Improvements in Intraoperative Neurophysiological Monitoring Towards a Wireless Technology

Abstract

La Monitorización Neurofisiológica Intraoperatoria (MNIO) se define como un conjunto de técnicas consistentes en el registro de la actividad eléctrica generada por las estructuras del sistema nervioso durante las operaciones quirúrgicas. Esta monitorización conlleva en la mayoría de los casos el registro de un gran número de señales eléctricas derivadas de las distintas estructuras que se desean controlar y estimular, lo que supone una gran cantidad de cableado. La eliminación o disminución de este cableado se ha identificado como un avance tecnológico relevante que supondría no sólo un aumento en la ergonomía y confort para el equipo médico, sino también un ahorro en tiempo, coste y la reducción de posibles fuentes de ruido en las señales registradas. La motivación de esta tesis es la aplicación de tecnología inalámbrica a esta rama de la Neurofisiología, desarrollando un sistema que sea capaz de cumplir con las características de los sistemas actuales de monitorización intraoperatoria reduciendo o eliminando conexiones cableadas. El cuerpo principal de la tesis, formado por el compendio de tres publicaciones, recoge los desarrollos y resultados fundamentales de esta. En el primero de ellos, “A Novel Passive Method for the Assessment of Skin-Electrode Contact Impedance in Intra-operative Neurophysiological Monitoring Systems”, se propone un nuevo método de medida de la impedancia de contacto entre la superficie del electrodo y el tejido basado en un modelo pasivo (sin inyección de corriente), que consiste en analizar la variación de la señal cuando se conecta y desconecta, de manera controlada, una carga resistiva a la entrada del circuito de adquisición. Los resultados muestran que es posible evaluar la bondad de la conexión de los electrodos con este nuevo método. La eliminación de la inyección de corriente usada en los sistemas actuales presenta una serie de ventajas: (1) Resulta más adecuado para sistemas inalámbricos alimentados con batería, ya que reduce el consumo energético. (2) Simplifica el proceso de validación del equipo según la normativa de dispositivos médicos. El hecho de que se utilice únicamente la señal registrada para evaluar (sin hardware adicional) la impedancia de contacto produce un efecto no deseado que consiste en la aparición de transitorios de larga duración cada vez que se realiza una conmutación de la carga a la entrada de la etapa de adquisición. Para superar este efecto adverso, en “A novel approach for the design of fast-settling amplifiers for biosignal detection” se propone una nueva topología que permite obtener un filtrado variable y configurable en función de la etapa de medida deseada. Con el fin de evitar saturación o enmascarar la señal AC que se desea registrar, los equipos de medida de bioseñal cuentan con un filtro paso alto para eliminar la componente DC producida por el potencial de contacto de los electrodos, normalmente consistente en una red RC con una muy baja frecuencia de corte. Se propone un filtro ajustable mediante tensión que modifica de manera controlada la frecuencia de corte del filtro de entrada, y por tanto la constante de tiempo. Los resultados obtenidos son similares a los logrados con el filtro convencional RC, consiguiendo una reducción del tiempo de estabilización de la medida en torno a un orden de magnitud, manteniendo la capacidad de realizar la medida con la misma señal registrada. Por último, en “A Quasi-Wireless Intraoperatory Neurophysiological Monitoring System” se muestra el diseño del prototipo desarrollado, que consta de dos elementos que forman un puente inalámbrico transparente entre la bioseñal de interés y el sistema de monitorización que se desea emplear: Transmisor y Receptor, que se comunican mediante un enlace de radiofrecuencia bidireccional que permite, por un lado, el envío de las muestras adquiridas por el Transmisor; y por otro, la configuración de la etapa de adquisición. El dispositivo Transmisor se encarga de registrar las señales, y contiene las etapas de amplificación, filtrado, conversión analógico/digital y transmisión vía radio. Además, cuenta con la inclusión del método de medida de impedancia propuesto dentro de la etapa de adquisición. El dispositivo Receptor se encarga de recibir la información enviada por el Transmisor, procesarla y reconstruir la señal registrada de manera que esta pueda ser recogida por un sistema de MNIO convencional. La inclusión de conectores estándar permite que sea posible su utilización con cualquier sistema comercial actual. Se realizaron pruebas para un amplio espectro de técnicas de monitorización, que incluyen señales con distinto rango de frecuencia y amplitud. La única diferencia significativa entre la señal original registrada y la reconstruida es un retraso constante, cuyo valor está en torno a 1.5 ms, aceptablemente bajo para las aplicaciones probadas. El dispositivo desarrollado, además de suponer una contribución a nivel científico, se presenta también como un elemento innovador con potencial contribución comercial dentro de la MNIO, incluyéndose partes del sistema en una solicitud de patente en fase de evaluación. El trabajo contenido en esta tesis da respuesta a una necesidad no resuelta por la tecnología comercial actual, que consiste en la incorporación de soluciones inalámbricas para una mejora de la ergonomía y un incremento de la eficiencia coste-tiempo de la que puedan beneficiarse tanto el personal médico como los pacientes.

