Laser evoked potentials: design and development of multichannel system for stimulation and biopotential recording from small localized biosources

Abstract

Laser biostimulation is a well-established procedure in Medical Acupuncture. Nevertheless there is still a confusion as to whether it works or the effect is just placebo. Although a plethora of scientific papers published, showing positive clinical results, there is still a lack of objective scientific proofs about the biostimulation effect of lasers used in Medical Acupuncture. The objectives of this study were: (i) to investigate the possibilities for biopotential recording from acupuncture points, considered here as small localized biosources (SLB); (ii) to design and built a body surface electrode and amplifier for biopotential recording from SLB; (iii) to design and build a low cost portable electronic device for low intensity laser stimulation of SLB without affecting any sensory nerves via shock or heat; (iv) to design and built a multichannel system for SLB high-resolution biopotential recording and stimulation; (v) to develop a method for objectively recording of laser evoked SLB potentials, (vi) to perform preliminary SLB measurements of laser evoked potentials based on the developed method and system. A novel active electrode with new adjustable anchoring system has been invented. The system was designed to reduce the electrode-skin contact impedance, motion and skin potential artifacts. The active electrode features fractionation of the biopotential amplifier achieved by incorporating its front-end operational amplifiers at the electrodes, thus avoiding the use of extra buffers. A new design for laser SLB biostimulator has been also presented featuring two output polarization modes: linearly or circularly polarized laser emission. A novel method for recording of laser evoked SLB potentials and stimulation was also invented. The method uses a separation of the stimulation and measurement sites. Thus measurement of SLB biopotentials indicates that a potential has been evoked and propagated till the measurement sites, and is not caused by local changes of the electrical conductivity of the irradiated skin. The results from the preliminary measurements based on the proposed method and performed with the developed system, showed that SLB laser evoked potentials with relatively high quality could be recorded without skin preparation. The system specifications were found to be better or comparable to those of other existing designs. The work is aimed for studying SLB potentials evoked by laser stimulus and their propagation.

Η διέγερση με λέιζερ είναι μια παγιωμένη διαδικασία στον ιατρικό βελονισμό. Εντούτοις υπάρχει ακόμα μια σύγχυση ως προς το εάν λειτουργεί ή η επίδραση είναι απλώς ψευδοφάρμακο. Αν και έχει δημοσιευθεί μεγάλος αριθμός επιστημονικών εγγράφων, παρουσιάζοντας θετικά κλινικά αποτελέσματα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη αντικειμενικών επιστημονικών αποδείξεων για τη διεγερτική επίδραση των λέιζερ που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν: (i) να ερευνηθούν οι δυνατότητες για την καταγραφή βιοδυναμικών από τα σημεία βελονισμού, θεωρούμενα εδώ ως Μικρές Εστιασμένες Βιοπηγές (ΜΕΒ) (ii) να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί ένα ηλεκτρόδιο επιφάνειας σώματος και έναν ενισχυτή για την καταγραφή βιοδυναμικών από ΜΕΒ (iii) να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί μια φορητή ηλεκτρονική συσκευή χαμηλού κόστους για διέγερση των ΜΕΒ με λέιζερ χαμηλής έντασης χωρίς να επηρεαστούν οποιαδήποτε αισθητήρια νεύρα μέσω κλονισμού ή θερμότητας (iv) να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί ένα πολυκαναλικό σύστημα για καταγραφή και διέγερση βιοδυναμικών των ΜΕΒ με υψηλή ευκρίνεια (v) να αναπτυχθεί μια μέθοδος για αντικειμενική καταγραφή των προκλητών δυναμικών των ΜΕΒ με λέιζερ, (vi) να πραγματοποιηθούν προκαταρκτικές μετρήσεις των προκλητών δυναμικών των ΜΕΒ με λέιζερ βάσει της προτεινόμενης μεθόδου και του ανεπτυγμένου συστήματος. Εφευρέθηκε ένα νέο ενεργό ηλεκτρόδιο με νέο προσαρμοζόμενο σύστημα αγκύρωσης. Το σύστημα αυτό σχεδιάστηκε για να μειώσει την αντίσταση επαφής ηλεκτροδίου-δέρματος, την κίνηση και τους δυναμικούς θορύβους του δέρματος. Το ενεργό ηλεκτρόδιο χαρακτηρίζεται από διαχωρισμό του ενισχυτή των βιοδυναμικών, κάτι που επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση των λειτουργικών ενισχυτών του μετωπικού άκρου στα ηλεκτρόδια, αποφεύγοντας κατά συνέπεια τη χρήση πρόσθετων καταχωρητών. Έχει παρουσιαστεί επίσης ένα νέο σχέδιο διεγέρτη των ΜΕΒ με λέιζερ, ο οποίος διαθέτει δύο εξόδους πόλωσης: γραμμικά ή κυκλικά πολωμένη εκπομπή λέιζερ. Εφευρέθηκε ακόμα μια νέα μέθοδος για διέγερση και καταγραφή των προκλητών δυναμικών των ΜΕΒ με λέιζερ. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί ένα διαχωρισμό των περιοχών διέγερσης και μέτρησης. Κατά συνέπεια, η μέτρηση των βιοδυναμικών των SLB δείχνει ότι το δυναμικό έχει προκληθεί και έχει διαδοθεί μέχρι τις περιοχές μέτρησης, και δεν προκαλείται από τις τοπικές αλλαγές της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ακτινοβολημένου δέρματος. Τα αποτελέσματα από τις προκαταρκτικές μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν βάσει της προτεινόμενης μεθόδου και με το αναπτυγμένο σύστημα, έδειξαν ότι τα προκλητά δυναμικά των ΜΕΒ με λέιζερ μπορούν να καταγραφούν με σχετικά υψηλή ποιότητα χωρίς προετοιμασία του δέρματος. Οι προδιαγραφές του συστήματος αποδείχθηκαν καλύτερες ή ανάλογες με εκείνες άλλων υπαρχόντων σχεδίων. Η παρούσα εργασία στοχεύει στη μελέτη των προκλητών δυναμικών των ΜΕΒ με λέιζερ και της διάδοσής τους.