Index of /rozprawy2/11284

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki. Rozprawa doktorska. Detektor sygnałów elektrycznych autonomicznego układu nerwowego przewodu pokarmowego. Krzysztof Zaraska. PROMOTOR Prof. dr hab. inż. Wojciech Kucewicz. Kraków 2017.

(2) Streszczenie Neurostymulacja (lub neuromodulacja) jest metodą terapeutyczną polegającą na sztucznym pobudzaniu układu nerwowego pacjenta impulsami elektrycznymi. Urządzenie elektroniczne realizujące tą funkcję zwane jest neurostymulatorem. Jednym z obszarów neurostymulacji jest neurostymulacja wegetatywna, to jest neurostymulacja wegetatywnego (autonomicznego) układu nerwowego. W tym obszarze szczególnym zainteresowaniem cieszy się stymulacja nerwu błędnego (ang. Vagus Nerve Stimulation, VNS). Jednym z aktywnych obszarów badawczych dotyczących zastosowań VNS jest leczenie otyłości. Koncepcja zastosowania VNS do leczenia otyłości opiera się na obserwacji anatomicznej że nerw błędny przenosi informacje z receptorów umieszczonych w przewodzie pokarmowym (w szczególności żołądku) do mózgu. Spożycie pokarmu powoduje aktywację mechano- i chemoreceptorów żołądka, a przez to i wzrost aktywności nerwu błędnego. Zwiększona ilość impulsów nerwowych odbierana jest przez mózg jako uczucie sytości. Zatem sztuczne wprowadzanie impulsów do nerwu błędnego powinno spowodować wywołanie uczucia sytości, a w konsekwencji ograniczenie łaknienia i spadek masy ciała . Ze względu na rozmiary zwierząt doświadczalnych (szczury) nie jest możliwe zaadaptowanie do doświadczeń dostępnych na rynku urządzeń przeznaczonych do stosowania u ludzi. Dodatkowym problemem są wysokie ceny tego typu urządzeń, rozpoczynające się od poziomu kilku tysięcy euro za sztukę. Konieczne jest zatem konstruowanie urządzeń przeznaczonych specjalnie do omawianych zastosowań. Przedmiotem pracy jest opracowanie wszczepialnego, adaptatywnego neurostymulatora przeznaczonego do badań nad terapeutycznymi zastosowaniami neurostymulacji wegetatywnej na modelach zwierzęcych. Nowością opracowanego rozwiązania jest wyposażenie neurostymulatora w specjalizowany układ ASIC przeznaczony do ciągłego monitorowania aktywności nerwowej, w celu umożliwienia pracy urządzenia w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, to jest generowania impulsów jedynie w sytuacji braku naturalnego sygnału sytości. Praca obejmuje analizę naturalnej sygnalizacji nerwu błędnego u szczurów oraz opracowanie technik filtracji i dyskryminacji sygnału w celu umożliwienia analizy statystycznej impulsacji nerwu błędnego szczura pod kątem sposobu kodowania naturalnego sygnału sytości. Wiedza ta jest następnie wykorzystywana do zaprojektowania układu ASIC do analizy aktywności nerwowej w czasie rzeczywistym. Ostatecznie układ ASIC zostaje zintegrowany jako element wszczepialnego, programowalnego i adaptatywnego neurostymulatora..

(3) Abstract Neurostimulation (or neuromodulation) is a therapeutic method operating on the principle of artificial stimulation of the patient’s nervous system with electric pulses. An electronic device implementing this function is called a neurostimulator. One of the areas of neurostimulation is vegetative neurostimulation, i.e. neurostimulation of the vegetative (autonomous) nervous system. In this area of particular interest is vagus nerve stimulation (VNS). One of the active research areas in VNS is treatment of obesity. The concept of using VNS for obesity treatment is based on the observation that the vagus nerve carries signals from the receptors in the gastrointestinal tract (in particular stomach) to the brain. Food intake causes activation of mechanoand chemo-receptors in the stomach, which results in an increase of vagus nerve activity. This increased activity is in turn interpreted by the brain as a satiety signal. Therefore, artificially introducing signals into vagus nerve should cause a feeling of satiety and diminishing hunger, resulting in decreased body weight. Because of the size of animals (rats) used as experimental models, it is impossible to adapt existing commercial human neurostimulators for animal experimentation. An additional problem is high price of human-certified systems, starting at thousands of euros per device. It was therefore necessary to construct a device made especially for such applications. The subject of the thesis is development of an implantable, adaptive neurostimulator destined for experimentation into therapeutic applications of vegetative neurostimulation on animal models. A novelty of this system is equipping it with a specialized ASIC circuit for on-line monitoring of neural activity, in order to allow for closed-loop operation, i.e. generating pulses only in the absence of the natural satiety signal. The thesis includes analysis of natural vagus nerve signals in rats, and development of techniques for filtering and discriminating of signals in order to allow statistical analysis of vagus nerve signaling for discovering the natural method of coding of the satiety signal. This knowledge is then used to develop an ASIC circuit for real-time monitoring of neural activity. Finally the ASIC circuit is integrated as an element of an implantable, programmable and adaptive neurostimulator..

(4) Spis tre±ci Spis rysunków . Spis tablic . . . . Spis oznacze« . . Wst¦p . . . . . . Teza i cele pracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. Teza pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cele pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13 13. 1. Rejestracja i analiza sygnaªu nerwowego in vivo 1.1. 1.2. 1.3.. 1.4. 1.5.. 1.6.. 1.7.. Podstawy anatomiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rejestracja sygnaªu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura systemu analizuj¡cego . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Filtr detekcyjny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Generator poziomu odniesienia . . . . . . . . . . . 1.3.3. Komparator i klasykator . . . . . . . . . . . . . . Teoretyczne obliczenie ksztaªtu impulsu nerwowego . . . . Wªasno±ci statystyczne impulsacji nerwowej . . . . . . . . 1.5.1. Charakterystyki amplitudowe . . . . . . . . . . . 1.5.2. Charakterystyka czasowo-amplitudowa . . . . . . 1.5.3. Rozkªad ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werykacja poprawno±ci systemu analizuj¡cego . . . . . . 1.6.1. Statystyczna werykacja ró»nic pomi¦dzy grupami 1.6.2. Zmiany aktywno±ci nerwowej w czasie . . . . . . . 1.6.3. Analiza liczby aktywnych receptorów . . . . . . . 1.6.4. Porównanie z innymi pracami . . . . . . . . . . . 1.6.5. Korelacja aktywno±ci nerwowej z mas¡ ciaªa . . . 1.6.6. Wpªyw pr¦dko±ci propagacji sygnaªu w nerwie . . Wnioski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. Wykonanie ukªadu analizuj¡cego (ASIC) 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8.. 15 20 23 24 25 25 26 31 31 31 34 40 40 41 42 43 43 44 46. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. 48 51 53 57 57 61 69 71. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. Zaªo»enia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 1. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Model ukªadu przedwzmacniacza . . . . . . . . . . Dobór warto±ci elementów zewn¦trznych . . . . . . Porównanie ltrów CR-RC i dopasowanych . . . . Realizacja przedwzmacniacza w ukªadzie scalonym Realizacja bloku detektora . . . . . . . . . . . . . Badanie laboratoryjne ukªadu scalonego . . . . . . Badania ukªadu na zwierz¦tach . . . . . . . . . . . Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. Opracowanie ukªadu neurostymulatora 3.1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . ..

(5) 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15.. Konstrukcja urz¡dzenia . . . . . . . . . . . . . Proces produkcyjny . . . . . . . . . . . . . . . Protokóª komunikacyjny. . . . . . . . . . . . . Pobór pr¡du . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) . . . . Neurostymulator . . . . . . . . . . . . . . . . . Zegar czasu rzeczywistego . . . . . . . . . . . . Obsªuga detektora impulsów (NID_01) . . . . Maszyna wirtualna . . . . . . . . . . . . . . . . Konstrukcja czytnika . . . . . . . . . . . . . . Oprogramowanie czytnika - program RatComm Programowanie do±wiadcze« . . . . . . . . . . Próby neurostymulatora in vivo . . . . . . . . . Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Podsumowanie Bibliograa . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. 75 76 80 82 82 84 87 88 88 89 91 93 94 95. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.

