Máquina de EEG

Antecedentes

Una máquina de electroencefalograma (EEG) es un dispositivo que se utiliza para crear una imagen de la actividad eléctrica del cerebro. Se ha utilizado tanto para el diagnóstico médico como para la investigación neurobiológica. Los componentes esenciales de una máquina EEG incluyen electrodos, amplificadores, un módulo de control de computadora y un dispositivo de visualización. La fabricación generalmente implica la producción por separado de los diversos componentes, el ensamblaje y el embalaje final. Desarrollada por primera vez a principios del siglo XX, la máquina EEG sigue mejorando. Se cree que esta máquina conducirá a una amplia gama de importantes descubrimientos tanto en la función básica del cerebro como en la cura de diversas enfermedades neurológicas.

La función de un electroencefalograma depende del hecho de que las células nerviosas del cerebro producen constantemente pequeñas señales eléctricas. Las células nerviosas o neuronas transmiten información por todo el cuerpo eléctricamente. Crean impulsos eléctricos mediante la difusión de iones de calcio, sodio y potasio a través de las membranas celulares. Cuando una persona está pensando, leyendo o mirando televisión, se estimulan diferentes partes del cerebro. Esto crea diferentes señales eléctricas que pueden ser monitoreadas por un EEG.

Los electrodos de la máquina de EEG se colocan en el cuero cabelludo para que puedan captar las pequeñas ondas cerebrales eléctricas producidas por los nervios. A medida que las señales viajan a través de la máquina, pasan por amplificadores que las hacen lo suficientemente grandes como para mostrarse. Los amplificadores funcionan como amplificadores en un sistema estéreo doméstico. Un par de electrodos forma un canal. Las máquinas de EEG tienen entre ocho y 40 canales. Dependiendo del diseño, la máquina EEG imprime la actividad de las ondas en papel (mediante un galvanómetro) o la almacena en el disco duro de una computadora para mostrarla en un monitor.

Se sabe desde hace mucho tiempo que diferentes estados mentales conducen a diferentes visualizaciones de EEG. Cuatro estados mentales (alerta, descanso, sueño y soñar) tienen ondas cerebrales asociadas denominadas alfa, beta, theta y delta. Cada uno de estos patrones de ondas cerebrales tiene diferentes frecuencias y amplitudes de ondas.

Las máquinas de EEG se utilizan para una variedad de propósitos. En medicina, se utilizan para diagnosticar cosas como trastornos convulsivos, lesiones en la cabeza y tumores cerebrales. Un técnico capacitado en una sala especialmente diseñada realiza una prueba de EEG. El paciente se acuesta boca arriba y se aplican 16-25 electrodos en el cuero cabelludo. La salida de los electrodos se registra en una pantalla de computadora o se dibuja en una hoja de papel cuadriculado en movimiento. A veces se le pide al paciente que realice ciertas tareas, como respirar profundamente o mirar una luz parpadeante brillante. Los datos recopilados de esta máquina pueden ser interpretados por una computadora y proporcionan una imagen geométrica de la actividad del cerebro. Esto puede mostrar a los médicos exactamente dónde se encuentran los problemas de actividad cerebral.

Historial

La máquina EEG fue presentada al mundo por primera vez por Hans Berger en 1929. Berger, quien era neuropsiquiatra de la Universidad de Jena en Alemania, usó el término alemán elektrenkephalogramm describir la representación gráfica de las corrientes eléctricas generadas en el cerebro. Sugirió que las corrientes cerebrales cambiaban según el estado funcional del cerebro, como el sueño, la anestesia y la epilepsia. Estas fueron ideas revolucionarias que ayudaron a crear una nueva rama de la ciencia médica llamada neurofisiología.

En su mayor parte, la comunidad científica de la época de Berger no creyó en sus conclusiones. Pasaron otros cinco años hasta que sus conclusiones pudieron ser verificadas a través de la experimentación de Edgar Douglas Adrian y B. C. H. Matthews. Después de estos experimentos, otros científicos comenzaron a estudiar el campo. En 1936, W. Gray Walter demostró que esta tecnología podría usarse para identificar un tumor cerebral. Walter usó una gran cantidad de pequeños electrodos que pegó en el cuero cabelludo y descubrió que los tumores cerebrales causaban áreas de actividad eléctrica anormal.

