![Electronics 2020, 9, 1920
medical industry and biologists to increase the human quality of life, which is the main objective.
These are the contribution papers:
1. On the DC Offset Current Generated during Biphasic Stimulation: Experimental Study [1].
2. Multichannel Biphasic Muscle Stimulation System for Post Stroke Rehabilitation [2].
3. High-Performance Analog Front-End (AFE) for EOG Systems [3].
4. MEDUSA: A Low-Cost, 16-Channel Neuromodulation Platform with Arbitrary Waveform
Generation [4].
5. FPGA-Based Doppler Frequency Estimator for Real-Time Velocimetry [5].
6. An Interference Suppression Method for Non-Contact Bioelectric Acquisition [6].
7. New RSA Encryption Mechanism Using One-Time Encryption Keys and Unpredictable Bio-Signal
for Wireless Communication Devices [7].
8. Development of a Compact, IoT-Enabled Electronic Nose for Breath Analysis [8].
9. A Computationally Efficient Mean Sound Speed Estimation Method Based on an Evaluation of
Focusing Quality for Medical Ultrasound Imaging [9].
10. Incremental Low Rank Noise Reduction for Robust Infrared Tracking of Body Temperature during
Medical Imaging [10].
11. Soft Elbow Exoskeleton for Upper Limb Assistance Incorporating Dual Motor-Tendon
Actuator [11].
12. Insight on Electronic Travel Aids for Visually Impaired People: A Review on the Electromagnetic
Technology [12].
We are conscious about the very wide scope of biomedical circuits and systems applications,
and that our contribution it is only a grain of sand more, but we expect to be it useful for knowledge
progress in the field.
3. Conclusions
Biomedical engineering is today one of the most important research fields in the world. This fact
is parallel with the health challenges surrounding the improvement of human health as one of the main
vehicles to increase the quality of life. The maturity of many technologies, such as microelectronic,
biomaterial, microfluidic, together with progress in the biology and medicine fields, develop alternative
solutions for medical evaluation, diagnosis, therapy and research in general, opening the opportunity
for new medical devices, e.g., lab-on-a-chip, wearable technology, and implants. The biomedical
electronic industry supports the development of many of these new devices, as the main technologies
for bio-signal acquisition, processing, and communication. In this Special Issue contribution, we
present some significant contributions for biomedical applications, which, of course, should be fulfilled
and improved by future contributions.
Author Contributions: Conceptualization, A.Y., G.H. and B.C.; methodology, A.Y., G.H. and B.C.; writing—review
and editing and project administration, A.Y., G.H. and B.C. All authors have read and agreed to the published
version of the manuscript.
Funding: This research received no external funding.
Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.
References
1. Aiello, O. On the DC Offset Current Generated during Biphasic Stimulation: Experimental Study. Electronics
2020, 9, 1198. [CrossRef]
2. Ward, T.; Grabham, N.; Freeman, C.; Wei, Y.; Hughes, A.-M.; Power, C.; Tudor, J.; Yang, K. Multichannel
Biphasic Muscle Stimulation System for Post Stroke Rehabilitation. Electronics 2020, 9, 1156. [CrossRef]
3. López, A.; Ferrero, F.; Villar, J.R.; Postolache, O. High-Performance Analog Front-End (AFE) for EOG Systems.
Electronics 2020, 9, 970. [CrossRef]
2](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-17-320.jpg)
![Electronics 2020, 9, 1920
4. Tala, F.; Johnson, B.C. MEDUSA: A Low-Cost, 16-Channel Neuromodulation Platform with Arbitrary
Waveform Generation. Electronics 2020, 9, 812. [CrossRef]
5. Ricci, S.; Meacci, V. FPGA-Based Doppler Frequency Estimator for Real-Time Velocimetry. Electronics 2020,
9, 456. [CrossRef]
6. Tang, Y.; Chang, R.; Zhang, L.; Yan, F. An Interference Suppression Method for Non-Contact Bioelectric
Acquisition. Electronics 2020, 9, 293. [CrossRef]
7. Yu, H.; Kim, Y. New RSA Encryption Mechanism Using One-Time Encryption Keys and Unpredictable
Bio-Signal for Wireless Communication Devices. Electronics 2020, 9, 246. [CrossRef]
8. Tiele, A.; Wicaksono, A.; Ayyala, S.K.; Covington, J.A. Development of a Compact, IoT-Enabled Electronic
Nose for Breath Analysis. Electronics 2020, 9, 84. [CrossRef]
9. Lee, J.; Yoo, Y.; Yoon, C.; Song, T.-k. A Computationally Efficient Mean Sound Speed Estimation Method
Based on an Evaluation of Focusing Quality for Medical Ultrasound Imaging. Electronics 2019, 8, 1368.
[CrossRef]
10. Yousefi, B.; Sharifipour, H.M.; Eskandari, M.; Ibarra-Castanedo, C.; Laurendeau, D.; Watts, R.; Klein, M.;
Maldague, X.P.V. Incremental Low Rank Noise Reduction for Robust Infrared Tracking of Body Temperature
during Medical Imaging. Electronics 2019, 8, 1301. [CrossRef]
11. Ismail, R.; Ariyanto, M.; Perkasa, I.A.; Adirianto, R.; Putri, F.T.; Glowacz, A.; Caesarendra, W. Soft Elbow
Exoskeleton for Upper Limb Assistance Incorporating Dual Motor-Tendon Actuator. Electronics 2019, 8, 1184.
[CrossRef]
12. Cardillo, E.; Caddemi, A. Insight on Electronic Travel Aids for Visually Impaired People: A Review on the
Electromagnetic Technology. Electronics 2019, 8, 1281. [CrossRef]
Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional
affiliations.
© 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution
(CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
3](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-18-320.jpg)
![electronics
Article
On the DC Offset Current Generated during Biphasic
Stimulation: Experimental Study
Orazio Aiello
Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, Singapore 117583,
Singapore; orazio.aiello@nus.edu.sg
Received: 30 June 2020; Accepted: 22 July 2020; Published: 25 July 2020
Abstract: This paper deals with the DC offset currents generated by a platinum electrode matrix
during biphasic stimulation. A fully automated test bench evaluates the nanoampere range DC offset
currents in a realistic and comprehensive scenario by using platinum electrodes in a saline solution
as a load for the stimulator. Measurements are performed on different stimulation patterns for single
or dual hexagonal stimulation sites operating simultaneously and alternately. The effectiveness of the
return electrode presence in reducing the DC offset current is considered. Experimental results show
how for a defined nominal injected charge, the generated DC offset currents differ depending on the
stimulation patterns, frequency, current amplitude, and pulse width of a biphasic signal.
Keywords: DC offset current; electrode stimulation; biphasic signal; platinum electrode matrix
1. Introduction
Neural stimulation shows reliable effectiveness in concrete cures where traditional medication is
not as effective at reducing tremors in epilepsy or in restoring the sight in a person affected by retinitis
pigmentosa. To elicit nerve activities, tissues are usually excited by zero-net charge biphasic current
pulses [1], whose features are reported in Figure 1. The first cathodic pulse usually elicits the desired
neural response, while the second pulse only aims to neutralize charge across the stimulated tissues.