(6) Spis rysunków 1. 2.. Porównanie rozmiarów szczura laboratoryjnego (u doªu), komercyjnego neurostymulatora Cyberonics VNS-A (u góry po prawej) i neurostymulatora opracowanego przez autora (u góry po lewej). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Symulacja modelu koncepcyjnego neurostymulatora adaptatywnego w programie Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.1. Anatomia komórki nerwowej. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Napi¦cie membrany Vm i konduktancja membrany dla jonów sodu GN a i potasu GK . Z [59], za zgod¡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Anatomia nerwu: (a) rysunek schematyczny oraz (b) obraz mikroskopowy przekroju. Z [92], za zgod¡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Przebieg nerwu bª¦dnego u czªowieka (z [33], z adnotacjami) . . . . . . . . . . . . . 1.5. Schemat elektrody do zapisu nerwu bª¦dnego (z [21], ze zmianami) . . . . . . . . . . 1.6. Schemat systemu detekcyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Zmiany warto±ci Un (liczonej w oknach dªugo±ci 60 s) dla przykªadowego zapisu. . . 1.8. Zale»no±¢ odwrotno±ci bª¦du ±redniokwadratowego (1/MSE) oraz staªych czasowych dla optymalnego dopasowania funkcji Vˆ w zale»no±ci od wspóªczynnika β . . . . . . 1.9. Odwrotno±¢ bª¦du ±redniokwadratowego 1/MSE w funkcji staªych czasowych. . . . . 1.10. Teoretyczny przebieg potencjaªu transmembranowego V (t) (linia ci¡gªa) oraz funkcje estymuj¡ce. (Potencjaª spoczynkowy przyj¦ty jako 0mV zamiast -70mV dla uproszczenia analizy). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11. Rodzina funkcji p¯v dla ró»nych pr¦dko±ci propagacji sygnaªu (τr = 5, 28ms,τf = 0, 13ms,β = 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12. Posta¢ czasowa teoretycznie obliczonego impulsu nerwowego Vˆ , impulsu po przej±ciu przez ltr górnopasmowy Vˆp , oraz odpowied¹ impulsowa ltru dopasowanego h. Vˆ (t) = (1 − e−t/τr )β e−t/τf , τr = 5.28ms, τf = 0.13ms, β = 4. . . . . . . . . . . . . . 1.13. Logarytm liczby zlicze« na sekund¦ w poszczególnych klasach amplitudowych. Kolor niebieski (*) - szczury najedzone, kolor czerwony (x) - szczury gªodne . . . . . 1.14. rednia liczba zlicze« na sekund¦ w kolejnych oknach . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.15. Histogram ±redniej liczby zlicze« w kolejnych oknach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16. Charakterystyka czasowo-amplitudowa przykªadowego zapisu. Kolory przedstawiaj¡ ilo±¢ zlicze« wewn¡trz ka»dej klasy w kolejnych oknach o dªugo±ci 60s. . . . . . . . 1.17. Wspóªczynnik korelacji liczby zlicze« w kolejnych klasach do liczby zlicze« w klasie A = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.18. Logarytmiczne rozkªady ISI dla szczurów najedzonych (kolor niebieski) i gªodnych (kolor czerwony): g¦sto±¢ prawdopodobie«stwa dla ró»nych interwaªów impulsów w mierze logarytmicznej. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.19. Dystrybuanty rozkªadów ISI z rys. 1.18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.20. Histogram Θ szczura gªodnego (sªupki) estymowany rozkªadem normalnym N (µ, σ) 1.21. Histogram Θ szczura najedzonego (sªupki) estymowany rozkªadem normalnym N (µ, σ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 11 12 16 17 19 20 22 24 25 28 28 29 30 30 32 32 33 33 34 35 35 37 37.

(7) 1.22. Parametry rozkªadu N (µ, σ) estymuj¡cego rozkªad Θ dla obu grup zwierz¡t. x - szczury najedzone, o - gªodne, + - ±rednie warto±ci dla danej grupy, numery odpowiadaj¡ masie caªa zwierz¡t [g]. Elipsy oznaczaj¡ odlegªo±¢ 1- i 2-odchyle« standardowych na osiach obydwu parametrów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.23. Po lewej: zale»no±¢ µ i σ - regresja liniowa: x - szczury najedzone, o - szczury gªodne; po prawej - zale»no±¢ µ i σ - regresja liniowa dla poª¡czonych grup . . . . 1.24. Po lewej: zmiany parametru µ w zale»no±ci od czasu pomi¦dzy zako«czeniem »erowania (w dobach) a rozpocz¦ciem zapisu (x - szczury najedzone, o - szczury gªodne). Po prawej: wyliczone teoretycznie zmiany ±redniej ilo±ci impulsów na sekund¦ w funkcji czasu od zako«czenia »erowania. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.25. (a) Zale»no±¢ rozkªadu ISI od liczby receptorów. (b) Zale»no±¢ parametrów rozkªadu ISI oraz wspóªczynnika dopasowania od liczby aktywnych receptorów. . . 1.26. Krzywe z rys. 1.25 (b) z zaznaczonymi warto±ciami ±rednimi parametrów µ i σ dla rzeczywistej grupy szczurów najedzonych (fed ) i gªodnych (fasted ). . . . . . . . . 1.27. Korelacja pomi¦dzy parametrem µ a mas¡ ciaªa zwierz¦cia. x - szczury najedzone, o - gªodne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.28. Korelacja pomi¦dzy parametrem σ a mas¡ ciaªa zwierz¦cia. x - szczury najedzone, o - gªodne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.29. rednie warto±ci parametru µ uzyskane w grupach przy zastosowaniu ltrów uwzgl¦dniaj¡cych pr¦dko±¢ propagacji sygnaªu w nerwie v . . . . . . . . . . . . . .. .. 39. .. 40. .. 41. .. 42. .. 42. .. 45. .. 45. .. 46. 2.1. Schemat modelu przedwzmacniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Pasmo przenoszenia modelu przedwzmacniacza: wyliczenie teoretyczne na podstawie ekwiwalentnego ltru cyfrowego (kolor niebieski) i zmierzona charakterystyka (kolor czerwony). Warto±ci wzgl¦dne, warto±¢ szczytowa = 0dB. . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Przebiegi uzyskane po podª¡czeniu nerwu zwierz¦cia do ukªadu pomiarowego. Górny przebieg: wyj±ciowy wzmocniony sygnaª ró»nicowy, przebieg ±rodkowy: wyj±cie wtórnika U1, sygnaª dolny: wyj±cie wtórnika U2. . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Powi¦kszenie pojedynczego impulsu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Rozkªady ISI uzyskane dla ró»nych rezystancji wej±ciowych wzmacniacza . . . . . . 2.6. Rozkªad statystyczny amplitudy zaobserwowanych impulsów w zale»no±ci od rezystancji wej±ciowej wzmacniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Ró»nica ±rednich warto±ci parametru µ pomi¦dzy grup¡ zwierz¡t gªodnych i najedzonych dla ró»nych warto±ci elementów C2 i C3 (wykres poziomicowy). . . . . 2.8. Wykres pudeªkowy statystyki parametru µ µ dla grupy szczurów gªodnych (G) i najedzonych (N) dla ró»nych ltrów. Szczegóªowy opis w tek±cie (pkt. 2.3). . . . . 2.9. Porównanie charakterystyk cz¦stotliwo±ciowych ltrów . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Schemat elektryczny bloku przedwzmacniacza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Schemat blokowy detektora impulsów. (Opublikowano w [46]). . . . . . . . . . . . . 2.12. Schemat elektryczny detektora impulsów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13. Schemat elektryczny ukªadu NID_01. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14. Schemat elektryczny ±rodowiska symulacyjnego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15. Wynik symulacji elektrycznej ukªadu po ekstrakcji z projektu topograi. (Opublikowano w [46]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.16. Projekt topograi ukªadu NID_01. (Opublikowano w [46]). . . . . . . . . . . . . . . 2.17. Widok wykonanego ukªadu scalonego, zamontowanego w obudowie. (Opublikowano w [46]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.18. Schemat ±rodowiska testowego ukªadu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19. Zdj¦cie zmontowanego ukªadu testuj¡cego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 4. 50 51 52 52 53 54 55 56 58 59 60 62 63 64 64 65 65 65.

(8) 2.20. Zdj¦cie stanowiska testowego, od lewej: zasilacz, generator arbitralny, ukªad badany oraz oscyloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.21. Napi¦cie wyj±ciowe przedwzmacniacza (kolor niebieski) w funkcji cz¦stotliwo±ci przy wysterowaniu sygnaªem 0,25mV (0,25V na wej±ciu ukªadu testuj¡cego). Kolorem ró»owym oznaczono poziom szumów wªasnych ukªadu. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22. Odpowied¹ przedwzmacniacza (kolor zielony) i detektora (kolor czerwony) na impuls prostok¡tny o amplitudzie 100mV wprowadzony na wej±cie ukªadu testuj¡cego (100 µV na wej±ciu przedwzmacniacza). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23. Odpowied¹ ukªadu na impuls rzeczywisty o amplitudzie 100µV . Po lewej: kolor zielony - sygnaª wej±ciowy do ukªadu testuj¡cego (przed dzielnikiem), kolor czerwony - wyj±¢ie przedwzmacniacza. Po prawej: wyj±cie przedwzmacniacza (kolor zielony) i wyj±cie detektora (kolor czerwony). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.24. Badanie odporno±ci na szumy - przykªadowe przebiegi. Sygnaª wej±ciowy (przed dzielnikiem) - przebieg biaªy, sygnaª wyj±ciowy przedwzmacniacza - kolor czerwony, sygnaª wyj±ciowy detektora - kolor zielony. Napi¦cie w [V], czas w [s]. Sygnaª wej±ciowy jest sygnaªem wzorcowym, bez dodatkowego szumu. . . . . . . . . . . . . 2.25. Badanie odporno±ci na szumy (jak rys. 2.24), sygnaª wej±ciowy z doªo»onym szumem gaussowskim o amplitudzie UN = 0, 3Up−p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.26. Odpowied¹ ukªadu na rzeczywisty sygnaª zapisany ze szczura najedzonego. Kolory jak na rys. 2.24). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.27. Uzyskane przebiegi z zaznaczonymi poziomami detekcji impulsów. . . . . . . . . . . 2.28. Histogramy warto±ci Θ (logarytm odst¦pu pomi¦dzy impulsami) dla przebiegów i progów detekcyjnych z rys. 2.27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Schemat neurostymulatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Zmontowany neurostymulator z zaznaczonymi blokami funkcjonalnymi. A mikroprocesor, B optyczny interfejs komunikacyjny, C blok generacji impulsów, D blok wzmacniacza i ukªad wej±ciowy, E ukªad ASIC. (Opublikowano w [101]). 3.3. Widok warstw sygnaªowych. (Opublikowano w [101]). . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Folia ceramiczna z nadrukowanymi warstwami sygnaªowymi dwóch wersji neurostymulatora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Folie ceramiczne z nadrukowanymi wzorami ±cie»ek nalnej wersji neurostymulatora 3.6. Zlaminowane struktury przed wypaªem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Zmontowany ukªad, podª¡czony do programatora SPI z wyj±ciem USB . . . . . . . . 3.8. Zahermetyzowany neurostymulator (ukªad NID_01 nie zamontowany) . . . . . . . . 3.9. Oscylogramy przebiegów na otwartych wyj±ciach elektrod (-) i (+) neurostymulatora. Ukªad generuje sekwencj¦ 5 impulsów bipolarnych, po czym przechodzi w stan wysokiej impedancji. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Widok wn¦trza czytnika. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11. Zespóª optoelektroniczny czytnika. Fotodioda (w ±rodku) otoczona podczerwonymi diodami LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12. Widok gªównego ekranu programu steruj¡cego implantem (RatComm). . . . . . . . 3.13. Program RatComm - konguracja maszyny wirtualnej . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14. Programowanie eksperymentu w ±rodowisku LabView . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15. Zrzut ekranu z programu komunikuj¡cego si¦ z urz¡dzeniem konguracja moduªu komunikacyjnego: bardzo dobry poziom sygnaªu odbieranego z programatora (ADClow=255, maksimum), przy braku zakªóce« (ADChigh=0; por. pkt. 3.4). Pr¦dko±¢ transmisji 300bit/s. Ukªad #FA23, dla pozostaªych neurostymulatorów wyniki identyczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 66 66 67. 67. 68 68 69 70 71 75 76 77 78 78 78 79 79 87 91 91 92 92 93. 94.

