un large éventail de découvertes importantes à la fois dans la fonction cérébrale de base et dans les remèdes pour diverses maladies neurologiques.

Le fonctionnement d'un appareil EEG dépend du fait que les cellules nerveuses du cerveau produisent constamment de minuscules signaux électriques. Les cellules nerveuses, ou neurones, transmettent électriquement des informations dans tout le corps. Ils créent des impulsions électriques par la diffusion d'ions calcium, sodium et potassium à travers les membranes cellulaires. Lorsqu'une personne pense, lit ou regarde la télévision, différentes parties du cerveau sont stimulées. Cela crée différents signaux électriques qui peuvent être surveillés par un EEG.

Les électrodes de la machine EEG sont fixées sur le cuir chevelu afin qu'elles puissent capter les petites ondes cérébrales électriques produites par les nerfs. Lorsque les signaux traversent la machine, ils traversent des amplificateurs qui les rendent suffisamment gros pour être affichés. Les amplificateurs fonctionnent comme des amplificateurs dans un système stéréo domestique. Une paire d'électrodes constitue un canal. Les machines EEG ont de huit à 40 canaux. Selon la conception, la machine EEG imprime ensuite l'activité des ondes sur papier (par un galvanomètre) ou la stocke sur un disque dur d'ordinateur pour l'afficher sur un moniteur.

On sait depuis longtemps que différents états d'esprit conduisent à différents affichages EEG. Quatre états d'esprit - vigilance, repos, sommeil et rêve - ont des ondes cérébrales associées nommées alpha, bêta, thêta et delta. Chacun de ces modèles d'ondes cérébrales a des fréquences et des amplitudes d'ondes différentes.

Les appareils EEG sont utilisés à diverses fins. En médecine, ils sont utilisés pour diagnostiquer des troubles tels que les troubles épileptiques, les traumatismes crâniens et les tumeurs cérébrales. Un technicien qualifié dans une salle spécialement conçue effectue un test EEG. Le patient est allongé sur le dos et 16 à 25 électrodes sont appliquées sur le cuir chevelu. La sortie des électrodes est enregistrée sur un écran d'ordinateur ou dessinée sur un morceau de papier millimétré en mouvement. Le patient est parfois invité à effectuer certaines tâches telles que respirer profondément ou regarder une lumière vacillante. Les données recueillies à partir de cette machine peuvent être interprétées par un ordinateur et fournissent une image géométrique de l'activité du cerveau. Cela peut montrer aux médecins exactement où se trouvent les problèmes d'activité cérébrale.

Historique

La machine EEG a été introduite pour la première fois dans le monde par Hans Berger en 1929. Berger, qui était un neuropsychiatre de l'Université d'Iéna en Allemagne, a utilisé le terme allemand elektrenkephalogramm pour décrire la représentation graphique des courants électriques générés dans le cerveau. Il a suggéré que les courants cérébraux changeaient en fonction de l'état fonctionnel du cerveau comme le sommeil, l'anesthésie et l'épilepsie. Ce sont des idées révolutionnaires qui ont aidé à créer une nouvelle branche de la science médicale appelée neurophysiologie.

Pour la plupart, la communauté scientifique de l'époque de Berger ne croyait pas à ses conclusions. Il a fallu encore cinq ans avant que ses conclusions puissent être vérifiées par l'expérimentation d'Edgar Douglas Adrian et de B.C.H. Matthews. Après ces expériences, d'autres scientifiques ont commencé à étudier le domaine. En 1936, W. Gray Walter démontra que cette technologie pouvait être utilisée pour localiser une tumeur cérébrale. Walter a utilisé un grand nombre de petites électrodes qu'il a collées sur le cuir chevelu et a découvert que les tumeurs cérébrales provoquaient des zones d'activité électrique anormale.

Au fil des ans, les électrodes EEG, les amplificateurs et les dispositifs de sortie ont été améliorés. Les scientifiques ont appris les meilleurs endroits pour placer les électrodes et comment diagnostiquer les conditions. Ils ont également découvert comment créer des cartes électriques du cerveau. En 1957, Walter a développé un appareil appelé toposcope. Cette machine a utilisé l'activité EEG pour produire une carte de la surface du cerveau. Il avait 22 tubes cathodiques connectés à une paire d'électrodes sur le crâne. Les électrodes étaient disposées de telle sorte que chaque tube puisse montrer l'intensité de l'activité dans différentes sections du cerveau. En utilisant cette machine, Walter a démontré que les ondes cérébrales de l'état de repos étaient différentes des ondes cérébrales générées lors d'une tâche mentale nécessitant de la concentration. Bien que cet appareil ait été utile, il n'a jamais connu de succès commercial car il était complexe et coûteux. Aujourd'hui, les machines EEG disposent de plusieurs canaux, de mémoires de stockage informatiques et de logiciels spécialisés capables de créer une carte électrique du cerveau.