A perfect charge balance in the neural stimulator, such as cochlear or retinal integrated circuit (IC)
implants, is required to avoid DC currents or electrode resting potentials that can generate toxic species
and, in turn, damage tissues [2–11].
Cathodic
Amplitude=
-IPULSE
Anodic
Amplitude=
IPULSE
Cathodic Width=
TPULSE
Interphase
Delay
Anodic Width=
TPULSE
Period
t
I
-QPULSE
QPULSE
Figure 1. Pictorial representation of a biphasic current stimulation. Typical electric characteristics
are highlighted.
The charge during the opposite phases of sourcing and sinking currents should be balanced,
as well as the impedance of the electrodes needs to be perfectly matched. For this purpose, several
Electronics 2020, 9, 1198; doi:10.3390/electronics9081198 www.mdpi.com/journal/electronics
5](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-20-320.jpg)
![Electronics 2020, 9, 1198
techniques and stimulation strategies for a precise charge balancing have been proposed at the IC level
to minimize the undesired DC offset current generated by the biphasic stimulation [12–18].
During a biphasic stimulation, each platinum electrode in the saline bath defines an electrode-electrolyte
interface while a charge is injected through faradaic and non-faradaic charge-transfer mechanisms. These can
lead to changes in the surface chemistry of the platinum electrodes under study and are the source of
DC offset currents originating at the electrode-electrolyte interface [19]. On this basis, IC designers
for biomedical devices have shown a relevant effort to reduce any mismatch between the current
sources that provide the biphasic pulse at the electrodes-tissue interface. The more macroscopic each
electrode-tissue interface’s size, the more significant is the mismatch over time and between implantees.
This represents a bottleneck in the DC offset current generation. Based on the weakness of the signal
to monitor (tens of nanoamperes), the DC offset current value in the literature usually refers to CAD
simulation or measurements where the electrodes and the tissues are substituted with an equivalent
quasi-static loss electric model constituted by passive components (resistor in series with a parallel
capacitor and resistor). Moreover, such a DC offset current value reported in the literature relates to a
defined stimulation pattern and a specific set of electrical parameters of the biphasic signal [12–18].
In this paper, the DC offset currents generated by a neural IC implant that provides the current
stimulation through a platinum electrode matrix placed in a saline bath are investigated. This is because
measurement results performed with physiological saline emulate at best the real case where the electrodes
interface with tissues in neural implantation. The most common hexagonal stimulation patterns operating
in different conditions of biphasic pulses’ amplitude and duration have been analyzed. An automatic
measurement setup aimed to monitor DC offset current is described in Section 2. Then, the procedure
for a reliable data acquisition is shown in Section 3. In Section 4, the measurement results according
to a different frequency, amplitude, and duration of the biphasic pulses and for different stimulation
patterns are shown. The DC offset currents of two hexagonal stimulation sites operating simultaneously
or stand-alone are investigated. In Section 5, the conclusions are drawn.
2. Measurement Setup
2.1. System Overview
The purpose of the measurement test bench is to monitor the DC offset currents generated by
platinum electrodes in a saline bath when they are actively driven by a neural stimulator. This is to
validate the safety of the overall system (from the neural IC implant to the electrode matrix), as well as
the chosen stimulation regime. The sketch of the DC offset current measurement test bench and the
respective photo are shown in Figure 2.
Such a test bench is remotely controlled by a personal computer (PC in Figure 2) running an automated
test bench (USB controlled by Matlab) aimed to measure DC offset currents through a statistical approach
based on data storage redundancy to achieve valuable results. Notice that because of the weak nature of
the signal to be monitored, the measurement setup is placed into a metal enclosure that acts as a Faraday
cage. Such metal enclosures help in minimizing power line interference, external noise, and any rapid
drift in temperature and airflow during the measurements. Figure 3 shows the content of the Faraday
cage. A graphic interface defines the stimulation pattern sending the related protocol to the telemetry
module (left side in Figure 3). This, in turn, sets the electric specifications of the biphasic current pulses
of the IC stimulator through a fully differential two-wire interface. The IC neural stimulator employed
in the investigation reported in this paper [18] is placed into a specific module test board (bottom-center
in Figure 3). Each of the biphasic currents delivered by the neural stimulator flow through a sense
resistor mounted on the test board to the respective electrode in a saline bath (bottom-right in Figure 3).
6](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-21-320.jpg)
![Electronics 2020, 9, 1198
Telemetry
IC Module
Test Board
Headers/Electrodes
Matrix Adapter
Electrodes Array
into Saline Bath
PC
Faraday Cage
DC Offset
Current
Test Board
Multimeter
Stimulator
IC Module
Two-Wire
Interface
Analog MUX
Control Board
Power
Supply
Faraday Cage
Multimeter
Power Supply
PC
a) b)
Figure 2. (a) Sketch of the DC offset current measurement test bench. (b) Respective photo.
Figure 3. DC offset current measurement setup inside the metal enclosure as depicted in Figure 2.
2.2. DC Offset Current Detection Test Board
The test board represented in Figure 4 allows the detection of the DC offset currents by means of the
voltages produced by each biphasic current pulse flowing through a sense resistor. Indeed, such voltages
are low pass filtered before being amplified by a cascade of two low offsets, low input bias current
instrumentation amplifiers (Linear Technology, LT1167 [20]) for each channel (Figure 4). Since the system
needs to measure DC offset current lower than 100 nA across a sense resistor of 100 Ω, corresponding to a
voltage drop of 10 μV, two gain stages are used. In order to circumvent the increase in required PCB area
and system cost, the final design consists of 16 copies of the instrumentation amplifier. The outputs from
such amplifiers are subsequently multiplexed to a second stage instrumentation amplifier with a gain of
100 via an analog multiplexer (ADG426 [21]). The overall system can evaluate current adequately down
7](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-22-320.jpg)
![Electronics 2020, 9, 1198
to 10 nA. The acquired data are sent to the microcontroller (analog MUX control board in Figures 2a and 3)
via USB. Such a microcontroller drives the analog multiplexer on the PCB where the above-mentioned
matrix of sense resistance and the cascade gain stage are placed. The output of the analog multiplexer is
measured by a multimeter (Agilent 34411A) that is interfaced with the personal computer via USB (as in
Figure 2).
...
Analog
MUX
Fully Differential
Gain Stage Array
Gain Stage
Filters Array
100kW
0603
100kW
0603
22 F
0603
μ
x16
VSS=-15V
VSS=15V
100W
0603
From
IC Neural
Stimulator
To Electrodes
Matrix into
the saline bath
Sense
Resistors
Array
DC Offset Current
Detection
Test Board
ADG426
LT1167
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
To
Multimeter
x16 x16
VSS=-15V
VSS=15V
LT1167
Figure 4. Sketch of the DC offset current detection test board.