(9) 3.16. Ukªad #FA23, przebiegi uzyskane in vivo, impuls dªugo±ci 10ms. Po lewej: napi¦cie na ko«cówkach stymulatora podª¡czonych do nerwu, (U_POS, U_NEG) oraz impuls steruj¡cy (U_PINPIN napi¦cie pomi¦dzy ko«cówkami PB0 i PB1); po prawej impedancja wej±ciowa nerwu wyliczona z napi¦cia dla ko«cówki POS(+) oraz NEG(-) odpowiednio przebiegi Z_IN+ i Z_IN-. Góra: impuls dodatni, dóª: impuls ujemny. Pocz¡tkowy (przed impulsem), spoczynkowy potencjaª obydwu ko«cówek ok. 1,5V. Napi¦cie na nerwie to ró»nica napi¦¢ U_POS i U_NEG. . . . . 3.17. Ukªad #6881, przebiegi uzyskane in vivo, impuls dªugo±ci 10ms. Patrz opis do rys. 3.16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18. Ukªad #7C05, przebiegi uzyskane in vivo, tylko impuls ujemny dªugo±ci 10ms. Patrz opis do rys. 3.16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.19. Ukªad #95FD (uszkodzenie), przebiegi uzyskane in vivo, impuls dªugo±ci 10ms. Patrz opis do rys. 3.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96 97 97 98.

(10) Spis tablic 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.. Rodzaje wªókien nerwowych (na podstawie[35, 57]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wykonane zapisy aktywno±ci nerwu bª¦dnego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porównanie parametrów rozkªadu Θ - szczury najedzone . . . . . . . . . . . . . . . . Porównanie parametrów rozkªadu Θ - szczury gªodne . . . . . . . . . . . . . . . . . Liczba zlicze« impulsów na sekund¦ uzyskana w [50] oraz niniejszej pracy. Warto±ci ±rednie dla grup zwierz¡t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Warto±ci wspóªczynnika korelacji pomi¦dzy parametrami µ i σ a mas¡ ciaªa dla obydwu grup zwierz¡t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Statystyka ilo±ci impulsów n wykrytych przez detektor w sygnale testowym, dla ró»nych poziomów szumów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.. Kody polece« dla mikrokontrolera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typy ramek stosowane w transmisji od implantu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wykaz rejestrów konguracyjnych implantu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zmierzony pobór pr¡du przez urz¡dzenie w zale»no±ci od temperatury i trybu pracy Wykaz instrukcji maszyny wirtualnej. n - 4-bitowy numer rejestru. := oznacza przypisanie. xx oznacza adres bajt pami¦ci programu; je±li xx ma warto±¢ FFh, adres pobierany jest z rejestru r0. * oznacza, »e instrukcja mo»e by¢ wyª¡czona na etapie kompilacji w celu zmniejszenia wymaga« pami¦ciowych. . . . . . . . . . . . .. 7. 18 23 38 38 44 44 69 83 84 85 85. 90.

(11) Spis oznacze« Symbol. Znaczenie. Równanie. U I σ S Vi Vo V Λ s L v φ. napi¦cie. potencjaª u±redniony po obwodzie wewn¡trz elektrody. 1.14. φ¯. znormalizowany potencjaª u±redniony po obwodzie. pr¡d przewodno±¢ o±rodka (dla elektrody r¦kawowej). 1.2. pole przekroju. 1.2. potencjaª wewn¡trz nerwu. 1.2. potencjaª na zewn¡trz nerwu. 1.3. potencjaª transmembranowy (napi¦cie membrany). 1.7. wspóªczynnik skaluj¡cy elektrody r¦kawowej. 1.8. sygnaª z nerwu. pkt. 1.3. dªugo±¢ r¦kawa. 1.14. pr¦dko±¢ propagacji sygnaªu w nerwie. 1.14. r¦kawowej 1.16. wewn¡trz elektrody r¦kawowej. p p¯ α Vˆ τr τf β A. funkcja opisuj¡ca ksztaªt impulsu. 1.15. znormalizowana funkcja opisuj¡ca ksztaªt impulsu. 1.17. wspóªczynnik skaluj¡cy impulsu. 1.17. funkcja aproksymuj¡ca potencjaª transmembranowy. 1.18. czas narastania. 1.18. czas opadania. 1.18. liczba stopni ró»niczkuj¡cych. 1.18. klasa amplitudowa impulsu (zdyskretyzowany. 1.20. wspóªczynnik skaluj¡cy). θn θ¯ m(θ) Θn. ci¡g odst¦pów czasowych pomi¦dzy impulsami warto±¢ ±rednia mediana. θn. 1.21 1.27. θn. 1.27. zlogarytmowany ci¡g odst¦pów czasowych pomi¦dzy. log10 θn ±rednia z Θn. 1.22. impulsami. µ σ σ ˆ ρ m. warto±¢. odchylenie standardowe z estymator. σ. wspóªczynnik korelacji masa ciaªa. 8. 1.23. Θn. 1.24 1.29.

(12) Wst¦p Neurostymulacja (lub neuromodulacja) jest metod¡ terapeutyczn¡ polegaj¡c¡ na sztucznym pobudzaniu ukªadu nerwowego pacjenta impulsami elektrycznymi. Urz¡dzenie elektroniczne realizuj¡ce t¡ funkcj¦ zwane jest neurostymulatorem. Metoda ta stosowana jest klinicznie od 1967 roku.. Pierwszym obszarem powszechnego zastosowania byªo lecze-. nie chronicznego bólu poprzez blokowanie przewodnictwa nerwów czuciowych impulsami elektrycznymi [19, 53]. Jednym z obszarów neurostymulacji jest neurostymulacja wegetatywna, to jest neurostymulacja wegetatywnego (autonomicznego) ukªadu nerwowego.. W tym obszarze. szczególnym zainteresowaniem cieszy si¦ stymulacja nerwu bª¦dnego (ang. Vagus Nerve Stimulation, VNS). Historia VNS si¦ga lat 80-tych XIX wieku i bada« ameryka«skiego neurologa Jamesa Leonarda Corninga. Corning zaobserwowaª »e mechaniczny ucisk okolic t¦tnicy szyjnej, a co za tym idzie zmniejszenie dopªywu krwi do mózgu, powoduje zªagodzenie objawów podczas ataku epilepsji i opracowaª szereg przyrz¡dów mechanicznych sªu»¡cych do ucisku t¦tnicy szyjnej. Eksperymentuj¡c nad dalszym udoskonaleniem metody, Corning zacz¡ª stosowa¢ pr¡d elektryczny w celu wywoªania skurczu mi¦±ni szyi dla zw¦»enia t¦tnicy szyjnej równie» uzyskuj¡c efekt terapeutyczny [35]. Corning nie byª jednak ±wiadomy faktu, »e autonomiczny ukªad nerwowy (w skªad którego wchodzi nerw bª¦dny znajduj¡cy si¦ w pobli»u t¦tnicy szyjnej) mo»e sterowa¢ dziaªaniem centralnego ukªadu nerwowego (którego chorob¡ jest epilepsja) i nie zauwa»yª »e odkryª metod¦ leczenia epilepsji poprzez elektrostymulacj¦ nerwu bª¦dnego (VNS) [26, 35]. Ponowne odkrycie VNS zawdzi¦czamy Baileyowi i Bremerowi, którzy w 1938 stwierdzili wpªyw VNS na mózg kota [26, 35], natomiast 11 lat pó¹niej stwierdzono wyst¦powanie analogicznego zjawiska u maªp [35]. Pierwsze badania kliniczne dotycz¡ce zastosowania VNS u ludzi do leczenia epilepsji lekoopornej przeprowadziª Penry w 1988 [35] Pierwsze neurostymulatory do stosowania u ludzi zostaªy dopuszczone na rynek w poªowie lat 1990-tych, a do 2004 r. metod¦ zastosowano u ponad 29 tysi¦cy pacjentów z epilepsj¡ [35]. Dost¦pno±¢ dopuszczonych do stosowania u ludzi neurostymulatorów (opracowanych na potrzeby leczenia epilepsji) spowodowaªa, »e od ko«ca lat 90-tych XX wieku nast¡piª gwaªtowny rozwój bada« nad zastosowaniem VNS do leczenia innych schorze« centralnego ukªadu nerwowego, takich jak depresja [26, 70], migreny [86, 24], zaburzenia l¦kowe [35] oraz zaburzenia erekcji [35].. Stwierdzono tak»e, »e VNS mo»e powstrzymywa¢ rozwój. przewlekªych stanów zapalnych w schorzeniach takich jak dna moczarowa [48] i cukrzyca insulinooporna [13]. Poniewa» nerw bª¦dny ª¡czy mózg z ukªadem pokarmowym (»oª¡dkiem), prowadzone s¡ badania w kierunku zastosowania VNS w leczeniu schorze« takich jak gastropareza, reuks, astma, oraz otyªo±¢ [53]. Pomimo faktu, »e terapia VNS jest obecnie (2017) dopuszczona w leczeniu padaczki i depresji lekoopornej, i pomimo ci¡gªych bada« nad zastosowaniem VNS w leczeniu innych schorze« dokªadny mechanizm dziaªania VNS na organizm w dalszym ci¡gu nie. 9.