Matières premières

De nombreuses matières premières sont utilisées dans la construction d'une machine EEG. Les circuits imprimés internes sont des feuilles plates recouvertes de résine. Des composants électroniques tels que des résistances, des condensateurs et des circuits intégrés fabriqués à partir de divers types de métaux, de plastique et de silicium y sont connectés.

Les électrodes sont généralement construites en argent allemand. L'argent allemand est un alliage composé de cuivre, de nickel et de zinc. Il est particulièrement utile car il est suffisamment doux pour meuler et polir facilement. L'acier inoxydable (qui a une concentration plus élevée de nickel) peut également être utilisé. Il a tendance à être plus résistant à la corrosion, mais il est plus difficile à percer et à usiner.

Un ruban adhésif est utilisé pour fixer les électrodes de surface au patient. Étant donné que les signaux électriques sont faiblement transmis à travers la peau aux électrodes, une pâte ou un gel électrolytique est généralement nécessaire. Ce matériau est appliqué directement sur la peau. Il peut être composé d'un ingrédient cosmétique comme la lanoline et les ions chlorure qui aident à former un pont conducteur entre la peau et l'électrode permettant une meilleure transmission du signal. Le polytétrafluoroéthylène (téflon) est utilisé comme revêtement pour les fils et divers types d'électrodes.

Conception

Les systèmes de base d'un appareil EEG comprennent la collecte, le stockage et l'affichage des données. Les composants de ces systèmes comprennent des électrodes, des fils de connexion, des amplificateurs, un module de commande informatique et un dispositif d'affichage. Aux États-Unis, la FDA (Food and Drug Administration) a proposé des suggestions de production aux fabricants de machines EEG.

Les électrodes, ou dérivations, utilisées dans un appareil EEG peuvent être divisées en deux types, notamment les électrodes de surface et les électrodes à aiguille. En général, les électrodes à aiguilles offrent une plus grande clarté de signal car elles sont injectées directement dans le corps. Cela élimine l'étouffement du signal causé par la peau. Pour les électrodes de surface, il existe des modèles jetables tels que les électrodes à languette, à anneau et à barre. Il existe également des électrodes à disque et à doigt réutilisables. Les électrodes peuvent également être combinées dans un capuchon d'électrode qui est placé directement sur la tête.

Les amplificateurs EEG convertissent les signaux faibles du cerveau en un signal plus discernable pour le périphérique de sortie. Ce sont des amplificateurs différentiels utiles pour mesurer des signaux de niveau relativement bas. Dans certaines conceptions, les amplificateurs sont configurés comme suit. Une paire d'électrodes détecte le signal électrique du corps. Les fils connectés aux électrodes transfèrent le signal à la première section de l'amplificateur, l'amplificateur tampon. Ici, le signal est stabilisé électroniquement et amplifié par un facteur de cinq à 10. Un préamplificateur différentiel est ensuite en ligne qui filtre et amplifie le signal d'un facteur de 10 à 100. Après avoir traversé ces amplificateurs, les signaux sont multipliés par des centaines ou des milliers de fois.

Cette section des amplificateurs, qui reçoit des signaux directs du patient, utilise des isolateurs optiques pour séparer le circuit d'alimentation principal du patient. La séparation empêche la possibilité d'un choc électrique accidentel. L'amplificateur primaire se trouve dans le circuit d'alimentation principal. Dans cet amplificateur alimenté, le signal analogique est converti en un signal numérique, qui convient mieux à la sortie.

Étant donné que le cerveau produit différents signaux à différents points du crâne, plusieurs électrodes sont utilisées. Le nombre de canaux d'un appareil EEG est lié au nombre d'électrodes utilisées. Plus il y a de canaux, plus l'image des ondes cérébrales est détaillée. Pour chaque amplificateur de la machine EEG, deux électrodes sont fixées. L'amplificateur est capable de traduire les différents signaux entrants et annule ceux qui sont identiques. Cela signifie que la sortie de la machine est en fait la différence d'activité électrique captée par les deux électrodes. Par conséquent, le placement de chaque électrode est critique car plus elles sont proches les unes des autres, moins les différences dans les ondes cérébrales qui seront enregistrées seront importantes.