Intraoperative Neurophysiological Monitoring (IONM) is defined as a set of techniques consisting of recording the electrical activity generated by the nervous system structures during a surgical operation. Monitoring of the nervous system activity implies in most cases recording a large amount of electrical signals from the different structures to be controlled and/or stimulated, involving the arrangement of a substantial amount of cabling. Eliminating or diminishing this cabling is seen as a relevant technological step forward that may contribute to increasing ergonomics and easiness for the medical staff, as well as reducing possible sources of noise on the recorded signals in a more cost and time-effective manner. The main motivation of the thesis is the application of wireless technology to this branch of Neurophysiology, developing a wireless system able to pair the characteristics of the current commercial IONM systems. The main body of the thesis, made up of the compendium of three publications, entails the fundamental developments and results of this piece of research. The first one, “A Novel Passive Method for the Assessment of Skin-Electrode Contact Impedance in Intra-operative Neurophysiological Monitoring Systems”, presents a new methodology to measure the contact impedance generated between the surface of the recording electrode and the tissue under examination, consisting in a passive approach (without injection of current), that takes advantage of the variation suffered by the measured signal when a resistive load is connected and disconnected in a controlled fashion at the input of the amplification circuit. The results show that it is possible to evaluate the goodness of the connection of the electrodes with this new methodology. The fact that no current injection is utilized leads to the following advantages: (1) It is more suitable for wireless battery-powered devices, since power consumption is reduced. (2) It facilitates the validation of the system according to medical device regulations. Analyzing only the registered signal for the contact impedance measurement (without additional hardware) produces the unwanted effect of long transients because of the load commutation at the input stage. To overcome this adverse effect, publication “A novel approach for the design of fast-settling amplifiers for biosignal detection” presents a new topological approach to obtain a configurable input filter, which can be changed depending on the desired measurement stage. In order to prevent saturation and covering up the wanted AC signal, the biosignal acquisition systems present a high-pass filter to eliminate the DC component produced by the contact potential of the electrodes, normally a RC net with a very low cutoff frequency. It is proposed an adjustable filter that modifies the cutoff frequency and therefore the time constant by means of a voltage control. The results obtained are similar to the ones gathered with the conventional RC filter, with the advantage of a drastic reduction of the time required for the measurement, maintaining the ability of performing the impedance measurement with the same recorded signal. Lastly, the paper “A Quasi-Wireless Intraoperatory Neurophysiological Monitoring System” outlines the design of the prototype developed, consisting of two elements that establish a wireless transparent bridge between the biosignal of interest and the monitoring device: Transmitter and Receiver, that communicate through a bidirectional radio frequency (RF) link. This connection allows sending the signal samples gathered by the Transmitter and modifying the analog input configuration. The Transmitter device is in charge of recording the signals and contains the amplification, filtering, analog/digital conversion and transmission stages. Additionally, it is equipped with the proposed impedance measurement method. The Receiver device is in charge of receiving the information sent by the Transmitter, process it and reconstruct the registered signal so that it can be recorded by conventional IONM systems. Due to the utilization of standard connectors, it is possible to utilize the devices proposed with any current commercial system. Different tests have been carried out for a broad set of monitoring techniques, including signals with different amplitude and frequency ranges. The only significant difference between the original signal and the reconstructed one is a constant delay with a value close to 1.5 ms, which is acceptable for the applications tested. The device developed not only entails a scientific progress due to the novel solutions provided, but it is also presented as an innovative component with commercial potential in the realm of IONM. Proof thereof is the fact that parts of the system proposed have been included in a patent submission that is in course of evaluation. The work described in this dissertation provides a solution to a gap in current commercial technology, consisting of the addition of wireless solutions for an improvement in ergonomics and an increased cost-time efficiency; with the aim of benefiting both the medical staff and the patients involved in surgical procedures and intraoperative monitoring.