(13) jest znany [18, 74, 60], co skutkuje konieczno±ci¡ dalszego prowadzenia prac badawczych. Stymulacja nerwu bª¦dnego mo»e by¢ prowadzona metodami inwazyjnymi b¡d¹ nieinwazyjnymi. Metoda inwazyjna polega na umieszczeniu neurostymulatora w ciele pacjenta na tuªowiu pod skór¡ i poprowadzeniu pod skór¡ elektrod do odcinka szyjnego nerwu bª¦dnego. Metoda ta jest obecnie stosowana klinicznie. Zasadniczym problemem badawczym w omawianej metodzie jest kwestia doboru parametrów pracy neurostymulatora (ksztaªt, czas trwania i cz¦stotliwo±¢) impulsów w celu uzyskania efektu terapeutycznego.. O ile znane s¡ parametry impulsów stosowanych klinicznie w leczeniu padaczki. [35], to w przypadku innych chorób w dalszym ci¡gu prowadzone s¡ prace badawcze maj¡ce na celu okre±lenie optymalnych parametrów pracy neurostymulatora.. Metody. nieinwazyjne (ang. tVNS, transcutaneous VNS) polegaj¡ na zastosowaniu zewn¦trznych pól magnetycznych do wyindukowania pr¡du w nerwach. Metody nieinwazyjne ciesz¡ si¦ obecnie zainteresowaniem badawczym (z uwagi na eliminacj¦ interwencji chirurgicznej), natomiast w dalszym ci¡gu nie posiadaj¡ potwierdzonej warto±ci terapeutycznej [27, 63]. Nie powinno to jednak dziwi¢, bior¡c pod uwag¦ »e do problemu doboru parametrów stymulacji dochodzi problem doboru re»imu pracy generatora pola elektromagnetycznego tak, aby wywoªa¢ przepªyw impulsów w nerwie oddzielonym od generatora centymetrow¡ warstw¡ mi¦±ni i skóry.. Szczegóªowe porównanie metod inwazyjnych i nieinwazyjnych. mo»na znale¹¢ w [5]. Jednym z aktywnych obszarów badawczych dotycz¡cych zastosowa« VNS jest leczenie otyªo±ci. Koncepcja zastosowania VNS do leczenia otyªo±ci opiera si¦ na obserwacji anatomicznej »e nerw bª¦dny przenosi informacje z receptorów umieszczonych w przewodzie pokarmowym (w szczególno±ci »oª¡dku) do mózgu. Spo»ycie pokarmu powoduje aktywacj¦ mechano- i chemoreceptorów »oª¡dka, a przez to i wzrost aktywno±ci nerwu bª¦dnego. Zwi¦kszona ilo±¢ impulsów nerwowych odbierana jest przez mózg jako uczucie syto±ci. Zatem sztuczne wprowadzanie impulsów do nerwu bª¦dnego powoduje wywoªanie uczucia syto±ci, a w konsekwencji ograniczenie ªaknienia i spadek masy ciaªa [34, 51, 52, 49]. Dalsze badania w tym zakresie wykazaªy jednak »e efekt ograniczenia ªaknienia i spadku masy ciaªa nie zawsze wyst¦puje [18], ale za to zaobserwowano efekt przyspieszenia metabolizmu [95].. Dokªadny opis dziaªania nerwowych oraz hormonalnych mechanizmów. regulacji apetytu mo»na znale¹¢ w [90, 22]. Badania w zakresie zastosowania VNS do leczenia otyªo±ci na modelach zwierz¦cych byªy prowadzone w Katedrze Patozjologii Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiello«skiego w Krakowie pocz¡wszy od 2001 r. [51, 52, 49]. Ze wzgl¦du na rozmiary zwierz¡t do±wiadczalnych (szczury, rys. 1), nie byªo mo»liwe zaadaptowanie do do±wiadcze« dost¦pnych na rynku urz¡dze« przeznaczonych do stosowania u ludzi. Dodatkowym problemem stanowiªy wysokie ceny tego typu urz¡dze«, rozpoczynaj¡ce si¦ od poziomu kilkuset euro za sztuk¦. Konieczne byªo zatem konstruowanie urz¡dze« przeznaczonych specjalnie do omawianych zastosowa«. Pierwsza wersja neurostymulatora zostaªa opracowana przez dr in». M. Lipi«skiego z AGH w 2001 r. [55]. Jak wyja±niono powy»ej, istotnym problemem praktycznym zwi¡zanym ze stosowaniem VNS w leczeniu otyªo±ci jest kwestia doboru parametrów pracy ukªadu generatora stymuluj¡cego nerw bª¦dny. W szczególno±ci, zasadnicze znaczenie ma kwestia odpowiedniego doboru czasowego rozkªadu generowanych impulsów. Wcze±niejsze do±wiadczenia ze stosowania VNS do kontroli apetytu u szczurów oraz pomiary aktywno±ci nerwu bª¦d-. 10.

(14) Rysunek 1. Porównanie rozmiarów szczura laboratoryjnego (u doªu), komercyjnego neurostymulatora Cyberonics VNS-A (u góry po prawej) i neurostymulatora opracowanego przez autora (u góry po lewej).. nego. in vivo. [50] wskazywaªy na istnienie korelacji pomi¦dzy spo»yciem pokarmu a ak-. tywno±ci¡ elektryczn¡ nerwu bª¦dnego, ale istniaªy du»e rozrzuty cz¦stotliwo±ci impulsów (odchylenie standardowe serii na poziomie 30% warto±ci ±redniej). Na tej podstawie wywnioskowano, »e musz¡ istnie¢ du»e ró»nice osobnicze pomi¦dzy badanymi zwierz¦tami. To z kolei oznacza, »e stosowanie staªych parametrów pracy neurostymulatora, jakkolwiek. Konieczne byªo zatem opracowanie neurostymulatora nowej generacji, wyposa»onego w mechanizm adaptatywnej regulacji parametrów generowanego sygnaªu. zasadniczo skuteczne [51, 49, 30, 31, 84, 69] jest z denicji nieoptymalne.. Problem konstrukcji neurostymulatora adaptatywnego mo»na rozwi¡za¢ na dwa spo-. soby. Pierwszym sposobem jest przez skonstruowanie zdalnie sterowanego neurostymulatora i r¦czny dobór parametrów jego pracy na podstawie pomiaru ilo±ci pokarmu spo»ywanego przez zwierz¦. Cho¢ pierwsze doniesienie literaturowe o konstrukcji zdalnie sterowanego neurostymulatora dla zwierz¡t do±wiadczalnych pochodzi z 2005 r. ukªad dr M. Lipi«skiego z AGH posiadaª tak¡ funkcjonalno±¢ ju» w 2001 r.. [93],. [55], ale. zaproponowane przez niego rozwi¡zanie nie byªo stosowane w praktyce bada« realizowanych w CMUJ. W 2005 r. w ITE opracowano przy udziale autora ukªad neurostymulatora sterowanego bezpo±rednio zewn¦trznym polem magnetycznym. [104, 99, 105].. zintegrowanie we wn¦trzu urz¡dzenia automatycznego ukªadu mierz¡cego w czasie rzeczywistym aktywno±¢ nerwow¡ i dobór parametrów pracy neurostymulatora na zasadzie Drugim sposobem konstrukcji neurostymulatora adaptatywnego jest. ujemnego sprz¦»enia zwrotnego. Studium koncepcyjne ukªadu przedstawiono na rys. 2. Wzmocniony sygnaª z nerwu (przebieg. input ). wprowadzany jest na komparator wykry-. waj¡cy impulsy, a wykryte impulsy zliczane s¡ przez integrator. Spadek ilo±ci obserwowanych impulsów w jednostce czasu poni»ej zadanego progu powoduje podª¡czenie do nerwu generatora impulsów (przebieg. output ). 11.