Une variété d'imprimantes et de moniteurs de sortie sont disponibles pour les machines EEG. Un appareil courant est un galvanomètre ou un enregistreur à bande de papier. Cet appareil imprime une copie papier des signaux EEG au fil du temps. D'autres types d'appareils sont également utilisés, notamment des imprimantes d'ordinateur, des disques optiques, des disques compacts enregistrables (CD) et des unités de bande magnétique. Étant donné que les données collectées sont analogiques, elles doivent être converties en un signal numérique afin que les dispositifs de sortie électroniques puissent être utilisés. Par conséquent, les circuits primaires de l'EEG ont généralement une section de convertisseur analogique-numérique intégrée. Le logiciel fourni avec certaines machines EEG peut être utilisé pour créer une carte du cerveau.

Divers autres accessoires sont utilisés avec une machine EEG. Ceux-ci incluent des pâtes ou gels électrolytiques, des clips de montage, divers capteurs et des papiers thermiques. Les appareils EEG utilisés dans les études du sommeil sont équipés de capteurs de ronflement et de respiration. D'autres utilisations nécessitent des dispositifs de stimulation sensorielle tels que des écouteurs et des lunettes LED. D'autres appareils EEG encore sont équipés de stimulateurs électriques.

Le processus de fabrication

Les différentes parties d'une machine EEG sont produites séparément puis assemblées par le fabricant principal avant l'emballage. Ces composants, y compris les électrodes, l'amplificateur et les dispositifs de stockage et de sortie, peuvent être fournis par des fabricants externes ou fabriqués en interne.

Électrodes

• 1 Les électrodes EEG sont généralement reçues de fournisseurs externes et vérifiées pour voir si elles sont conformes aux spécifications définies. Un type d'électrode couramment utilisé pour la machine EEG est une électrode à aiguille. Ceux-ci peuvent être fabriqués à partir d'une barre d'acier inoxydable. La barre est chauffée jusqu'à ce qu'elle devienne molle, puis extrudée pour former un tube sans soudure.
• 2 Le tube est ensuite étiré pour produire un tube creux fin. Ces tubes sont coupés à la longueur souhaitée, puis affûtés coniquement pour produire une pointe.
• 3 Pour assurer une insertion facile, le tube est passé dans un bain de polytétrafluoroéthylène (Téflon) pour fournir un revêtement lisse et résistant aux produits chimiques. Lorsque le tube sort du bain, il est réchauffé pour évaporer le solvant et permettre au revêtement d'adhérer.
• 4 Le tube est ensuite placé mécaniquement dans une pièce d'adaptation en plastique qui est réalisée avec une machine de moulage par injection. Cette pièce permet aux aiguilles jetables emballées individuellement de se connecter au fil conducteur.
• 5 Le câble blindé est équipé d'un adaptateur qui peut être raccordé à l'unité primaire.

Electronique interne

• 6 Les amplificateurs et le module de contrôle informatique sont assemblés comme les autres équipements électroniques. Les configurations électroniques sont d'abord imprimées sur des circuits imprimés. Les cartes peuvent être équipées de puces, condensateurs, diodes, fusibles et autres pièces électroniques à la main ou passées à travers une machine automatisée. Cette machine fonctionne comme une étiqueteuse. Il est chargé de nombreuses bobines de composants électroniques et de têtes de pose. Un ordinateur contrôle le mouvement de Un homme subissant un EEG, portant une casquette équipée d'électrodes. la planche à travers la machine. Lorsqu'une carte est déplacée sous l'une des bobines de composants, une tête de placement tamponne la pièce électronique sur la carte dans les positions appropriées. Une fois terminées, les cartes sont envoyées à l'étape suivante pour la soudure à la vague.
• 7 Dans l'étape suivante, une machine à souder à la vague fixe les composants électroniques à la carte. Lorsque les cartes entrent dans cette machine, elles sont lavées avec un flux pour éliminer les contaminants susceptibles de provoquer des courts-circuits.
• 8 planches sont ensuite chauffées grâce à la chaleur infrarouge. Le dessous de la planche est passé sur une cuve de soudure fondue. La soudure remplit les zones nécessaires par capillarité.
• 9 Au fur et à mesure que les cartes refroidissent, la soudure durcit et l'électronique est maintenue en place. Une inspection visuelle est généralement effectuée à ce stade pour s'assurer que les cartes défectueuses sont rejetées.

Amplificateur

• 10 Les cartes électroniques de l'amplificateur sont reconstituées et fixées sur un boîtier. Ceci est généralement effectué par les opérateurs de ligne qui placent physiquement les pièces sur des planches préfabriquées.
• 11 Le boîtier est fait d'un plastique robuste qui est construit par des processus de moulage par injection typiques. Dans ce processus, un moule en deux pièces est créé qui a la forme inverse de la pièce souhaitée. Le plastique fondu est injecté dans le moule et lorsqu'il refroidit, la pièce est formée. Pour certains modèles d'EEG, l'amplificateur est un boîtier séparé de la taille d'un manuel. Les côtés extérieurs de la boîte ont des connecteurs où les électrodes et les lignes de connexion de l'ordinateur sont branchées.