A lo largo de los años, se mejoraron los electrodos, amplificadores y dispositivos de salida de EEG. Los científicos aprendieron los mejores lugares para colocar los electrodos y cómo diagnosticar las afecciones. También descubrieron cómo crear mapas eléctricos del cerebro. En 1957, Walter desarrolló un dispositivo llamado toposcopio. Esta máquina utilizó la actividad de EEG para producir un mapa de la superficie del cerebro. Tenía 22 tubos de rayos catódicos que estaban conectados a un par de electrodos en el cráneo. Los electrodos se dispusieron de modo que cada tubo pudiera mostrar la intensidad de la actividad en diferentes secciones del cerebro. Al usar esta máquina, Walter demostró que las ondas cerebrales en estado de reposo eran diferentes a las ondas cerebrales generadas durante una tarea mental que requería concentración. Si bien este dispositivo fue útil, nunca logró el éxito comercial porque era complejo y costoso. Hoy en día, las máquinas de EEG tienen múltiples canales, memorias de almacenamiento de computadora y software especializado que puede crear un mapa eléctrico del cerebro.

Materias primas

Se utilizan numerosas materias primas en la construcción de una máquina EEG. Las placas de circuito impreso internas son láminas planas recubiertas de resina. Conectados a ellos hay componentes electrónicos como resistencias, condensadores y circuitos integrados hechos de varios tipos de metales, plástico y silicio.

Los electrodos generalmente están construidos con plata alemana. La plata alemana es una aleación compuesta de cobre, níquel y zinc. Es particularmente útil porque es lo suficientemente suave para moler y pulir fácilmente. También se puede utilizar acero inoxidable (que tiene una mayor concentración de níquel). Tiende a ser más resistente a la corrosión, pero es más difícil de perforar y mecanizar.

Se utiliza una cinta adhesiva para unir electrodos de superficie al paciente. Dado que las señales eléctricas se transmiten débilmente a través de la piel a los electrodos, normalmente se necesita una pasta o gel de electrolitos. Este material se aplica directamente sobre la piel. Puede estar compuesto por un ingrediente cosmético como lanolina y iones de cloruro que ayudan a formar un puente conductor entre la piel y el electrodo permitiendo una mejor transmisión de la señal. El politetrafluoroetileno (teflón) se utiliza como revestimiento para los cables y varios tipos de electrodos.

Diseño

Los sistemas básicos de una máquina de electroencefalograma incluyen la recopilación, el almacenamiento y la visualización de datos. Los componentes de estos sistemas incluyen electrodos, cables de conexión, amplificadores, un módulo de control de computadora y un dispositivo de visualización. En los Estados Unidos, la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos) ha propuesto sugerencias de producción para los fabricantes de máquinas EEG.

Los electrodos, o cables, que se utilizan en una máquina de EEG se pueden dividir en dos tipos, incluidos los electrodos de superficie y de aguja. En general, los electrodos de aguja proporcionan una mayor claridad de señal porque se inyectan directamente en el cuerpo. Esto elimina la amortiguación de la señal causada por la piel. Para los electrodos de superficie, existen modelos desechables como los electrodos de lengüeta, anillo y barra. También hay electrodos de disco y de dedo reutilizables. Los electrodos también se pueden combinar en una tapa de electrodo que se coloca directamente sobre la cabeza.

Los amplificadores de EEG convierten las señales débiles del cerebro en una señal más perceptible para el dispositivo de salida. Son amplificadores diferenciales que son útiles para medir señales de nivel relativamente bajo. En algunos diseños, los amplificadores se configuran de la siguiente manera. Un par de electrodos detecta la señal eléctrica del cuerpo. Los cables conectados a los electrodos transfieren la señal a la primera sección del amplificador, el amplificador de búfer. Aquí la señal se estabiliza y amplifica electrónicamente por un factor de cinco a 10. Un preamplificador diferencial es el siguiente en la línea que filtra y amplifica la señal por un factor de 10-100. Después de pasar por estos amplificadores, las señales se multiplican por cientos o miles de veces.

Esta sección de los amplificadores, que reciben señales directas del paciente, utiliza aisladores ópticos para separar el circuito de alimentación principal del paciente. La separación evita la posibilidad de descargas eléctricas accidentales. El amplificador primario se encuentra en el circuito de potencia principal. En este amplificador autoamplificado, la señal analógica se convierte en una señal digital, que es más adecuada para la salida.

Dado que el cerebro produce diferentes señales en diferentes puntos del cráneo, se utilizan múltiples electrodos. El número de canales que tiene una máquina de EEG está relacionado con el número de electrodos utilizados. Cuantos más canales, más detallada será la imagen de las ondas cerebrales. Para cada amplificador de la máquina EEG se colocan dos electrodos. El amplificador puede traducir las diferentes señales entrantes y cancela las que son idénticas. Esto significa que la salida de la máquina es en realidad la diferencia en la actividad eléctrica captada por los dos electrodos. Por lo tanto, la ubicación de cada electrodo es fundamental porque cuanto más cerca estén, menos diferencias en las ondas cerebrales se registrarán.