(15) Rysunek 2. Symulacja modelu koncepcyjnego neurostymulatora adaptatywnego w programie Simulink. W urz¡dzeniu opisanym w rozprawie zastosowano obydwa podej±cia jednocze±nie..

(16) Teza i cele pracy Teza pracy Na podstawie analizy sygnaªu z nerwu bª¦dnego istnieje mo»liwo±¢ rozró»nienia stanu syto±ci osobnika Werykacja tezy zawarta jest w pkt. 1.6 pracy.. Cele pracy 1.. Cele poznawcze: ustalenie zjologicznych parametrów aktywno±ci elektrycznej nerwu bª¦dnego. a). Analiza matematyczna zapisów z nerwu bª¦dnego, pod k¡tem ustalenia optymalnego sposobu ltrowania i przetwarzania sygnaªu. Realizacja tego punktu obejmowaªa wykonanie zapisów nerwu bª¦dnego dla szczurów gªodnych i najedzonych (pkt. 1.2), teoretyczn¡ analiz¦ propagacji sygnaªu nerwowego w celu teoretycznego okre±lenia sposobu ltrowania sygnaªu (pkt.. 1.4) i opracowanie. oprogramowania analizuj¡cego (pkt. 1.3). b). Okre±lenie istotnych wªasno±ci statystycznych zapisu nerwu bª¦dnego. W ramach realizacji tego celu, okre±lono wªasno±ci statystyczne naturalnie obserwowanych sygnaªów w nerwie bª¦dnym (pkt.. 1.5), dokonano analizy impulsów. pod wzgl¦dem amplitudy oraz interwaªów i zbadano wyst¦puj¡ce rozkªady statystyczne parametrów. Stwierdzono, »e rozkªad czasowy odst¦pów pomi¦dzy impulsami mo»e by¢ estymowany rozkªadem log-normalnym (pkt.. 1.5.3).. Umo»liwia. to opisanie aktywno±ci nerwu przy pomocy pary liczb, b¦d¡cej parametrami rozkªadu. W szczególno±ci, istotny jest parametr logarytmu odst¦pu pomi¦dzy impulsami.. µ,. odpowiadaj¡cy warto±ci ±redniej. Stwierdzono, »e istnieje korelacja po-. mi¦dzy spo»yciem pokarmu a zdeniowanymi w poprzednim punkcie parametrami aktywno±ci nerwowej (pkt. 1.6). Okre±lono wpªyw spo»ycia pokarmu na warto±¢ parametru. µ. oraz wpªyw ró»nic osobniczych, w szczególno±ci masy ciaªa (pkt.. 1.6.5). Stwierdzono ponadto jakie rodzaje wªókien nerwowych w nerwie bª¦dnych przenosz¡ informacje o gªodzie i syto±ci (pkt. 1.6.6) 2.. Cele techniczne: a). Konstrukcja ukªadu scalonego do pomiaru aktywno±ci elektrycznej nerwu bª¦dnego. Realizacja tego celu opisana jest w rozdziale 2 i obejmowaªa opraco-. wanie i przebadanie modelu wzmacniacza sygnaªów nerwowych, wykonanego z elementów dyskretnych, oraz zaprojektowanie i wykonanie ukªadu scalonego CMOS, realizuj¡cego funkcje przedwzmacniacza oraz detektora impulsów. ukªad zwerykowano warunkach laboratoryjnych (pkt. (pkt. 2.7). b). Opracowany. 2.6) oraz na zwierz¦tach. Konstrukcja sterowanego neurostymulatora mog¡cego generowa¢ zbli»on¡ do zjologicznej aktywno±¢ nerwu bª¦dnego. Realizacja tego celu 13.

(17) opisana jest w Rozdziale 3.. Opracowano konstrukcj¦ neurostymulatora zawie-. raj¡cego opracowany ukªad scalony (pkt.. 3.1 i dalsze).. Opracowano optyczny. system komunikacyjny umo»liwiaj¡cy komunikacj¦ z neurostymulatorem, nieinwazyjn¡ kontrol¦ jego stanu oraz wskaza« detektora impulsów (pkt. 3.4) oraz zidentykowanie zwierz¦cia do±wiadczalnego na podstawie odczytu unikalnego numeru seryjnego urz¡dzenia. Opracowano oprogramowanie urz¡dzenia, zapewniaj¡ce jego maksymaln¡ elastyczno±¢, poprzez zapewnienie mo»liwo±ci (prze-)programowania urz¡dzenia po wszczepieniu (pkt. 3.10). Ponadto zwerykowano. in vivo. dziaªanie. systemu komunikacyjnego oraz dokonano pomiarów impedancji wej±ciowej nerwu bª¦dnego (pkt. 3.14)..

(18) 1. Rejestracja i analiza sygnaªu nerwowego in vivo Niniejszy rozdziaª opisuje prace autora w zakresie analizy sygnaªu z nerwu bª¦dnego, pod k¡tem okre±lenia sygnalizacji odpowiedzialnej za kontrol¦ apetytu. Celem prac jest stworzenie specykacji dla scalonego wzmacniacza sygnaªu nerwowego, którego konstrukcja opisana jest w rozdziale 2.. Wreszcie rozdziaª 3 opisuje konstrukcj¦ adaptatywnego. neurostymulatora wyposa»onego we wzmacniacz sygnaªu nerwowego, co umo»liwia regulacj¦ generowanych impulsów na podstawie obserwowanej aktywno±ci nerwowej. Zadanie obejmowaªo wykonanie zapisów aktywno±ci nerwu bª¦dnego. in vivo dla szczu-. rów gªodnych i najedzonych przy u»yciu stacjonarnej (nie wszczepialnej) aparatury pomiarowej (pkt.. 1.2), opracowanie oprogramowania analizuj¡cego w ±rodowisku MA-. TLAB/Octave (pkt. 1.3) oraz przeprowadzenie analizy statystycznej zapisów pod k¡tem okre±lenia obrazu statystycznego impulsacji nerwowej i jej zmian pod wpªywem spo»ycia pokarmu (pkt. 1.5 i kolejne). Z uwagi na niewielkie amplitudy poszukiwanego sygnaªu nerwowego, b¦d¡ce na poziomie 10-100µV (patrz pkt. 1.2) krytyczne znaczenie ma odpowiednia ltracja sygnaªu. Problem ten zostaª rozwi¡zany poprzez analiz¦ matematyczn¡ modelu przewodnictwa nerwowego Hodgkina-Huxleya w celu wyliczenia podziewanego ksztaªtu impulsu nerwowego (pkt.. 1.4).. Nast¦pnie wyliczony teoretycznie ksztaªt impulsu jest wykorzystywany do. skonstruowania ltrów dopasowanych, które wykorzystywane s¡ do analizy wykonanych zapisów w drodze programowej. Dysponuj¡c detektorem, nast¦pnie dokonano obliczenia statystyk impulsów dla zwierz¡t gªodnych i najedzonych (pkt. 1.5). Na tej podstawie, udaªo si¦ zdeniowa¢ u»yteczny sposób opisu sygnaªu, jakim jest statystyka rozkªadu odst¦pów pomi¦dzy impulsami (zdeniowana dalej jako. θ). oraz jej posta¢ logarytmiczna (zdeniowana dalej jako. Θ).. Dys-. ponuj¡c statystyk¡ opisow¡ rozkªadu impulsów, zdeniowano u»yteczn¡ miar¦ impulsacji nerwowej (µ) jako warto±ci ±redniej z rozkªadu analiz¦ wpªywu spo»ycia pokarmu na warto±¢. Θ. Na tej podstawie, przeprowadzono µ i okre±lono wpªyw ró»nic osobniczych. (pkt. 1.6). Ponadto przeprowadzono analiz¦ identykuj¡c¡ które wªókna nerwu bª¦dnego bior¡ udziaª w sygnalizacji spo»ycia pokarmu (pkt. 1.6.6). Wiedz¦ na temat ltracji i detekcji sygnaªów, uzyskan¡ w czasie tworzenia oprogramowania, wykorzystano nast¦pnie na etapie budowy scalonego ukªadu detekcji impulsów (rozdziaª 2).. 1.1. Podstawy anatomiczne Zasadniczym elementem ukªadu nerwowego s¡ komórki nerwowe, zwane neuronami. Anatomia neuronu przedstawiona jest na rys. 1.1. Elementami neuronu s¡: ciaªo komórki, 15.