2.3. Platinum Electrodes Matrix
A matrix consisting of 24 electrodes (Figure 5a [22]) is placed into a saline bath with another
single bigger electrode as in Figure 5b. Both are inserted and isolated (through silicone) into a slot on
the lid of a sample jar containing the artificial physiological saline solution. The bigger electrode is
employed as the monopolar return used to assess the quasi-monopolar stimulations pattern described
in Section 3. The platinum electrodes are hermetically enclosed in a physiological saline bath using
silicone. This is to keep the same ion concentration in the saline bath so that the physiological saline
does not need to be replaced every new day of measurements. Moreover, thanks to the silicone’s
presence, a reciprocal distance between the electrode matrix and the return electrode (≈1 cm) is set.
730 m
μ
380 m
μ
b)
a)
Saline bath
To the adapter
Return Electrode
Electrode matrix
Return Electrode
terminal
Figure 5. (a) Photo of the 24 electrode matrix (E24015) used in the DC offset current measurement
setup [22]. (b) Saline bath.
8](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-23-320.jpg)
![Electronics 2020, 9, 1198
3. Stimulation Procedures And Methods
3.1. Preliminary Procedures
Before providing the biphasic stimulation and running the DC offset current measurements,
a robust setup has to be built taking into account the critical interfacing with the electrodes in a saline
bath. For this reason, the electrode matrix was carefully cleaned and connected to the neural IC implant
according to the following procedures. First, a drop of 80% ethanol solution is applied on the electrode
matrix and to facilitate the gentle removal of the accumulated particles (if any) on the surface of the
electrodes with the tip of a tweezer. Indeed, particles can lay on the surface of the electrodes as a result
of ionic impurities within the saline solution (i.e., silicone employed for the electrode matrix and return
electrode (RE) enclosure in the saline bath) after long runs of measurements with the same saline bath.
After this first cleaning, the electrode matrix is rinsed and left in deionized water for a few hours
before starting DC offset current measurements. Then, the electrode matrix is immersed into the saline
bath and connected to the respective terminals through an adapter. This adapter is then connected to
the headers of the DC offset current detection test board. As a final check of the connections of the
entire measurement setup (neuro IC implant, DC offset current test board, header/electrodes adapter,
and electrode matrix in the saline bath), the biphasic pulse is visualized with a scope. The probe-scope
is then removed during the measurement procedures. To avoid current flowing into the diode of the
amplifiers, the voltage supply dynamic range of the amplifier on the DC offset current test board has
to be higher (±15 V) than the voltage dynamic range of the neural stimulator (12 V).
3.2. Stimulation Patterns
The two most common retinal stimulation patterns employed to restore the sight in visually
impaired persons are sketched in Figure 6 where they are named as the All Adjacent (AA) and the
Hex Quasi-monopolar (HQ) return configurations. In both configurations, the electrodes are arranged in
a hexagonal pattern that represents the elementary stimulation site. In the All Adjacent configuration
(Figure 6a), the current flows to the tissues from the center of the hexagon, and the current return path is
through the six surrounding electrodes [23]. This stimulation arrangement ensures that the stimulation
current flow is localized to each hex center, but at the same time, such localized current flow reduces the
current flow to excitable tissue when compared with stimulating against a distant return electrode. For this
reason, an improved stimulation approach is represented by the hex quasi-monopolar configuration
sketched in Figure 6b. In this approach, in addition to the localized hexagon site, the current can also flow
to a distant, large, and low-impedance monopolar return electrode located on the stimulating module
capsule. This arrangement allows for a decrease in the power drawn by the system [24].
RE
RE
0
2
1 2
1
4
5
6
I0
All Adjacent Hex-Quasi Monopolar
I1 I2
I6 I4
I5
3 0
2
1 2
1
4
5
6
I0 I1 I2
I6 I4
I5
3
Saline
bath
I3 IRE IRE
I3
b)
a)
Saline
bath
Figure 6. Sketch of (a) All Adjacent (AA) and (b) Hex Quasi-monopolar (HQ) return stimulation
patterns with the respective current pulses’ directions and the return electrode (RE).
9](https://image.slidesharecdn.com/25327736-250524183804-775b108f/85/Design-And-Application-Of-Biomedical-Circuits-And-Systems-Alberto-Yufera-24-320.jpg)
Design And Application Of Biomedical Circuits And Systems Alberto Yufera
- 1. Design And Application Of Biomedical Circuits And Systems Alberto Yufera download https://ebookbell.com/product/design-and-application-of- biomedical-circuits-and-systems-alberto-yufera-50655472 Explore and download more ebooks at ebookbell.com
- 2. Here are some recommended products that we believe you will be interested in. You can click the link to download. Design And Applications Of Nanoparticles In Biomedical Imaging 1st Edition J W M Bulte https://ebookbell.com/product/design-and-applications-of- nanoparticles-in-biomedical-imaging-1st-edition-j-w-m-bulte-5702362 Design Synthesis Multifunctionalization And Biomedical Applications Of Multifunctional Mesoporous Silicabased Drug Delivery Nanosystems 1st Edition Yu Chen Auth https://ebookbell.com/product/design-synthesis-multifunctionalization- and-biomedical-applications-of-multifunctional-mesoporous-silicabased- drug-delivery-nanosystems-1st-edition-yu-chen-auth-5358038 Principles Of Transducers Biomedical Instrumentation Designs And Applications Sachan Book 11 Dr Vibhav Kumar Sachan https://ebookbell.com/product/principles-of-transducers-biomedical- instrumentation-designs-and-applications-sachan-book-11-dr-vibhav- kumar-sachan-232802544 Design And Application Of A Security Analysis Method For Healthcare Telematics In Germany Ali Sunyaev https://ebookbell.com/product/design-and-application-of-a-security- analysis-method-for-healthcare-telematics-in-germany-ali- sunyaev-2222706
- 3. Design And Application Of The Worm Gear Crosher William P https://ebookbell.com/product/design-and-application-of-the-worm-gear- crosher-william-p-5393868 Design And Application Of Modern Synchronous Generator Excitation Systems Li https://ebookbell.com/product/design-and-application-of-modern- synchronous-generator-excitation-systems-li-10823094 Mixdesign And Application Of Hydraulic Grouts For Masonry Strengthening Androniki Miltiadoufezans https://ebookbell.com/product/mixdesign-and-application-of-hydraulic- grouts-for-masonry-strengthening-androniki-miltiadoufezans-46371810 Practical Design And Application Of Model Predictive Control Mpc For Matlabr And Simulinkr Users Nassim Khaled Bibin Pattel https://ebookbell.com/product/practical-design-and-application-of- model-predictive-control-mpc-for-matlabr-and-simulinkr-users-nassim- khaled-bibin-pattel-48984036 Innovations In The Design And Application Of Alternative Digital Credentials Daniel Piedra https://ebookbell.com/product/innovations-in-the-design-and- application-of-alternative-digital-credentials-daniel-piedra-43683172
- 5. Design and Application of Biomedical Circuits and Systems Printed Edition of the Special Issue Published in Electronics www.mdpi.com/journal/electronics Alberto Yufera, Gloria Huertas and Belen Calvo Edited by
- 6. Design and Application of Biomedical Circuits and Systems
- 8. Design and Application of Biomedical Circuits and Systems Editors Alberto Yufera Gloria Huertas Belen Calvo MDPI • Basel • Beijing • Wuhan • Barcelona • Belgrade • Manchester • Tokyo • Cluj • Tianjin
- 9. Editors Alberto Yufera Universidad de Sevilla Spain Gloria Huertas Universidad de Sevilla Spain Belen Calvo University of Zaragoza Spain Editorial Office MDPI St. Alban-Anlage 66 4052 Basel, Switzerland This is a reprint of articles from the Special Issue published online in the open access journal Electronics (ISSN 2079-9292) (available at: https://www.mdpi.com/journal/electronics/special issues/biomedical circuits systems). For citation purposes, cite each article independently as indicated on the article page online and as indicated below: LastName, A.A.; LastName, B.B.; LastName, C.C. Article Title. Journal Name Year, Volume Number, Page Range. ISBN 978-3-0365-0238-0 (Hbk) ISBN 978-3-0365-0239-7 (PDF) © 2021 by the authors. Articles in this book are Open Access and distributed under the Creative Commons Attribution (CC BY) license, which allows users to download, copy and build upon published articles, as long as the author and publisher are properly credited, which ensures maximum dissemination and a wider impact of our publications. The book as a whole is distributed by MDPI under the terms and conditions of the Creative Commons license CC BY-NC-ND.