Hay una variedad de impresoras y monitores de salida disponibles para las máquinas de electroencefalograma. Un dispositivo común es un galvanómetro o un registrador de tiras de papel. Este dispositivo imprime una copia impresa de las señales de EEG a lo largo del tiempo. También se utilizan otros tipos de dispositivos, como impresoras de computadora, discos ópticos, discos compactos (CD) grabables y unidades de cinta magnética. Dado que los datos recopilados son analógicos, deben convertirse a una señal digital para que se puedan utilizar dispositivos de salida electrónicos. Por lo tanto, la circuitería primaria del EEG normalmente tiene una sección de conversión analógica a digital incorporada. El software proporcionado con algunas máquinas de electroencefalograma se puede utilizar para crear un mapa del cerebro.

Se utilizan varios otros accesorios con una máquina EEG. Estos incluyen pastas o geles electrolíticos, clips de montaje, varios sensores y papeles térmicos. Los electroencefalogramas utilizados en los estudios del sueño están equipados con sensores de ronquido y respiración. Otros usos requieren dispositivos de estimulación sensorial como auriculares y gafas LED. Otras máquinas de EEG están equipadas con estimuladores eléctricos.

El
proceso de fabricación

Las diferentes partes de una máquina EEG se producen por separado y luego son ensambladas por el fabricante principal antes del empaque. Estos componentes, incluidos los electrodos, el amplificador y los dispositivos de almacenamiento y salida, pueden ser suministrados por fabricantes externos o fabricados internamente.

Electrodos

• 1 Los electrodos de EEG generalmente se reciben de proveedores externos y se verifican para ver si cumplen con las especificaciones establecidas. Un tipo de electrodo que se usa comúnmente para la máquina de EEG es un electrodo de aguja. Estos pueden estar hechos de una barra de acero inoxidable. La barra se calienta hasta que se ablanda y luego se extruye para formar un tubo sin costura.
• 2 A continuación, se extrae el tubo para producir un tubo hueco fino. Estos tubos se cortan a la longitud deseada y luego se afilan cónicamente para producir una punta.
• 3 Para asegurar una fácil inserción, el tubo se pasa a través de un baño de politetrafluoroetileno (teflón) para proporcionar un recubrimiento resbaladizo y resistente a los productos químicos. A medida que el tubo sale del baño, se calienta para evaporar el disolvente y permitir que se adhiera el revestimiento.
• 4 Luego, el tubo se coloca mecánicamente en una pieza adaptadora de plástico que se fabrica con una máquina de moldeo por inyección. Esta pieza permite que las agujas desechables empaquetadas individualmente se conecten al cable conductor.
• 5 El cable conductor blindado está equipado con un adaptador que se puede conectar a la unidad principal.

Electrónica interna

• 6 Los amplificadores y el módulo de control de la computadora se ensamblan como cualquier otro equipo electrónico. Las configuraciones electrónicas se imprimen primero en placas de circuito. Las placas se pueden equipar con chips, condensadores, diodos, fusibles y otras partes electrónicas a mano o pasar a través de una máquina automatizada. Esta máquina funciona como una etiquetadora. Está cargado con numerosos carretes de componentes electrónicos y cabezales de colocación. Una computadora controla el movimiento de Un hombre sometido a un electroencefalograma, con un gorro equipado con electrodos. el tablero a través de la máquina. Cuando un tablero se mueve debajo de uno de los carretes componentes, un cabezal de colocación estampa la pieza electrónica en el tablero en las posiciones apropiadas. Cuando se completan, las placas se envían al siguiente paso para la soldadura por ola.
• 7 En el siguiente paso, una máquina de soldadura por ola fija los componentes electrónicos a la placa. Cuando las placas entran en esta máquina, se lavan con fundente para eliminar los contaminantes que podrían causar cortocircuitos.
• A continuación, se calientan 8 tablas mediante calor infrarrojo. La parte inferior de la placa se pasa sobre una tina de soldadura fundida. La soldadura se llena en las áreas necesarias a través de la acción capilar.
• 9 A medida que las placas se enfrían, la soldadura se endurece y los componentes electrónicos se mantienen en su lugar. Por lo general, en este punto se realiza una inspección visual para garantizar que las placas defectuosas sean rechazadas.