(19) Rysunek 1.1. Anatomia komórki nerwowej.. dendryty odbieraj¡ce sygnaªy z innych neuronów, oraz akson, przenosz¡cy sygnaªy elektryczne do kolejnej komórki. W przypadku neuronów czuciowych, ciaªo komórki zawiera receptor reaguj¡cy na okre±lone bod¹ce; dla neuronów umieszczonych na powierzchni »oª¡dka s¡ to mechanoreceptory reaguj¡ce na rozci¡ganie »oª¡dka po spo»yciu pokarmu, b¡d¹ te» chemoreceptory reaguj¡ce na okre±lone substancje chemiczne. U czªowieka, dªugo±¢ aksonu mo»e wynosi¢ od kilku mikrometrów (w przypadku neuronów w mózgu) do ponad jednego metra w przypadku nerwu ª¡cz¡cego du»y palec u nogi z rdzeniem kr¦gowym. Aksony, w zale»no±ci od typu, mog¡ posiada¢ osªonki mielinowe (mielina peªni funkcj¦ izolatora, który powoduje przyspieszenie propagacji sygnaªu w nerwie). W przypadku aksonów zmielinowanych, odsªoni¦te fragmenty aksonu nazywane s¡ w¦zªami Ranviera.. Transmisja sygnaªu w nerwie zachodzi poprzez wymian¦ jonów. sodu, wapnia i potasu pomi¦dzy wn¦trzem a otoczeniem neuronu (aksonu); zjawisko to zostaªo opisane przez Hodgkina i Huxleya w 1952 r.. w pracy [44] W przypadku akso-. nów niemielinowanych proces wymiany zachodzi na caªej dªugo±ci aksonu, natomiast w przypadku aksonów zmielinowanych tylko w w¦zªach Ranviera. [59, 57] Rozwa»my mielinowany nerw umieszczony w niesko«czonym, uziemionym pojemniku z sol¡ zjologiczn¡, ograniczaj¡c analiz¦ to pojedynczego w¦zªa Ranviera. W stanie spoczynkowym wn¦trze aksonu znajdowa¢ si¦ b¦dzie na potencjale okoªo -65mV; potencjaª + ten jest wynikiem ró»nicy w st¦»eniu jonów N a pomi¦dzy wn¦trzem aksonu a o±rodkiem (potencjaª elektrochemiczny Nernsta). Je±li napi¦cie membrany przekroczy napi¦cie progowe -45mV nast¦puje otwarcie kanaªów jonowych, które selektywnie zasysaj¡ jony N a+ z otoczenia. W modelu Hodgkina-Huxleya jest to ujmowane jako zwi¦kszenie kon+ duktancji membrany widzianej przez jony N a na zewn¡trz aksonu GN a , czyli zwi¦kszenie + pr¡du jonów N a przepªywaj¡cego przez membran¦. Prowadzi to do dalszego wzrostu potencjaªu wewn¡trz aksonu i powstania dodatniego sprz¦»enia zwrotnego. Zjawisko to trwa do chwili a» wn¦trze aksonu osi¡gnie potencjaª okoªo +60mV i transport sodu ustaje. + Jednocze±nie nast¦puje aktywacja kanaªów potasowych i wypªyw jonów K na zewn¡trz komórki; po ustaniu transportu sodu mechanizm ten odpowiada za powrót do napi¦cia spoczynkowego (rys. 1.2). [59, 57] Propagacja sygnaªu wzdªu» nerwu nast¦puje w ten sposób, »e depolaryzacja membrany w jednym w¦¹le Ranviera o numerze. N. 16. powoduje zmian¦ koncentracji jonów w.

(20) Rysunek 1.2. Napi¦cie membrany Vm i konduktancja membrany dla jonów sodu GN a i potasu GK . Z [59], za zgod¡.. s¡siednim (N +1) w¦¹le, co prowadzi do przekroczenia napi¦cia progowego i uruchomienia jego pompy jonowej. Wzrost potencjaªu wewn¡trzkomórkowego w¦zªa uruchomienie pompy w¦zªa. N +2 i tak dalej.. N +1. powoduje. Szczegóªow¡ analiz¦ matematyczn¡ propaga-. cji sygnaªu w pojedynczym wªóknie nerwowym mo»na znale¹¢ w [3, 4, 16, 29, 40, 78, 96]. Analiza dla wªókien pozbawionych otoczki mielinowej jest analogiczna jak dla wªókien zmielinowanych przy zaªo»eniu »e w¦zªy Ranviera s¡ punktowe i znajduj¡ si¦ niesko«czenie blisko siebie [61]. Porównanie gªównych rodzajów wªókien nerwowych przestawiono w tabeli 1.1. Jak mo»na zauwa»y¢, pr¦dko±¢ propagacji zwi¡zana jest ze ±rednic¡ wªókna; teoretyczne wyja±nienie tego zjawiska mo»na znale¹¢ w [32]. Aksony biegn¡ce z jednego obszaru ciaªa zbierane s¡ w wi¡zki nerwowe, ª¡cz¡ce si¦ hierarchicznie w nerwy.. Anatomi¦ pojedynczego nerwu przedstawia rys.. 1.3.. Nale»y. w tym momencie podkre±li¢, »e z uwagi na konieczno±¢ zachowania integralno±ci nerwu, wszelkie elektrody - zarówno pomiarowe jak i stymulacyjne - umieszczane s¡ na zewn¡trz nerwu.. Analiz¦ teoretyczn¡ pól elektromagnetycznych (a co za tym idzie mierzonych. napi¦¢) wokóª osiowo symetrycznego pojedynczego aksonu w wolnej przestrzeni przeprowadziª Clark w 1966 r. [14], a 2 lata pó¹niej rozszerzyª j¡ dla aksonu w wi¡zce nerwowej [15]. W 1987 Ganapathy [23] opublikowaª bardziej szczegóªow¡ analiz¦ opart¡ na rozwi¡zaniu numerycznym modelu Clarka. Wedªug Clarka, w przypadku nerwu umieszczonego w niesko«czonym pojemniku z sol¡ zjologiczn¡, propaguj¡cy si¦ wewn¡trz nerwu sygnaª o amplitudzie 120mV (potencjaª transmembranowy Hodgkina-Huxleya) odpowiada zmianom potencjaªu na zewn¦trznej powierzchni nerwu o wielko±ci 1 Rys.. µV .. 1.4 przedstawia lokalizacj¦ nerwu bª¦dnego u czªowieka (anatomia u innych. ssaków, w szczególno±ci szczurów, jest analogiczna). W terapii neurostymulatorem (b¡d¹ 17.

(21) 18 Tablica 1.1. Rodzaje wªókien nerwowych (na podstawie[35, 57]) nacisk, ból (ostry). Dotyk, temperatura, ruch. Dotyk, nacisk, wibracja. Temperatura,. pokarmowego,. pokarmowego. dotyk. temperatura,. ból (pal¡cy),. gªadkich przewodu. gªadkich przewodu. ruch mi¦±ni. ruch mi¦±ni. naczy« krwiono±nych,. krwiono±nych,. naczy«. Rozszerzanie. mechaniczne. Chemiczne,. 1. Rozszerzanie. Mechaniczne. 7. 0,3-6. Nie. 0,4-2. C. Nerwy ruchowe. Mechaniczne. 15. 0,04-0,6. Tak. <3. B. receptorów. Mechaniczne. 20. Tak. 4. Aδ. Gªówna funkcja. Mechaniczne. 50. 0,02-0,2. Tak. 5. Aγ. -. [m/s]. 100. Tak. 8. Aβ. Rodzaj. propagacji. pr¦dko±¢. Typowa. [mA]. stymulator). (przez neuro-. Pr¡d aktywacji. mielinowa. Otoczka. Tak. 15. [µm]. Typowa. ±rednica. Aα. Rodzaj wªókna.

(22) Rysunek 1.3. Anatomia nerwu: (a) rysunek schematyczny oraz (b) obraz mikroskopowy przekroju. Z [92], za zgod¡.. 19.

(23) Rysunek 1.4. Przebieg nerwu bª¦dnego u czªowieka (z [33], z adnotacjami). przy rejestracji aktywno±ci nerwowej) elektrody umieszczane s¡ na szyi z uwagi na ªatw¡ dost¦pno±¢ nerwu bª¦dnego, natomiast sam neurostymulator umieszczany jest pod skór¡ na tuªowiu. Nale»y zwróci¢ uwag¦, »e oprócz wi¡zek aksonów biegn¡cych z/do »oª¡dka, nerw ten zawiera równie» wi¡zki biegn¡ce do innych narz¡dów, m.in. do krtani (przy czym nerw krtaniowy, z powodów ewolucyjnych, biegnie najpierw w okolice serca, a nast¦pnie zawraca do góry).. Oznacza to po pierwsze »e uszkodzenie nerwu w miejscu monta»u. elektrod (czyli na szyi) skutkowa¢ b¦dzie u czªowieka utrat¡ gªosu, co w zastosowaniach terapeutycznych u ludzi nakªada wysokie wymagania dotycz¡ce zarówno samych elektrod jak i sposobu ich monta»u.. Po drugie, oznacza to »e aktywno±¢ nerwowa mierzona na. szyi pochodzi nie tylko z »oª¡dka, ale te» jest zwi¡zana z innymi narz¡dami.. 1.2. Rejestracja sygnaªu Jak stwierdzono powy»ej, zmiany potencjaªu na zewn¡trz pojedynczego nerwu umieszczonego w niesko«czonym pojemniku z sol¡ zjologiczn¡ wynosz¡ okoªo 1 napi¦cia zbyt maªe aby mogªy by¢ w praktyce rejestrowane. in vivo.. µV .. S¡ to. Zwi¦kszenie sygnaªu mo»na uzyska¢ poprzez umieszczenie nerwu oraz elektrod w rurce z dielektryka. Ukªad taki nazywany jest elektrod¡ r¦kawow¡ (ang. 20. cu electrode ).. Za-.