Boîtier de contrôle informatique

• 12 Une station EEG se compose de l'amplificateur et d'une station de contrôle informatique. Cette station de contrôle comprend généralement un ordinateur de bureau, un clavier et une souris, une imprimante couleur et un moniteur vidéo. Ces appareils sont tous produits par des fabricants extérieurs et assemblés par le fabricant d'EEG.

Assemblage final

• 13 Chacun des composants de la machine EEG O est réuni et placé dans un cadre métallique approprié. Ce processus est effectué par des opérateurs de ligne travaillant dans des conditions extrêmement propres. Lorsque les composants sont assemblés, ils sont généralement placés sur un chariot en acier robuste pour rendre l'appareil portable.
• 14 Les appareils finis sont ensuite placés dans un emballage final avec des accessoires tels que des électrodes, des logiciels, du papier d'impression et des manuels.

Contrôle qualité

À chaque étape du processus de fabrication, des inspections visuelles et électriques ont lieu pour garantir la qualité de chaque appareil EEG produit. Étant donné que la fabrication des circuits est sensible à la contamination, le travail d'assemblage est effectué par des opérateurs de ligne dans des salles blanches à débit d'air contrôlé. Les opérateurs doivent également porter des vêtements non pelucheux pour réduire les risques de contamination. Les performances fonctionnelles de chaque appareil EEG complété sont également testées pour s'assurer qu'il fonctionne. Cela se fait en mettant l'appareil sous tension, en l'allumant et en exécutant une série de tests standard. Pour simuler une utilisation réelle, ces tests sont effectués sous différents niveaux de chaleur et d'humidité.

En général, les fabricants définissent leurs propres spécifications de qualité pour leurs machines EEG. Cependant, aux États-Unis, la Food &Drug Administration (FDA) fournit des recommandations de production qui sont généralement adaptées par l'industrie. Diverses autres organisations médicales et gouvernementales proposent également des normes et des suggestions de performances. Certains facteurs considérés comme importants sont les plages de signaux d'entrée normalisées, la précision du signal d'étalonnage, les réponses en fréquence et la durée d'enregistrement.

Le futur

À l'avenir, les machines EEG seront améliorées dans leur fabrication et leurs applications. Du point de vue de la fabrication, les composants qui composent l'électronique interne de l'appareil deviendront probablement plus petits. Cela permettra des machines plus petites et plus portables. Cela rendra également les appareils moins chers. Ce sera important car certains experts suggèrent que les applications futures rendront souhaitables pour les consommateurs individuels d'avoir des machines EEG.

Alors que les améliorations de la fabrication proviendront des recherches effectuées dans le domaine général de la fabrication électronique, des recherches spécifiques sur les machines EEG se sont concentrées sur de nouvelles utilisations et applications. Par exemple, un dispositif a récemment été mis sur le marché qui pourrait permettre de dépister la maladie d'Alzheimer. Cette machine contient un capuchon muni d'électrodes. Lorsqu'il est porté, il fournit une image électronique de l'activité cérébrale d'un patient. Cette image est comparée à l'activité cérébrale de personnes en bonne santé et des différences sont notées.

Une machine similaire a été développée qui peut utiliser les informations reçues des électrodes EEG pour contrôler les ordinateurs. Avec cet appareil, l'utilisateur porte un capuchon contenant des électrodes et regarde un écran d'ordinateur. Après une session de formation avec l'ordinateur, les utilisateurs ont pu contrôler le mouvement d'un curseur sur l'écran simplement en utilisant leurs pensées. Si elle est pleinement développée, cette technologie pourrait être un développement révolutionnaire pour les paraplégiques. Les consommateurs individuels peuvent également bénéficier de l'utilisation d'un tel appareil pour contrôler les lumières domestiques, les ordinateurs et les appareils électroménagers simplement en pensant.

Où en savoir plus

Livres

Fisch, Bruce J. Amorce EEG de Fisch et Spehlmann. Elsevier Science, 1999.

Othmer, Kirk. Encyclopédie de la technologie chimique. Vol. 22, 1992.

Webster, J. G. Application et conception d'instruments médicaux. 2e éd. 1992.

Wong, Peter K. H. EEG numérique en pratique clinique. Lippincott Williams &Wilkins, 1995.

Autre

Sabbatini, Renato M.E. "Mapping the Brain". Cerveau et esprit 15 novembre 2001. .

Perry Romanowski