- 10. Contents About the Editors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Preface to ”Design and Application of Biomedical Circuits and Systems” . . . . . . . . . . . . ix Alberto Yúfera, Gloria Huertas and Belen Calvo Design and Application of Biomedical Circuits and Systems Reprinted from: Electronics 2020, 9, 1920, doi:10.3390/electronics9111920 . . . . . . . . . . . . . . 1 Orazio Aiello On the DC Offset Current Generated during Biphasic Stimulation: Experimental Study Reprinted from: Electronics 2020, 9, 1198, doi:10.3390/electronics9081198 . . . . . . . . . . . . . . 5 Tyler Ward, Neil Grabham, Chris Freeman, Yang Wei, Ann-Marie Hughes, Conor Power, John Tudor and Kai Yang Multichannel Biphasic Muscle Stimulation System for Post Stroke Rehabilitation Reprinted from: Electronics 2020, 9, 1156, doi:10.3390/electronics9071156 . . . . . . . . . . . . . . 19 Alberto López, Francisco Ferrero, José Ramón Villar and Octavian Postolache High-Performance Analog Front-End (AFE) for EOG Systems Reprinted from: Electronics 2020, 9, 970, doi:10.3390/electronics9060 . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Fnu Tala and Benjamin C. Johnson MEDUSA: A Low-Cost, 16-Channel Neuromodulation Platform with Arbitrary Waveform Generation Reprinted from: Electronics 2020, 9, 812, doi:10.3390/electronics9050812 . . . . . . . . . . . . . . 49 Stefano Ricci and Valentino Meacci FPGA-Based Doppler Frequency Estimator for Real-Time Velocimetry Reprinted from: Electronics 2020, 9, 456, doi:10.3390/electronics9030456 . . . . . . . . . . . . . . . 65 Yue Tang, Ronghui Chang, Limin Zhang and Feng Yan An Interference Suppression Method for Non-Contact Bioelectric Acquisition Reprinted from: Electronics 2020, 9, 293, doi:10.3390/electronics9020293 . . . . . . . . . . . . . . . 83 Hoyoung Yu and Youngmin Kim New RSA Encryption Mechanism Using One-Time Encryption Keys and Unpredictable Bio-Signal for Wireless Communication Devices Reprinted from: Electronics 2020, 9, 246, doi:10.3390/electronics9020246 . . . . . . . . . . . . . . 101 Akira Tiele, Alfian Wicaksono, Sai Kiran Ayyala and James A. Covington Development of a Compact, IoT-Enabled Electronic Nose for Breath Analysis Reprinted from: Electronics 2020, 9, 84, doi:10.3390/electronics9010084 . . . . . . . . . . . . . . . 111 Jaejin Lee, Yangmo Yoo, Changhan Yoon and Tai-kyong Song A Computationally Efficient Mean Sound Speed Estimation Method Based on an Evaluation of Focusing Quality for Medical Ultrasound Imaging Reprinted from: Electronics 2019, 8, 1368, doi:10.3390/electronics8111368 . . . . . . . . . . . . . . 127 v
- 11. Bardia Yousefi, Hossein Memarzadeh Sharifipour, Mana Eskandari, Clemente Ibarra-Castanedo, Denis Laurendeau, Raymond Watts, Matthieu Klein and Xavier P. V. Maldague Incremental Low Rank Noise Reduction for Robust Infrared Tracking of Body Temperature during Medical Imaging Reprinted from: Electronics 2019, 8, 1301, doi:10.3390/electronics8111301 . . . . . . . . . . . . . . 137 Rifky Ismail, Mochammad Ariyanto, Inri A. Perkasa, Rizal Adirianto, Farika T. Putri, Adam Glowacz and Wahyu Caesarendra Soft Elbow Exoskeleton for Upper Limb Assistance Incorporating Dual Motor-Tendon Actuator Reprinted from: Electronics 2019, 8, 1184, doi:10.3390/electronics8101184 . . . . . . . . . . . . . . 151 Emanuele Cardillo and Alina Caddemi Insight on Electronic Travel Aids for Visually Impaired People: A Review on the Electromagnetic Technology Reprinted from: Electronics 2019, 8, 1281, doi:10.3390/electronics8111281 . . . . . . . . . . . . . . 171 vi
- 12. About the Editors Alberto Yufera, Dr., Full Professor was born in Seville (Spain) in 1965. He graduated from Universidad de Sevilla, Spain, in Physics, Electronic field in 1988. He then joined the Departamento de Electrónica y Electromagnetismo, Universidad de Sevilla, later this year as Assistant Professor and, here, obtained his Ph.D. degree in 1994. Since 1991, he has belonged to the Departamento de Tecnologı́a Electrónica, Universidad de Sevilla, where he has served as Full Professor since 2012. In 1989, he became researcher at the Department of Analog Design of the National Microelectronics Canter (CNM), now Institute of Microelectronics at Seville (IMSE). He has participated in research projects financed by the Spanish Government and the European Community. He has published more than 100 technical papers in the main international journals and conferences in the field. His current research interests include analysis and design of analog integrated circuits and systems for signal processing; development of CAD tools for analog circuits, biomedical circuits, and system applications; and bioimpedance-based instrumentation in biological and clinical environments. Gloria Huertas received her Licenciado en Fı́sica and Doctor in Ciencias Fı́sicas in 1997 and 2004, respectively, both from Universidad de Sevilla, Spain. Since 1997, she has been with the Departamento de Electrónica y Electromagnetismo, Universidad de Sevilla, Spain, where she is Full Professor, as well as with the Instituto de Microelectrónica de Sevilla, Centro Nacional de Microelectrónica, Sevilla, Spain. Her current research interests are in the development of alternative bio-instrumentation circuits and systems required for classical reproduction and to propose new measurement techniques at bio-medical labs to improve the quality of acquired biosignals. She has published a book, several book chapters, and more than sixty articles in national and international journals and conferences in her scientific field. She has participated in research and development projects at both national and European level and in several industrial contracts as well as in international development cooperation projects. She also serves as a scientific reviewer for several national and international journals and conferences. It is also worth noting that she has four invention patents. Belen Calvo received his B.Sc. degree in Physics and Ph.D. degree in Electronic Engineering from the University of Zaragoza, Zaragoza, Spain, in 1999 and 2004, respectively. She is currently Senior Researcher with the Group of Electronic Design, Aragon Institute for Engineering Research (GDE-I3A), University of Zaragoza. Her current research interests include analog and mixed-mode CMOS IC design, on-chip programmable circuits, low-voltage low-power monolithic sensor interfaces, and wideband front-end IC transceivers. vii