Amplificador

• 10 Las placas electrónicas del amplificador están ensambladas y fijadas a una carcasa. Por lo general, esto lo realizan operadores de línea que colocan físicamente las piezas en tableros prefabricados.
• 11 La carcasa está hecha de un plástico resistente que se construye mediante procesos típicos de moldeo por inyección. En este proceso, se crea un molde de dos piezas que tiene la forma inversa de la pieza deseada. El plástico fundido se inyecta en el molde y cuando se enfría, se forma la pieza. Para algunos modelos de EEG, el amplificador es una caja separada del tamaño de un libro de texto. Los lados exteriores de la caja tienen conectores donde se enchufan los electrodos y las líneas de conexión de la computadora.

Caja de control de la computadora

• 12 Una estación de EEG consta de un amplificador y una estación de control por computadora. Esta estación de control generalmente tiene una computadora de escritorio, un teclado y un mouse, una impresora a color y un monitor de video. Todos estos dispositivos son producidos por fabricantes externos y ensamblados por el fabricante de EEG.

Montaje final

• 13 Cada uno de los componentes de la máquina EEG O se junta y se coloca en un marco de metal apropiado. Este proceso lo realizan operadores de línea que trabajan en condiciones extremadamente limpias. Cuando los componentes están ensamblados, generalmente se colocan en un carro de acero resistente para que el dispositivo sea portátil.
• 14 Los dispositivos terminados se colocan en el embalaje final junto con accesorios como electrodos, software de computadora, papel de impresión y manuales.

Control de calidad

En cada paso del proceso de fabricación, se realizan inspecciones visuales y eléctricas para garantizar la calidad de cada dispositivo EEG que se produce. Dado que la fabricación de circuitos es sensible a la contaminación, los operadores de línea realizan el trabajo de montaje en salas limpias con flujo de aire controlado. Los operadores también deben usar ropa que no suelte pelusa para reducir la posibilidad de contaminación. El rendimiento funcional de cada dispositivo EEG completado también se prueba para asegurarse de que funcione. Esto se hace encendiendo el dispositivo, encendiéndolo y ejecutando una serie de pruebas estándar. Para simular el uso en la vida real, estas pruebas se realizan bajo diferentes niveles de calor y humedad.

En general, los fabricantes establecen sus propias especificaciones de calidad para sus máquinas EEG. Sin embargo, en los Estados Unidos, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) proporciona recomendaciones de producción que generalmente son adaptadas por la industria. Varias otras organizaciones médicas y gubernamentales también proponen estándares y sugerencias de desempeño. Algunos factores que se consideran importantes son los rangos de señal de entrada estandarizados, la precisión de la señal de calibración, las respuestas de frecuencia y la duración de la grabación.

El futuro

En el futuro, las máquinas EEG se mejorarán en su fabricación y sus aplicaciones. Desde el punto de vista de la fabricación, es probable que los componentes que forman la electrónica interna del dispositivo se vuelvan más pequeños. Esto permitirá máquinas más pequeñas y portátiles. También hará que los dispositivos sean menos costosos. Esto será importante porque algunos expertos sugieren que las aplicaciones futuras harán deseable que los consumidores individuales tengan máquinas de electroencefalograma.

Si bien las mejoras en la fabricación provendrán de la investigación realizada en el campo general de la fabricación electrónica, la investigación específica sobre las máquinas EEG se ha centrado en nuevos usos y aplicaciones. Por ejemplo, se ha introducido recientemente un dispositivo que puede permitir la detección de la enfermedad de Alzheimer. Esta máquina contiene una tapa que está equipada con electrodos. Cuando se usa, proporciona una imagen electrónica de la actividad cerebral del paciente. Esta imagen se compara con la actividad cerebral de personas sanas y se observan diferencias.

Se ha desarrollado una máquina similar que puede utilizar la información recibida de los electrodos de EEG para controlar las computadoras. Con este dispositivo, el usuario usa una gorra que contiene electrodos y mira la pantalla de una computadora. Después de una sesión de entrenamiento con la computadora, los usuarios han podido controlar el movimiento de un cursor en la pantalla simplemente usando sus pensamientos. Si se desarrolla por completo, esta tecnología podría ser un desarrollo revolucionario para los parapléjicos. Los consumidores individuales también pueden beneficiarse del uso de un dispositivo de este tipo para controlar las luces, las computadoras y los electrodomésticos del hogar con solo pensar.

Dónde obtener más información

Libros

Fisch, Bruce J. Fisch and Spehlmann's EEG Primer. Elsevier Science, 1999.

Othmer, Kirk. Enciclopedia de tecnología química. Vol. 22 de febrero de 1992.

Webster, J. G. Aplicación y diseño de instrumentación médica. 2ª ed. 1992.

Wong, Peter K. H. EEG digital en la práctica clínica. Lippincott Williams y Wilkins, 1995.

Otro

Sabbatini, Renato M.E. "Mapeo del cerebro". Cerebro y mente 15 de noviembre de 2001. .

Perry Romanowski