Search

Electroencephalography (EEG) is the recording of potential fluctuations originating from electrical activity of brain. It is used in diagnosis of neurological disorders, monitoring the depth of anaesthesia and evaluation of sleep. A possible application is long-term continous monitoring of intensive care unit (ICU) patients, with the aim to detect epileptic seizure activity. Currently this is not practised due to poor usability of the available equipment. This thesis is part of a project which aims to develop a novel solution which solves the usability problem. Adding to that, the solution contains an algorithm for automatic online epileptic seizure detection, which enables immediate treatment of patients once epileptic seizures occur. This leads to an increased patient outcome at ICUs. An important factor contributing to poor usability of current EEG equipment is the electrode contact. To ensure good signal quality, skin under the electrodes needs to be prepared by abrasion for example. This is time-consuming especially when multiple electrodes are used. Adding to that, skin preparation damages skin which is undesired especially in long-term applications, as the the presence of electrode and electrolytic gel causes irritation and possibly an infection risk. The quality of the electrode contact is quantified by its electrical impedance. In this thesis the relationship of electrode contact impedance to total electrode contact noise and motion artifact magnitude are studied. These both are factors contributing to biopotential signal quality. Sintered silver-silverchloride electrodes are used in the work. Contact impedance is defined as the magnitude of the impedance vector at 20 Hz. Contact noise is studied by measuring impedance-noise data pairs (n=122) at two body sites of volunteer subjects using two different electrode gels. A univariate analysis of variance is implemented on the data pairs. Motion artifact magnitude is studied with impedanceartifact magnitude data pairs (n=33) while producing a horizontal motion to the electrode. The behavior of the seizure detection algorithm is also studied by adding different amounts of noise to EEG signals, and assessing how its behavior changes. The results show that electrode contact impedance can be used as a rough predictor of total contact noise. With contact impedance in the range of 20 k or less, the contact noise is expected to settle at RMS values less than 5 μV at a 30 Hz bandwidth. It was also found the that the type of electrolytic gel can have a significant effect on total contact noise. Motion artifact magnitude was found to decrease with decreasing contact impedance. With larger contact impedance values, the variations of motion artifact magnitudes were larger. The behavior of the seizure detection algorithm was found to change significantly with a small amount of noise added to EEG signals. By comparing that amount of noise to the measured contact noise data, it can be seen that it is well within the measured values.

Epithelium forms tight membranes that efficiently take part in secretion and absorption between the two lining tissues. A tight membrane of this nature has a low DC conductivity and this is generally used to assess the integrity of cultured epithelium cell layers. Recent studies have shown that impedance spectroscopy gives more information about the electrophysiological structure of the cells. Collaborative research by Department of Biomedical Engineering at Tampere University of Technology and stem cell research group at University of Tampere has shown that electrochemical impedance spectroscopy is useful in assessing the maturity and functionality of differentiated retinal pigment epithelium (RPE) cells. However the time expenditure of the traditional frequency sweeping method is a poor candidate for drug permeability or multichannel studies where several frequency responses have to be measured within a short time. The aim of this Thesis was to develop the front end electronics for fast impedance spectroscopy measurement employing inverse-repeat binary sequence as the broadband excitation signal. Also the DC potential across the cell membrane was to be measured with the device. The developed device was first tested using a custom built test box and plastic film as artificial membrane. In addition several electrode materials were used to study the observed polarization impedances. Further testing with differentiated RPE cell layers was done using the Ussing chamber and the well plate setups that are commonly used in cell culturing studies. All the measured frequency responses were referenced with a commercial device widely used in epithelium research. The observed measurement differences between the device and the reference were largely caused by the load dependent output current of the device and by the electrode polarization taking place at the voltage measurement electrodes. Due to the input current error the relative difference of the measured impedance levels was typically from 5 % to 10 % with load impedances larger than 700 ohms. With lower load impedances the measured relative difference increased rapidly. A method to compensate for the input current error is presented in this thesis. DC potential measurements with the device were not successful as the electrodes used had very high offset voltages. The frequency responses measured with the device give a good measure of the capacitance present in the cell layer. Capacitance of the cell layer can be used to assess the maturity of the cell layer and for such purpose the device suits well. For impedance level measurements the device has a relatively large error margin and further research needs to be done to improve the accuracy and to eliminate the DC current flow. In addition the accuracy of the measurement system would improve by dividing the input stage between the DC potential and frequency response measurements. Also more carefully designed electrodes would help to control the electrode offset voltages. Epiteelisolut muodostavat tiivisliitoksia, jotka ovat tärkeässä roolissa kudosten välillä tapahtuvassa erityksessä sekä absorptiossa. Tiivisliitoksen tasavirtajohtavuus on heikko ja tätä ominaisuutta hyödynnetään yleisesti viljeltyjen epiteelisolukerrosten tiiviyden sähköisessä tarkastelussa. Tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että impedanssispektroskopia antaa enemmän tietoa solujen elektrofysiologisesta rakenteesta kuin yksinkertainen resistanssimittaus. Tampereen Teknillisen Yliopiston Biolääketieteen laitos sekä Tampereen Yliopiston kantasolututkimusryhmä ovat yhteistyössä osoittaneet elektrokemiallisen impedanssispektroskopian soveltuvan kantasoluista erikoistettujen retinan pigmenttiepiteelisolujen (RPE) kypsyyden ja toiminnallisuuden arviointiin. Perinteiset taajuuspyyhkäisyä hyödyntävät taajuusvasteanalysaattorit soveltuvat kuitenkin hitaudeltaan heikosti tutkimuksiin, joissa mittauskohteessa tapahtuu nopeita muutoksia tai missä useita taajuusvasteita mitataan lyhyellä aikavälillä. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää pääteasteen elektroniikka mittausjärjestelmälle, joka hyödyntää laajakaistaista binäärijaksoa herätesignaalina ja mahdollistaa näin huomattavasti nopeamman impedanssispektroskopian. Kehitettävän laitteen tuli myös mitata solukerroksen yli oleva DC potentiaali. Diplomityössä kehitettyä laitetta testattiin aluksi in vitro mittauksia varten kehitetyllä testijärjestelmällä, jossa solukerrosta jäljiteltiin ohuella muovikalvolla. Näissä mittauksissa testattiin myös eri elektrodimateriaalien vaikutus havaittuun polarisaatioimpedanssiin. Viljeltyjen RPE solujen taajuusvasteita mitattiin työssä käyttäen sekä Ussingin kammio- että kuoppalevymittausasetelmia. Laitteella mitattujen taajuusvasteiden hyvyyttä arvioitiin vertaamalla tuloksia kaupallisella taajuusvasteanalysaattorilla mitattuihin vasteisiin. Kehitetyllä laitteella mitattujen vasteiden ero analysaattorilla mitattuihin johtui suurilta osin herätevirran riippuvuudesta kuormasta sekä jännitemittauselektrodien polarisaatioimpedansseista. Yli 700 ohmin kuormilla herätevirrasta aiheutuva virhe oli tyypillisesti 5% – 10 %, kun taas matalimmilla kuormilla virhe kasvoi nopeasti. Tämän virheen kompensoimiseksi on kuitenkin esitetty metodi tässä diplomityössä. Epiteelisolukerroksen yli olevaa DC jännitettä ei onnistuttu mittaamaan johtuen käytettyjen elektrodien korkeista offset-jännitteistä. Tässä diplomityössä kehitetyllä laitteella mitatut taajuusvasteet noudattavat hyvin analysaattorilla mitattujen vasteiden käyrämuotoja ja laite soveltuu täten solukerroksen kapasitanssin arviointiin. Solukerroksen kapasitanssia voidaan käyttää apuna solujen kypsyyden arvioinnissa. Laitteella mitatut impedanssitasot eroavat kuitenkin analysaattorilla mitatuista ja jatkokehitys DC virtojen eliminoimiseksi sekä elektrodien erisuuruisten offset-jännitteiden kompensoimiseksi on suositeltavaa.