- 14. Preface to ”Design and Application of Biomedical Circuits and Systems” Since the appearance of electronics as an enabling technology, circuits and systems have been developed to improve biomedical measurements and design new medical equipment for specific tests in the health field. Diagnosis, therapy, clinical testing, and bio-signal monitoring between other medical tasks are properly and accurately performed using electronic equipment and, today, are considered vital for medical data acquisition tasks. The development of new sensing technologies, biomaterials, microelectronic devices, microfluidic systems, micro-electro-mechanical systems (MEMs), etc., open the window to new biomedical circuits and systems opportunities to measure “better” and also using “alternative” methods to find the relevant information required by teams of physicians and biologists. This Special Issue is mainly devoted to incorporating proposals of bio-sensing signals based on new circuits and systems approaches. In general, it is focused on new bio-signal analog front-end (AFE) circuits; specific circuits development for known and new sensor/sensing approaches; circuits for biomedical signal processing; low-voltage and low-power circuits and their application to implants and wearable devices; circuits and systems for clinical applications; circuits for sensing/actuation in MEM systems, Lab-on-a-Chip (LoC), micro-total-analysis Systems (uTAS); and cell assays and manipulation. Other main topics covered in this Special Issue include circuits for bioimpedance test; capacitive-based circuits, circuits for new sensing devices and microeletrodes; ECG, EEG, EMG, EoG, etc. circuits and systems; circuits for implants and wearable devices; LP/LV circuits in biomedical environments; circuits and systems in clinical applications; circuits for cell, DNA, bacteria, virus assays; and brain interfaces. Alberto Yufera, Gloria Huertas, Belen Calvo Editors ix
- 16. electronics Editorial Design and Application of Biomedical Circuits and Systems Alberto Yúfera 1,*, Gloria Huertas 1 and Belen Calvo 2 1 Instituto de Microelectrónica de Sevilla (IMSE-CSIC), Universidad de Sevilla, Av. Americo Vespuccio 24, 41092 Sevilla, Spain; gloria@imse-cnm.csic.es 2 Grupo de Diseño Electrónico, Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (GDE-I3A), Universidad de Zaragoza, 50009 Zaragoza, Spain; becalvo@unizar.es * Correspondence: yufera@imse-cnm.csic.es Received: 5 November 2020; Accepted: 9 November 2020; Published: 15 November 2020 1. Introduction The development of new sensing technologies, biomaterials, microelectronic devices, microfluidic systems and micro-electro-mechanical systems (MEMs) etc., opens the window to new biomedical circuits and system opportunities to measure “better”, and to develop “alternative” methods to find relevant information for physician and biologist teams, in applications such as diagnosis, therapy, clinical tests and bio-signal monitoring. However, the accomplishment of new medical equipment for specific tests in the health field poses significant challenges regarding the electronic circuits and systems needed, whose performance is vital for proper and accurate data acquisition tasks. 2. Design and Application of Biomedical Circuits and Systems This Special Issue is devoted mainly to incorporating proposals of bio-sensing signals based on new circuits and system approaches. In general, it is focused on new bio-signal analog front-end (AFE) circuits; the development of specific circuits for known and new sensor/sensing approaches; circuits for biomedical signal processing; low-voltage and low-power (LV/LP) circuits and its application to implantable and wearable devices; circuits and systems for clinical applications; circuits for sensing/actuation in MEM systems, lab-on-a-chip (LoC), micro-total-analysis systems (uTAS); cell assays and manipulation, etc. Main topics of interest are well described by the Special Issue keywords (but not limited to): • Analog front-end (AFE) circuits; • Circuits for bioimpedance test; • Capacitive based circuits; • Circuits for new sensing devices and microelectrodes; • ECG, EEG, EMG, EoG etc. circuits and systems; • Circuits for implantable and wearable devices; • LP/LV circuits in biomedical environments; • Micro-energy harvesting; • Circuits and systems in clinical applications; • Circuits for cells, DNA, bacteria, viruses etc. assays; • Brain interfaces; • Internet of Things for remote healthcare; In the present Special Issue, twelve papers have been successfully incorporated. We hope you enjoy reading this Special Issue and are inspired to address the technological challenges to help the Electronics 2020, 9, 1920; doi:10.3390/electronics9111920 www.mdpi.com/journal/electronics 1
- 17. Electronics 2020, 9, 1920 medical industry and biologists to increase the human quality of life, which is the main objective. These are the contribution papers: 1. On the DC Offset Current Generated during Biphasic Stimulation: Experimental Study [1]. 2. Multichannel Biphasic Muscle Stimulation System for Post Stroke Rehabilitation [2]. 3. High-Performance Analog Front-End (AFE) for EOG Systems [3]. 4. MEDUSA: A Low-Cost, 16-Channel Neuromodulation Platform with Arbitrary Waveform Generation [4]. 5. FPGA-Based Doppler Frequency Estimator for Real-Time Velocimetry [5]. 6. An Interference Suppression Method for Non-Contact Bioelectric Acquisition [6]. 7. New RSA Encryption Mechanism Using One-Time Encryption Keys and Unpredictable Bio-Signal for Wireless Communication Devices [7]. 8. Development of a Compact, IoT-Enabled Electronic Nose for Breath Analysis [8]. 9. A Computationally Efficient Mean Sound Speed Estimation Method Based on an Evaluation of Focusing Quality for Medical Ultrasound Imaging [9]. 10. Incremental Low Rank Noise Reduction for Robust Infrared Tracking of Body Temperature during Medical Imaging [10]. 11. Soft Elbow Exoskeleton for Upper Limb Assistance Incorporating Dual Motor-Tendon Actuator [11]. 12. Insight on Electronic Travel Aids for Visually Impaired People: A Review on the Electromagnetic Technology [12]. We are conscious about the very wide scope of biomedical circuits and systems applications, and that our contribution it is only a grain of sand more, but we expect to be it useful for knowledge progress in the field. 3. Conclusions Biomedical engineering is today one of the most important research fields in the world. This fact is parallel with the health challenges surrounding the improvement of human health as one of the main vehicles to increase the quality of life. The maturity of many technologies, such as microelectronic, biomaterial, microfluidic, together with progress in the biology and medicine fields, develop alternative solutions for medical evaluation, diagnosis, therapy and research in general, opening the opportunity for new medical devices, e.g., lab-on-a-chip, wearable technology, and implants. The biomedical electronic industry supports the development of many of these new devices, as the main technologies for bio-signal acquisition, processing, and communication. In this Special Issue contribution, we present some significant contributions for biomedical applications, which, of course, should be fulfilled and improved by future contributions. Author Contributions: Conceptualization, A.Y., G.H. and B.C.; methodology, A.Y., G.H. and B.C.; writing—review and editing and project administration, A.Y., G.H. and B.C. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript. Funding: This research received no external funding. Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest. References 1. Aiello, O. On the DC Offset Current Generated during Biphasic Stimulation: Experimental Study. Electronics 2020, 9, 1198. [CrossRef] 2. Ward, T.; Grabham, N.; Freeman, C.; Wei, Y.; Hughes, A.-M.; Power, C.; Tudor, J.; Yang, K. Multichannel Biphasic Muscle Stimulation System for Post Stroke Rehabilitation. Electronics 2020, 9, 1156. [CrossRef] 3. López, A.; Ferrero, F.; Villar, J.R.; Postolache, O. High-Performance Analog Front-End (AFE) for EOG Systems. Electronics 2020, 9, 970. [CrossRef] 2