(24) stosowanie elektrody r¦kawowej opiera si¦ na nast¦puj¡cej obserwacji. Rozwa»my nerw umieszczony wzdªu» osi s¡ w odlegªo±ci. ∆x,. x. ukªadu wspóªrz¦dnych, w którym w¦zªy Ranviera umieszczone. tak »e wspóªrz¦dna N-tego w¦zªa to. x = N ∆x.. Skoro wzdªu» nerwu. porusza si¦ fala dodatnich jonów (powstaj¡ca na skutek aktywacji pompy jonowej w kolejnych w¦zªach), oznacza to »e wewn¡trz nerwu w kierunku od w¦zªa przepªywa pr¡d elektryczny o nat¦»eniu. Ii (N ).. Io (N ).. do w¦zªa. N +1. Poniewa» w w¦zªach nast¦puje przepªyw. pr¡du w kierunku poprzecznym, oznacza to »e pomi¦dzy w¦zªami nerwu musi przepªywa¢ pr¡d. N. N i N + 1 na zewn¡trz. Clark w [14] wykazaª, »e:. Io = −Ii. (1.1). czyli obydwa pr¡dy s¡ równe co do warto±ci i przeciwne co do zwrotu. Je±li Sn 2 oznacza przekrój nerwu, Sn = πrn gdzie rn jest promieniem nerwu, to napi¦cie pomi¦dzy wewn¦trznymi stronami w¦zªów wynosi:. ∆Vi = gdzie. σ. (1.2). oznacza przewodno±¢ o±rodka (roztworu soli zjologicznej). Z kolei po stronie. zewn¦trznej, je±li. Sc. jest (wolnym) przekrojem r¦kawa. ∆Vo = − Dla. ∆x Ii σSn. ∆x → 0. ∆x Sn Ii = − ∆Vi σSc Sc. napi¦cie wewn¡trz nerwu pomi¦dzy punktami. Via,b. 1 = σSn. Z. (1.3). x=aix=b. wynosi. b. Ii (x)dx. (1.4). a. a po stronie zewn¦trznej. Voa,b = −. Sn a,b V Sc i. Zaªó»my, »e wewn¡trz nerwu propaguje si¦ fala napi¦ciowa opisana równaniem. (1.5). Vi (x, t).. Zatem napi¦cie na zewn¡trz nerwu. Vo (x, t) = −. Sn Vi (x, t) Sc. (1.6). Napi¦cie membrany (zwane w literaturze potencjaªem transmembranowym) deniowane jest jako. V (x, t) = Vi (x, t) − Vo (x, t). (1.7). 1 Sn =− Λ Sc. (1.8). Z kolei czªon. stanowi wspóªczynnik skaluj¡cy, który uzale»nia amplitud¦ sygnaªu wyj±ciowego od ±rednicy r¦kawa.. rn = 10µm umieszczone wspóªczynnik skaluj¡cy Λ = −10000,. Przyjmuj¡c pojedyncze wªókno o promieniu. w r¦kawie o promieniu. rc = 1mm. otrzymujemy 21.

(25) Rysunek 1.5. Schemat elektrody do zapisu nerwu bª¦dnego (z [21], ze zmianami). czyli zmianie potencjaªu o 100mV wewn¡trz aksonu (por. rys. 1.2) odpowiada sygnaª o amplitudzie 10µV. Je±li akson znajduje si¦ w w wi¡zce nerwowej o promieniu. rb ,. równanie 1.8 przyjmuje. posta¢:. Sn 1 r2 =− =− 2 n 2 Λ Sc − Sb rc − rb. (1.9). Zastosowanie r¦kawa o ±rednicy zbli»onej do ±rednicy wi¡zki pozwala na zwi¦kszenie amplitudy sygnaªu. Przykªadowo, umieszczenie nerwu o promieniu o promieniu. rc = 1mm. daje. Λ = −1900,. rb = 0.9mm. w rurce. czyli amplitud¦ 52µV.. Powy»sze wyliczenie autora jest zgodne z jego obserwacjami do±wiadczalnymi oraz doniesieniami literaturowymi [79, 21]. Zagadnienie optymalnego doboru geometrii r¦kawa dla uzyskania najwi¦kszej amplitudy sygnaªu nerwowego dokªadniej przestawiono w [88, 87, 1, 2]. W do±wiadczeniu zastosowano elektrody r¦kawowe (rys. 1.5) których konstrukcja opisana jest w [21]. Jest to najprostszy rodzaj elektrody r¦kawowej, zªo»onej z dwóch elektrod metalowych (drut srebrny Ø0,125mm w izolacji teonowej) oraz rurki polietylenowej o ±rednicy wewn¦trznej 1 mm i dªugo±ci 15 mm peªni¡cej funkcj¦ r¦kawa. Wad¡ rozwi¡zania jest konieczno±¢ przeci¦cia nerwu w celu zaªo»enia elektrody. Zagadnienie konstrukcji elektrody r¦kawowej mo»liwej do instalacji bez przeci¦cia nerwu i mo»liwej do zastosowania do dªugookresowej rejestracji b¡d¹ stymulacji przestawiono w [17, 56, 81, 80]. Do±wiadczenie wykonywane byªo na szczurach Wistar, samcach o masie 300-400g. Jest to do±wiadczenie terminalne pod gª¦bok¡ narkoz¡.. Procedura obejmuje przygotowanie. chirurgiczne ci¦cie podªu»ne w linii ±rodkowej szyi odsªaniaj¡ce ±linianki i mi¦±nie szyi, wypreparowanie t¦tnicy szyjnej wspólnej i odizolowanie lewego nerwu bª¦dnego biegn¡cego wzdªu» t¦tnicy.. Po wyizolowaniu nerwu nast¦puje przeci¦cie i zaªo»enie na nerw. elektrody mankietowej zapisuj¡cej oraz elektrody prostej odno±nej w osªonie rurki polietylenowej. Koniec elektrody jest zalany woskiem w celu stabilizacji nerwu i elektrod 22.

(26) Grupa. Masa ciaªa [g]. Czas zapisu [mm:ss]. Godzina rozpocz¦cia. najedzone. 323. 53:09. 10:58. najedzone. 345. 48:40. 11:10. najedzone. 356. 35:12. 13:09. najedzone. 358. 53:47. 13:20. najedzone. 383. 46:35. 13:58. najedzone. 388. 71:59. 9:31. gªodne. 312. 56:44. 8:40. gªodne. 325. 50:32. 8:48. gªodne. 356. 39:02. 11:47. gªodne. 361. 45:42. 9:16. gªodne. 371. 26:33. 11:03. Tablica 1.2. Wykonane zapisy aktywno±ci nerwu bª¦dnego.. w trakcie eksperymentu. Po zaªo»eniu elektrod nast¦puje zaszycie powªok mi¦±niowych, umieszczenie badanego zwierz¦cia w klatce Faradaya i podª¡czenie do rejestratora. Wykonano nast¦puj¡ce rodzaje zapisów: 1.. Rejestracja aktywno±ci nerwu bª¦dnego u zwierz¡t najedzonych - zwierz¦ta w normalnych warunkach w pojedynczych klatkach w pomieszczeniu o staªej temperaturze ◦ 22 C i na±wietlaniu periodycznym 12/12h z wolnym dost¦pem do standardowej paszy i wody. 2.. Rejestracja aktywno±ci nerwu bª¦dnego u zwierz¡t gªodnych - zwierz¦ta w normalnych ◦ warunkach w pojedynczych klatkach w pomieszczeniu o staªej temperaturze 22 C i na±wietlaniu periodycznym 12/12h gªodzone 18h z wolnym dost¦pem do wody. Elektrody pomiarowe podª¡czone byªy do analogowego przedwzmacniacza A-M Systems 3000, pracuj¡cego w konguracji ze wzmocnieniem napi¦ciowym 1000 i pasmem przenoszenia 10Hz 20kHz. Sygnaª byª nast¦pnie wprowadzany po poª¡czonego z komputerem systemu rejestruj¡cego ADInstruments Power Lab, gdzie byª ltrowany antyaliasingowym ltrem dolnoprzepustowym 2kHz i próbkowany z cz¦stotliwo±ci¡ 4kHz.. Po wykonaniu. zapisu, jego dalsza analiza prowadzona byªa w ±rodowisku programu GNU Octave. Podsumowanie uzyskanych zapisów zawiera tab. 1.2. Zgod¦ na badania wyraziªa I Lokalna Komisja Etyczna do Spraw Do±wiadcze« na Zwierz¦tach (Uniwersytet Jagiello«ski), decyzj¡ numer 20/2009 z dnia 26 lutego 2009 r. Badania realizowane byªy w Katedrze Patozjologii CMUJ. Wszystkie procedury chirurgiczne opisane w pracy byªy wykonywane przez uprawnionych pracowników CMUJ (dr Katarzyna Ciesielczyk i dr med.. Agata Ziomber) w obecno±ci i przy udziale au-. tora. Wszystkie analizy danych w niniejszym rozdziale oraz oprogramowanie analizuj¡ce sygnaªy nerwowe zostaªy wykonane w caªo±ci przez autora.. 1.3. Struktura systemu analizuj¡cego Schemat kolejnych kroków analizy przedstawiony jest na rys. 1.6. Spróbkowany sygnaª. s(t),. wprowadzany byª najpierw na wej±cie górnoprzepustowego ltra wst¦pnego.. Byª to cyfrowy ltr górnoprzepustowy Butterwortha 2-giego rz¦du, o cz¦stotliwo±ci gra23.

