Systémy pro speciální a výzkumné účely

Použití pro výzkumné účely v oblasti neurologie, neurofyziologie, psychiatrie, výzkumu poruch spánku a dalších je nedílnou součástí historie i současnosti systému BrainScope. Zde je pouze několik vybraných instalací, které ukazují zajímavé možnosti aplikace systému v oblasti výzkumu.

EEG zesilovače EAAS 64 kanálů s analogovým výstupem a digitalizační jednotkou

Instalace v roce 1993 – Zurich a v roce 1994 – Geneve

Jedná se o vůbec první EEG zesilovač vyvinutý firmou M&I sro na zakázku pro neurofyziologickou laboratoř při univerzitní nemocnici v Zurichu, která byla posléze přesunuta pod The KEY Institute for Brain-Mind Research Zurich.

Vývoj vznikl na základě požadavků zadavatele, kterým byl tehdejší vedoucí laboratoře Prof. Dietrich Lehmann. Základním požadavkem bylo nahradit stojanové zesilovače firmy Grass (32 kanálů) novým menším přístrojem s dvojnásobným počtem kanálů použitelných pro záznam skalpového EEG. Vysoký počet kanálů ve spojení s 3D měřením pozice elektrod přístrojem Polhemus byl důležitý pro přesné mapování EEG. Vzhledem k neúnosnému počtu ovládacích prvků byl přístroj řešen jako plně digitálně řízený analogový zesilovač. Řízení bylo programové speciální grafickou aplikací a původní řídící počítač byl PC-XT 16MHz s monochromatickým grafickým monitorem. Systém měl v původní verzi pouze analogový výstup a digitalizace se prováděla na kartě firmy Burr-Brown.

V roce 1995 byl systém inovován a původní digitalizace byla nahrazena naším 64 kanálovým převodníkovým systémem s kartou do ISA sběrnice s možností 16bit DMA transferu dat přímo do operační paměti bez nutnosti použití CPU. Díky této naší speciální kartě, pokroku ve výkonu osobních počítačů (PC-AT468 66MHz), ale především nahrávacímu software EasRec řady EASYS2 od PhDr. Jiřího Wackermanna (Neuroscience Technology Research s.r.o.) bylo možno vzorkovat data rychlostí až 2048Hz v 65ti kanálech (tj. datovým tokem 260 kB/sec.). Poslední kanál byly digitální vstupy synchronně vzorkované s EEG signálem, který umožňoval použít systém i pro některé EP modality. Programový systém EASYS2 se pak stal na dlouhou dobu základním nástrojem pro záznam, analýzu a archivaci EEG signálů přístrojů řady BrainScope.

V roce 1994 byl takřka identický druhý přístroj tohoto typu (již rovnou s digitalizační jednotkou) vyroben pro EEG laboratoř při Neurology Clinic of the University Hospital of Geneva – Prof. Christoph Michel.

Spolu s jinými zdroji byla i data z těchto přístrojů byla použita v počátcích vývoje metody LORETA jejím autorem Roberto D. Pascual-Marqui.

Digitální videomonitorovací jednotka

Zkušební provoz od 1996, rutinní provoz od 1997

Záznam obrazu společně s EEG signálem se v oblasti výzkumu epilepsie ve větší míře začal objevovat s příchodem přenosných kamer se záznamem analogového videosignálu na kazetu (Beta, VHS). Jedním z průkopníků této metody byl v Československu MUDr. Jiří Dolanský, který natáčel epileptické záchvaty na kameru a snažil se od počátku o alespoň základní synchronizaci s EEG záznamem. Postupně s pokrokem techniky a přechodem na digitální záznam EEG byla synchronizace sice přesnější, ale technicky a finančně velmi náročná protože pro přehrávání videa se musely používat profesionální drahé a velké videopřehrávače. Střih videa byl opět časově a finančně náročný. Opakované přepisování analogových videokazet rychle degradovalo kvalitu záznamu a archivace nesestříhaných kazet zabírala místo.

Záznamová jednotka

V roce 1995 J. Wackermann začal s prvními testovacími programy na záznam komprimovaného digitálního videosignálu synchronně s digitálním EEG. V roce 1996 na jaře byla první plně digitální videomonitorovací záznamová jednotka uvedena do zkušebního provozu na neurologii nemocnice Na Homolce v Praze pod vedením prim. MUDr. Miroslava Kaliny.

Záznamová jednotka se skládala ze dvou počítačů: jednoho pro standardní záznam digitálního EEG a druhého pro záznam digitálního videa. Oba bloky byly spojeny synchronizačním kabelem tak, aby se do EEG záznamu mohla zaznamenávat informace o právě ukládaném pořadovém číslu videoframe. Video se zaznamenávalo z černobíle CCD kamery umožňující i infračervený noční záznam v rozlišení 256×256 bodů v 32 úrovních šedi. Speciálně napsaná kompresní funkce využívající jak modifikovanou řádkovou RLE kompresi tak i delta kompresi mezi snímky umožňovala při průměrném vzorkování videa okolo 13fps záznam až 10 hodin videa na dva 4GB disky. Ty byly ve výměnných rámečcích a na popisovací stanici se přenášely fyzicky. Důvodem byla tehdejší obvyklá přenosová rychlost sítě 10Mbit/sec. Vše běželo v operačním systému MS-DOS a většina kompresních funkcí byla psána v assembleru x86. Oba nahrávací počítače byly s CPU 486 na frekvenci cca 100MHz.