- 18. Electronics 2020, 9, 1920 4. Tala, F.; Johnson, B.C. MEDUSA: A Low-Cost, 16-Channel Neuromodulation Platform with Arbitrary Waveform Generation. Electronics 2020, 9, 812. [CrossRef] 5. Ricci, S.; Meacci, V. FPGA-Based Doppler Frequency Estimator for Real-Time Velocimetry. Electronics 2020, 9, 456. [CrossRef] 6. Tang, Y.; Chang, R.; Zhang, L.; Yan, F. An Interference Suppression Method for Non-Contact Bioelectric Acquisition. Electronics 2020, 9, 293. [CrossRef] 7. Yu, H.; Kim, Y. New RSA Encryption Mechanism Using One-Time Encryption Keys and Unpredictable Bio-Signal for Wireless Communication Devices. Electronics 2020, 9, 246. [CrossRef] 8. Tiele, A.; Wicaksono, A.; Ayyala, S.K.; Covington, J.A. Development of a Compact, IoT-Enabled Electronic Nose for Breath Analysis. Electronics 2020, 9, 84. [CrossRef] 9. Lee, J.; Yoo, Y.; Yoon, C.; Song, T.-k. A Computationally Efficient Mean Sound Speed Estimation Method Based on an Evaluation of Focusing Quality for Medical Ultrasound Imaging. Electronics 2019, 8, 1368. [CrossRef] 10. Yousefi, B.; Sharifipour, H.M.; Eskandari, M.; Ibarra-Castanedo, C.; Laurendeau, D.; Watts, R.; Klein, M.; Maldague, X.P.V. Incremental Low Rank Noise Reduction for Robust Infrared Tracking of Body Temperature during Medical Imaging. Electronics 2019, 8, 1301. [CrossRef] 11. Ismail, R.; Ariyanto, M.; Perkasa, I.A.; Adirianto, R.; Putri, F.T.; Glowacz, A.; Caesarendra, W. Soft Elbow Exoskeleton for Upper Limb Assistance Incorporating Dual Motor-Tendon Actuator. Electronics 2019, 8, 1184. [CrossRef] 12. Cardillo, E.; Caddemi, A. Insight on Electronic Travel Aids for Visually Impaired People: A Review on the Electromagnetic Technology. Electronics 2019, 8, 1281. [CrossRef] Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). 3
- 20. electronics Article On the DC Offset Current Generated during Biphasic Stimulation: Experimental Study Orazio Aiello Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, Singapore 117583, Singapore; orazio.aiello@nus.edu.sg Received: 30 June 2020; Accepted: 22 July 2020; Published: 25 July 2020 Abstract: This paper deals with the DC offset currents generated by a platinum electrode matrix during biphasic stimulation. A fully automated test bench evaluates the nanoampere range DC offset currents in a realistic and comprehensive scenario by using platinum electrodes in a saline solution as a load for the stimulator. Measurements are performed on different stimulation patterns for single or dual hexagonal stimulation sites operating simultaneously and alternately. The effectiveness of the return electrode presence in reducing the DC offset current is considered. Experimental results show how for a defined nominal injected charge, the generated DC offset currents differ depending on the stimulation patterns, frequency, current amplitude, and pulse width of a biphasic signal. Keywords: DC offset current; electrode stimulation; biphasic signal; platinum electrode matrix 1. Introduction Neural stimulation shows reliable effectiveness in concrete cures where traditional medication is not as effective at reducing tremors in epilepsy or in restoring the sight in a person affected by retinitis pigmentosa. To elicit nerve activities, tissues are usually excited by zero-net charge biphasic current pulses [1], whose features are reported in Figure 1. The first cathodic pulse usually elicits the desired neural response, while the second pulse only aims to neutralize charge across the stimulated tissues. A perfect charge balance in the neural stimulator, such as cochlear or retinal integrated circuit (IC) implants, is required to avoid DC currents or electrode resting potentials that can generate toxic species and, in turn, damage tissues [2–11]. Cathodic Amplitude= -IPULSE Anodic Amplitude= IPULSE Cathodic Width= TPULSE Interphase Delay Anodic Width= TPULSE Period t I -QPULSE QPULSE Figure 1. Pictorial representation of a biphasic current stimulation. Typical electric characteristics are highlighted. The charge during the opposite phases of sourcing and sinking currents should be balanced, as well as the impedance of the electrodes needs to be perfectly matched. For this purpose, several Electronics 2020, 9, 1198; doi:10.3390/electronics9081198 www.mdpi.com/journal/electronics 5
- 21. Electronics 2020, 9, 1198 techniques and stimulation strategies for a precise charge balancing have been proposed at the IC level to minimize the undesired DC offset current generated by the biphasic stimulation [12–18]. During a biphasic stimulation, each platinum electrode in the saline bath defines an electrode-electrolyte interface while a charge is injected through faradaic and non-faradaic charge-transfer mechanisms. These can lead to changes in the surface chemistry of the platinum electrodes under study and are the source of DC offset currents originating at the electrode-electrolyte interface [19]. On this basis, IC designers for biomedical devices have shown a relevant effort to reduce any mismatch between the current sources that provide the biphasic pulse at the electrodes-tissue interface. The more macroscopic each electrode-tissue interface’s size, the more significant is the mismatch over time and between implantees. This represents a bottleneck in the DC offset current generation. Based on the weakness of the signal to monitor (tens of nanoamperes), the DC offset current value in the literature usually refers to CAD simulation or measurements where the electrodes and the tissues are substituted with an equivalent quasi-static loss electric model constituted by passive components (resistor in series with a parallel capacitor and resistor). Moreover, such a DC offset current value reported in the literature relates to a defined stimulation pattern and a specific set of electrical parameters of the biphasic signal [12–18]. In this paper, the DC offset currents generated by a neural IC implant that provides the current stimulation through a platinum electrode matrix placed in a saline bath are investigated. This is because measurement results performed with physiological saline emulate at best the real case where the electrodes interface with tissues in neural implantation. The most common hexagonal stimulation patterns operating in different conditions of biphasic pulses’ amplitude and duration have been analyzed. An automatic measurement setup aimed to monitor DC offset current is described in Section 2. Then, the procedure for a reliable data acquisition is shown in Section 3. In Section 4, the measurement results according to a different frequency, amplitude, and duration of the biphasic pulses and for different stimulation patterns are shown. The DC offset currents of two hexagonal stimulation sites operating simultaneously or stand-alone are investigated. In Section 5, the conclusions are drawn. 