(27) Rysunek 1.6. Schemat systemu detekcyjnego. nicznej 100Hz. Zadaniem tego ltra byªa eliminacja powolnych zmian potencjaªu, nast¦puj¡cych w trakcie repolaryzacji wªókien nerwowych, jak równie» zakªóce« pochodz¡cych. sp (t) wprowadzano nast¦pnie na wej±cie ltra detekcyjnego, uzyskuj¡c przeltrowany sygnaª spf (t). Detekcja impulsu wy-. od sieci energetycznej (50 Hz).. Przetworzony sygnaª. konywana byªa przy u»yciu przerzutnika Schmitta. Wykryte impulsy podawane byªy na wej±cie klasykatora, gdzie nast¦powaª pomiar parametrów impulsu, takich jak amplituda lub czas trwania i przydzielanie ich do uprzednio zdeniowanych klas.. 1.3.1. Filtr detekcyjny Zaªó»my dla uproszczenia, »e sygnaª nerwowy zªo»ony jest z serii odlegªych od siebie, identycznych impulsów o postaci czasowej opisanej funkcj¡ (gaussowski).. p¯(t), naªo»onych na szum biaªy p¯(t). Wedªug teorii ltra dopasowanego [65, 66, 98], dla danego sygnaªu. istnieje ltr optymalny, którego sygnaª wyj±ciowy posiada najwi¦kszy stosunek sygnaªu do szumu. Odpowied¹ impulsowa. h(t). tego ltra dana jest wzorem [54]. h(t) = K p¯∗ (t0 − t) gdzie. p¯, a t0 p¯∗ = p¯.. K. jest wspóªczynnikiem skaluj¡cym (dalej. jest dªugo±ci¡ impulsu.. (1.10). K = 1), p¯∗ stanowi sprz¦»enie sygnaªu. Poniewa» operujemy sygnaªami rzeczywistymi, zatem. Obserwujemy zatem, »e odpowied¹ impulsowa ltru to»sama jest z odwróconym. w czasie przebiegiem impulsu. Jednak»e, poniewa» sygnaª ltrowany jest na wej±ciu do systemu przez ltr górnoprzepustowy, ma miejsce znieksztaªcenie impulsu. przez ten sam ltr, uzyskuj¡c sygnaª. Zatem, nale»y przeltrowa¢ sygnaª. p¯(t). p¯p (t), reprezentuj¡cy spodziewany przebieg impulsu. nerwowego na wej±ciu ltra detekcyjnego.. W rezultacie, funkcja opisuj¡ca odpowied¹. impulsow¡ ltra detekcyjnego dana jest wzorem. h(t) = p¯p (t0 − t). (1.11). Filtracja sygnaªu przez ltr detekcyjny opisana jest zatem jako. spf (t) = sp (t) ∗ h(t). (1.12). Zasadniczym problemem jest zaprojektowanie odpowiedniego ltra detekcyjnego (pkt. 1.4). 24.

(28) 10. Un [µV]. 8. 6. 4. 2. 0 0. 10. 20. 30 [min]. 40. 50. 60. Rysunek 1.7. Zmiany warto±ci Un (liczonej w oknach dªugo±ci 60 s) dla przykªadowego zapisu.. 1.3.2. Generator poziomu odniesienia Z uwagi na ltracj¦ górnoprzepustow¡ w torze pomiarowym, mo»na zaªo»y¢, »e przeltrowany sygnaª. spf (t). (por.. pkt.. 1.3) zªo»ony jest z impulsów naªo»onych na szum Un2 . Mo»na zatem zastosowa¢ kryterium 3 sigma do detekcji impulsu. Jednak»e, zaobserwowano, »e zarejestrowany poziom szumu gaussowski o warto±ci ±redniej 0 i wariancji. zmienia si¦ w czasie (rys. 1.7) w trakcie zapisu. Powolny spadek amplitudy sygnaªu tªumaczy¢ mo»na obumieraniem przeci¦tych wªókien nerwowych lub te» pogarszaniem si¦ styku elektroda-nerw. Gwaªtowne zmiany (wzrosty) warto±ci. Un. (napi¦cia skutecznego. szumu) spowodowane s¡ obecno±ci¡ w zapisie silnych impulsów (artefaktów) zwi¡zanych z ruchami badanego zwierz¦cia. W celu rozwi¡zania tych problemów, zastosowano generacj¦ poziomu odniesienia przy u»yciu pomiaru warto±ci skutecznej sygnaªu wewn¡trz przesuwnego okna o szeroko±ci. w = 60. sekund, to jest. 3 Uthr (t) = w. Z. t. q s2pf (τ )dτ. (1.13). t−w. 1.3.3. Komparator i klasykator Przeltrowany sygnaª wprowadzany byª na wej±cie przerzutnika Schmitta. Po wykryciu napi¦cia przekraczaj¡cego warto±¢. Uthr , przerzutnik wystawia na wyj±cie stan wysoki.. Trwa on a» do spadku napi¦cia wej±ciowego poni»ej 0V. Powoduje to przekazanie do klasykatora fragmentu sygnaªu obj¦tego stanem wysokim na wyj±ciu przerzutnika. Klasykator dokonuje pomiaru napi¦cia szczytowego sygnaªu (Upeak ), obliczenia stosunku. Upeak /Uthr. i przydzielenia impulsów do klas amplitudowych co 3 dB (0-3 dB, 3-6. dB, itd.). 25.

(29) Jednocze±nie nast¦puje eliminacja artefaktów. Ma ona miejsce w dwóch etapach. W etapie pierwszym, po wykryciu narastaj¡cego zbocza impulsu, kolejne impulsy s¡ odrzucane przez czas 2,5ms. w pkt.. (Z uwagi na wªa±ciwo±ci statystyczne sygnaªu, omówione. 1.5.3, operacja ta nie powoduje usuni¦cia informacji u»ytecznej).. Zabieg ten. odpowiada wyeliminowaniu impulsów o cz¦stotliwo±ci przekraczaj¡cej 40Hz; jak stwierdzono, ukªad pomiarowy byª wra»liwy na oscylacje o cz¦stotliwo±ci ok.. 50Hz i 100Hz,. pochodz¡ce z sieci energetycznej. W etapie drugim, nast¦puje pomiar czasu trwania impulsów (deniowanego jako czas stanu wysokiego przerzutnika Schmitta) i odrzucenie impulsów nie speªniaj¡cych kryterium 3 sigma.. 1.4. Teoretyczne obliczenie ksztaªtu impulsu nerwowego Rozwa»my nerw umieszczony wzdªu» osi. x. ukªadu wspóªrz¦dnych.. Zaªó»my, »e re-. ceptor generuje zmienny w czasie potencjaª transmembranowy o przebiegu czasowym opisanym funkcj¡. V (t).. Sygnaª ten nast¦pnie rozchodzi si¦ wzdªu» aksonu z pr¦dko±ci¡ t punkcie x wynosi V (t − xv ). Jak pokazano na rys. 1.5, w stosowanej u nas konguracji, fragment nerwu na którym. propagacji. v,. a zatem potencjaª w chwili. L, przy x = 0, a prawy x = L. Ukªad. dokonywana jest rejestracja umieszczony jest wewn¡trz r¦kawa (rurki) o dªugo±ci czym lewy (wej±ciowy) koniec r¦kawa znajduje si¦ w punkcie jest osiowo symetryczny.. W latach 1970-tych Stein oraz Marks wykazali, »e zarówno. dla nerwów niemielinowanych [85], jak i mielinowanych [61], u±redniony po obwodzie potencjaª w dowolnym punkcie. φ(t, x) =. 0≤x≤L. wewn¡trz r¦kawa wyra»a si¦ wzorem. x x x L 1 [(1 − )V (t) − V (t − ) + V (t − )] Λ L v L v. (1.14). W naszym ukªadzie pomiarowym (rys. 1.5) mamy do czynienia z dwoma dookolnymi elektrodami umieszczonymi w punktach. x ≈ L/5. oraz. x ≈ L,. podª¡czonymi do wej±¢. wzmacniacza ró»nicowego. Zatem napi¦cie wyj±ciowe wzmacniacza wynosi. p(t) = k(φ(t, gdzie. k. L ) − φ(t, L)) 5. (1.15). jest wzmocnieniem ró»nicowym wzmacniacza.. Przy zaªo»eniu, »e warto±ci. φ oraz V. reprezentuj¡ u±rednione warto±ci potencjaªów po. obwodzie nerwu, nie ma znaczenia dokªadne poªo»enie aktywnego aksonu w obr¦bie wi¡zki nerwowej, o ile zaniedba¢ ró»nic¦ amplitudy [15]. Wykazano ponadto [88], »e potencjaªy mierzone w przypadku pojedynczego wªókna nerwowego oraz wªókna w wi¡zce nerwowej nie ró»ni¡ si¦ istotnie.. Jednak»e, w obr¦bie wi¡zki mog¡ wyst¦powa¢ wªókna o ró»nej. ±rednicy, co implikuje ró»ne pr¦dko±ci propagacji sygnaªu. v.. Mamy zatem do czynienia. z rodzin¡ funkcji opisuj¡cych przebiegi impulsów przy ró»nych pr¦dko±ciach propagacji, to znaczy. φv = αφ¯v. (1.16). pv = α¯ pv. (1.17). oraz. 26.