Tässä työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus trakeasta kuultavien hengitysäänien instrumentointiin, normaaleihin ja epätavallisiin trakeasta kuultaviin ääniin. Katsauksessa havaittiin, että hengitysäänten rekisteröintiin käytettävien sensoreiden suunnittelulla voidaan vaikuttaa rekisteröityihin ääniin. Erityisesti ilmakytkettyjen kontaktimikrofonien ilmakammiolla voi olla suuri vaikutus mitattuihin ääniin. Normaalien trakeahengitysäänien alkuperä on aeroakustinen. Ilmavirtauksen nopeuden kasvaessa laminaarinen virtaus irtautuu henkitorven seinämästä ja virtaukseen syntyy pyörteitä. Virtaus on muuttunut turbulenttiseksi. Kun nämä pyörteet kulkeutuvat kapeikon läpi, mikä voi olla pelkkä muutos henkitorven poikkipinta-alassa, osa pyörteen liike-energiasta muuttuu akustiseksi häiriöksi. Tämän lisäksi kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin epätavallisten trakeasta kuultavien hengitysäänten syntyä. Avoimen, osittain ahtautuneen ja kokonaan ahtautuneen hengitystien tapaukset tarkasteltiin erikseen Sterling-vastusmallin avulla. Kuorsausta ja kudosvärinää havaittiin tilanteessa, jolloin hengitystie oli osittain ahtautunut. Pirkanmaan sairaanhoitopiirin unilaboratoriossa käytetylle trakeaäänien rekisteröintilaitteistolle tehtiin laatumittauksia. Mittauksissa havaittiin, että mikrofonissa oli hieman harmonista vääristymää ja käytetyn äänikortin taajuusvaste ei ollut suora, kun näytteenottotaajuutena oli 11kHz. Yhteenvetona voidaan sanoa, että eri tutkimusryhmien tulisi käyttää laadultaan korkeatasoisia mittalaitteita, kun trakeasta kuuluvia hengitysääniä rekisteröidään. Jos näin toimittaisiin, korkealaatuinen trakea-hengitysääni voisi tuoda uutta tietoa unen hengitysfysiologiaan liittyen. Nykyisessä tilanteessa eri tutkimusryhmien mittaukset eivät ole täysin vertailukelpoisia keskenään ja tämän vuoksi tieteellistä luotettavuutta on vaikea saavuttaa.