2. Measurement Setup 2.1. System Overview The purpose of the measurement test bench is to monitor the DC offset currents generated by platinum electrodes in a saline bath when they are actively driven by a neural stimulator. This is to validate the safety of the overall system (from the neural IC implant to the electrode matrix), as well as the chosen stimulation regime. The sketch of the DC offset current measurement test bench and the respective photo are shown in Figure 2. Such a test bench is remotely controlled by a personal computer (PC in Figure 2) running an automated test bench (USB controlled by Matlab) aimed to measure DC offset currents through a statistical approach based on data storage redundancy to achieve valuable results. Notice that because of the weak nature of the signal to be monitored, the measurement setup is placed into a metal enclosure that acts as a Faraday cage. Such metal enclosures help in minimizing power line interference, external noise, and any rapid drift in temperature and airflow during the measurements. Figure 3 shows the content of the Faraday cage. A graphic interface defines the stimulation pattern sending the related protocol to the telemetry module (left side in Figure 3). This, in turn, sets the electric specifications of the biphasic current pulses of the IC stimulator through a fully differential two-wire interface. The IC neural stimulator employed in the investigation reported in this paper [18] is placed into a specific module test board (bottom-center in Figure 3). Each of the biphasic currents delivered by the neural stimulator flow through a sense resistor mounted on the test board to the respective electrode in a saline bath (bottom-right in Figure 3). 6
- 22. Electronics 2020, 9, 1198 Telemetry IC Module Test Board Headers/Electrodes Matrix Adapter Electrodes Array into Saline Bath PC Faraday Cage DC Offset Current Test Board Multimeter Stimulator IC Module Two-Wire Interface Analog MUX Control Board Power Supply Faraday Cage Multimeter Power Supply PC a) b) Figure 2. (a) Sketch of the DC offset current measurement test bench. (b) Respective photo. Figure 3. DC offset current measurement setup inside the metal enclosure as depicted in Figure 2. 2.2. DC Offset Current Detection Test Board The test board represented in Figure 4 allows the detection of the DC offset currents by means of the voltages produced by each biphasic current pulse flowing through a sense resistor. Indeed, such voltages are low pass filtered before being amplified by a cascade of two low offsets, low input bias current instrumentation amplifiers (Linear Technology, LT1167 [20]) for each channel (Figure 4). Since the system needs to measure DC offset current lower than 100 nA across a sense resistor of 100 Ω, corresponding to a voltage drop of 10 μV, two gain stages are used. In order to circumvent the increase in required PCB area and system cost, the final design consists of 16 copies of the instrumentation amplifier. The outputs from such amplifiers are subsequently multiplexed to a second stage instrumentation amplifier with a gain of 100 via an analog multiplexer (ADG426 [21]). The overall system can evaluate current adequately down 7
- 23. Electronics 2020, 9, 1198 to 10 nA. The acquired data are sent to the microcontroller (analog MUX control board in Figures 2a and 3) via USB. Such a microcontroller drives the analog multiplexer on the PCB where the above-mentioned matrix of sense resistance and the cascade gain stage are placed. The output of the analog multiplexer is measured by a multimeter (Agilent 34411A) that is interfaced with the personal computer via USB (as in Figure 2). ... Analog MUX Fully Differential Gain Stage Array Gain Stage Filters Array 100kW 0603 100kW 0603 22 F 0603 μ x16 VSS=-15V VSS=15V 100W 0603 From IC Neural Stimulator To Electrodes Matrix into the saline bath Sense Resistors Array DC Offset Current Detection Test Board ADG426 LT1167 . . . . . . . . . . . . . . . . . . To Multimeter x16 x16 VSS=-15V VSS=15V LT1167 Figure 4. Sketch of the DC offset current detection test board. 2.3. Platinum Electrodes Matrix A matrix consisting of 24 electrodes (Figure 5a [22]) is placed into a saline bath with another single bigger electrode as in Figure 5b. Both are inserted and isolated (through silicone) into a slot on the lid of a sample jar containing the artificial physiological saline solution. The bigger electrode is employed as the monopolar return used to assess the quasi-monopolar stimulations pattern described in Section 3. The platinum electrodes are hermetically enclosed in a physiological saline bath using silicone. This is to keep the same ion concentration in the saline bath so that the physiological saline does not need to be replaced every new day of measurements. Moreover, thanks to the silicone’s presence, a reciprocal distance between the electrode matrix and the return electrode (≈1 cm) is set. 730 m μ 380 m μ b) a) Saline bath To the adapter Return Electrode Electrode matrix Return Electrode terminal Figure 5. (a) Photo of the 24 electrode matrix (E24015) used in the DC offset current measurement setup [22]. (b) Saline bath. 8