S přechodem na síť o rychlosti 100Mbit/sec a rychlejší počítače se otevřela možnost použít fileserver a digitální data nahrávat i popisovat přímo z něj. V této konfiguraci byl zahájen rutinní provoz monitorovací jednotky s kapacitou tří monitorovacích lůžek. Postupně byl systém rozšířen i o záznam zvuku a o další lůžka. V současnosti je obraz z šesti lůžek (4x monitorace a 2x spánek) zaznamenáván vyhrazeným videoserverem a druhý fileserver slouží k ukládání EEG záznamů a finálních výřezů k archivaci. Video společně se zvukem je zaznamenáváno v modifikovaném formátu MPEG2 společně se synchronizační informací.

Multikanálový systém pro výzkum motorických EEG oblastí a somatosensorických EP

Tento multikanálový systém s možností záznamu až 120ti unipolárních EEG kanálů, 8mi bipolárních kanálů a digitálního událostního kanálu byl vyroben pro laboratoř Prof. Andreje Stančáka při III. LF UK. Umožňuje vzorkovat až 1024Hz ve všech kanálech a primárně je používán pro výzkum motoriky a bolesti. Signály nasnímané tímto systémem se korelují s daty fMR za stejných podmínek. Tím je dosaženo sloučení výhod obou systémů tj. vysokého rozlišení EEG/EP v časové oblasti a přesného rozlišení fMR v prostorových datech.

Je posledním v řadě akvizičních systémů, které jsme postupně pro A. Stančáka vyvíjeli od roku 1988. První akviziční systém z roku 1988 byla převodníková jednotka s PC ISA kartou a nahrávacím programem, který na PC XT 4MHz umožňoval vzorkovat v 8mi kanálech frekvencí 100Hz s rozlišením 12bit. Délka záznamu byla omezena volnou operační pamětí cca 500kB. Vývoj hw i sw probíhal tehdy v rámci oddělení vyšší nervové činnosti při Ústavu fyziologických regulací AV ČR.

Multikanálový systém pro výzkum EEG/EKG a oběhových funkcí

Spolupráce s MUDr. Tomášem Károu, Ing. Pavlem Jurákem a jejich kolegy z Fakultní nemocnice U svaté Anny a Ústavu přístrojové techniky AV v Brně začala v roce 1998 běžnou konzultací na našem výstavním stánku na Pragomedice. Při naší následné návštěvě na kardiologickém oddělení se vyjasnilo, že cílem není pouze záznam standardního EEG, ale komplexní záznam EEG, EKG a dalších polygrafických kanálů vč. záznamu signálu z analogových výstupů dalších přístrojů (krevní tlak, srdeční impedance a jiné). Digitální video k tomu.

Pro tyto účely byla naše 40ti kanálová EEG snímací jednotka upravena. Standardně tyto jednotky obsahují jednu velkou skupinu unipolárních kanálů v počtu 20 až 120 a několik bipolárních kanálů v počtu 4 až 8. Unipolární kanály se zaznamenávají proti jedné společné elektrodě. Každý bipolární kanál se skládá ze samostané dvojice aktivní a referenční elektrody. Upravená jednotka měla unipolární kanály rozděleny do dvou skupin tak, že každá měla svou vlastní referenční elektrodu. Tím pádem se jedna skupina dala použít pro záznam EEG a druhá pro EKG aniž by se vzájemně rušivě ovlivňovaly. Navíc byla jednotka vybavena modulem 8mi analogových izolačních zesilovačů aby bylo možno výstupy ostatních přístrojů přivést na izolovanou stranu zesilovače a vzorkovat společně s ostatními nanalogovými signály. Tím byla zabezpečena synchronnost dat při zachování bezpečnosti pacienta.

Tento systém rozšířený o programové vybavení P. Juráka a další přístroje především z ÚPT AV Brno byl označen jako ANNAlab MI1.

Výzkumná skupina T. Káry na základě svých měření navázala spolupráci s Mayo Clinic v Rochesteru v Minnesota. Pro měření v USA byl postaven druhý podobný systém na bazi našeho 96ti kanálového EEG. Dvě skupiny unipolárních kanálů umožňovali záznam jak EEG, tak EKG v poměrně vysokém počtu kanálů. Izolační zesilovače pro externí přístroje byly nahrazeny naší novou samostanou 32 kanálovou vzorkovací jednotkou, která obsahovala i signálový DSP koprocesor ADSP2181 od Analog Devices. Design pojízdného vozíku byl návrhem brněnské skupiny, počítače byly od firmy Sun Microsystems. Ostatní přístroje, které systém doplňovaly o možnost snímat ostatní fyziologické signály byly jak z ÚPT AV, tak ostatních výrobců zdravotnických přístrojů.

Systém byl v květnu 2001 částečně zkompletován v Brně, pak opět rozebrán, uložen do přepravního kontejneru a odvezen do USA. Tam byl do plného provozu uveden v listopadu 2001.