- 24. Electronics 2020, 9, 1198 3. Stimulation Procedures And Methods 3.1. Preliminary Procedures Before providing the biphasic stimulation and running the DC offset current measurements, a robust setup has to be built taking into account the critical interfacing with the electrodes in a saline bath. For this reason, the electrode matrix was carefully cleaned and connected to the neural IC implant according to the following procedures. First, a drop of 80% ethanol solution is applied on the electrode matrix and to facilitate the gentle removal of the accumulated particles (if any) on the surface of the electrodes with the tip of a tweezer. Indeed, particles can lay on the surface of the electrodes as a result of ionic impurities within the saline solution (i.e., silicone employed for the electrode matrix and return electrode (RE) enclosure in the saline bath) after long runs of measurements with the same saline bath. After this first cleaning, the electrode matrix is rinsed and left in deionized water for a few hours before starting DC offset current measurements. Then, the electrode matrix is immersed into the saline bath and connected to the respective terminals through an adapter. This adapter is then connected to the headers of the DC offset current detection test board. As a final check of the connections of the entire measurement setup (neuro IC implant, DC offset current test board, header/electrodes adapter, and electrode matrix in the saline bath), the biphasic pulse is visualized with a scope. The probe-scope is then removed during the measurement procedures. To avoid current flowing into the diode of the amplifiers, the voltage supply dynamic range of the amplifier on the DC offset current test board has to be higher (±15 V) than the voltage dynamic range of the neural stimulator (12 V). 3.2. Stimulation Patterns The two most common retinal stimulation patterns employed to restore the sight in visually impaired persons are sketched in Figure 6 where they are named as the All Adjacent (AA) and the Hex Quasi-monopolar (HQ) return configurations. In both configurations, the electrodes are arranged in a hexagonal pattern that represents the elementary stimulation site. In the All Adjacent configuration (Figure 6a), the current flows to the tissues from the center of the hexagon, and the current return path is through the six surrounding electrodes [23]. This stimulation arrangement ensures that the stimulation current flow is localized to each hex center, but at the same time, such localized current flow reduces the current flow to excitable tissue when compared with stimulating against a distant return electrode. For this reason, an improved stimulation approach is represented by the hex quasi-monopolar configuration sketched in Figure 6b. In this approach, in addition to the localized hexagon site, the current can also flow to a distant, large, and low-impedance monopolar return electrode located on the stimulating module capsule. This arrangement allows for a decrease in the power drawn by the system [24]. RE RE 0 2 1 2 1 4 5 6 I0 All Adjacent Hex-Quasi Monopolar I1 I2 I6 I4 I5 3 0 2 1 2 1 4 5 6 I0 I1 I2 I6 I4 I5 3 Saline bath I3 IRE IRE I3 b) a) Saline bath Figure 6. Sketch of (a) All Adjacent (AA) and (b) Hex Quasi-monopolar (HQ) return stimulation patterns with the respective current pulses’ directions and the return electrode (RE). 9
- 25. Random documents with unrelated content Scribd suggests to you:
- 26. Talonpoika alkoi talonpojan tapaan vannoen vakuutella, ettei hän ollut nähnyt mitään eikä tiedä mitään. Herra Zacwilichowski tiesi kuitenkin kenen kanssa hän on tekemisissä ja sanoi: — Vai olisit sinä, pakananpoika, tyynesti istunut tuolla tupasi seinustalla, kun kartanoa ryöstettiin. Kerro sinä sellaisia jollekulle muulle. Kas tuossa on kultainen dukaatti ja tuolla seinällä minun palvelijani miekka kädessä: valitse! Me poltamme kylän poroksi ja sinun tähtesi saavat vielä köyhät ihmiset kärsiä. Nyt vasta alkoi naapurinisäntä kertoa, mitä hän oli nähnyt. Kun kasakat olivat alkaneet mellastaa asepihalla kartanon edustalla, oli hän yhdessä muiden kanssa lähtenyt katsomaan, mitä siellä oikein tapahtuu. Silloin saivat he kuulla, että vanha ruhtinatar ja nuoret ruhtinaat olivat surmatut ja että Mikolai oli haavoittanut atamania, joka makasi melkein hengettömänä. Mitä neidille oli tapahtunut, sitä he eivät saaneet tietää, mutta varhain seuraavana päivänä he kuulivat, että hän oli paennut erään aatelismiehen kanssa, joka oli saapunut Bohunin seurassa. — Siinä se nyt on, sanoi herra Zacwilichowski. — Tuossa saat, mies, kultaisen dukaatin, ymmärräthän nyt, ettei sinulle tehdä vääryyttä. Mutta näitkö sinä tuota aatelismiestä? Oliko hän kotoisin näiltä seuduin? — Näin kyllä, herra, mutta ei hän ollut täkäläisiä. — No minkä näköinen hän oli? — Paksu, herra, aivan niinkuin uuni, ja harmaapartainen, ja kiroili kuin kerjäläinen. Ja toissilmäinen hän oli.
- 27. — Jumaliste, sanoi herra Longinus, — sehän on herra Zagloba, kukas muuten. — Zaglobako? Kunhan vain ei olisikin Zagloba! Kuka sitä olisi uskonut. Hän on tietysti Czehrynissä seurustellut Bohunin kanssa, juonut ja pelannut luupeliä. Hän se sittenkin varmaan on. Kaikki merkit sopivat häneen. Herra Zacwilichowski kääntyi uudelleen talonpojan puoleen. — Ja juuri tuo aatelismieskö pakeni neidin kanssa? — Sama mies, niin me kuulimme puhuttavan. — Ja te tunnette hyvin Bohunin? — Kuinkas emme tuntisi, hänhän on oleskellut täällä kuukausikaupoilla. — Mutta ehkä tuo aatelismies Bohunin tahdosta vei pois neidin? — Mitä kanssa, hän oli sitonut Bohunin ja kietonut vaipan hänen ympärillensä. Mutta neidin, niin kumminkin kerrotaan, hän oli ryöstänyt kenenkään aavistamatta. Atamani oli ulvonut ja itkenyt kuin orpolapsi. Päivän tullessa hän oli käskenyt sitoa itsensä hevosten väliin ja ratsastanut Lubnieen. Ei kuitenkaan saanut kiinni karkulaisia ja lähti sitte toiselle suunnalle. — Jumalan kiitos, sanoi Migurski, — ruhtinatar saattaa olla Lubniessa, sillä se ei merkitse mitään että he ratsastivat Czerkasyynkin päin. Kun eivät löytäneet häntä sieltä, niin yrittivät täältäkin.
- 28. Herra Skrzetuski lankesi polvilleen ja vaipui hartaaseen rukoukseen. — No, no, mutisi vanha horonzi, — enpäs minä olisi luullut Zaglobassa olevan sitä sisua, että hän uskaltaisi tappelemaan sellaisen reippaan miehen kanssa kuin Bohun, vaikka kyllä muistankin, että Zagloba oli herra Skrzetuskille hyvin suosiollinen, kun oli tältä saanut vanhaa Lubnien simaa, jota me yhdessä joimme Czehrynissä. Hän puhui Skrzetuskista useammankin kerran ja kutsui häntä kunnon kavaljeeriksi… No niin, no niin, ei tämä sittenkään mahdu minun päähäni, sillä hän joi aika useasti Bohunin rahoilla. Mutta että hän olisi sitonut Bohunin ja ryöstänyt mukaansa neidon, sellaista tekoa minä en olisi häneltä odottanut, sillä minä olen pitänyt häntä suorastaan kerskailijana ja pelkurina. Sukkela hän on suustaan, mutta aika valehtelija ja sellaisilla miehillä on tavallisesti koko rohkeutensa huulillaan. — Olkoon millainen hyvänsä, pääasia on, että hän on riistänyt nuoren ruhtinattaren rosvojen käsistä, sanoi herra Wolodyjowski. Ja koska Zaglobalta ei puutu viekkaita keinoja, niin varmaan hän pääsee pakoon ruhtinattaren kanssa ja toimittaa hänet turvallisuuteen. — Siitähän hänen omakin henkensä riippuu, huomautti Migurski. Sitte he kaikki kääntyivät herra Skrzetuskin puoleen: — Rauhoitu nyt, rakas toveri! — Vielä me kaikki saamme olla sinun sulhaspoikinasikin! — Ja juoda häitäsi! Zacwilichowski lisäsi:
- 29. — Jos hän on paennut Dnieperin taa ja saanut tiedon Korsunin tappiosta, niin hän varmaan on kääntynyt Czernigowiin päin ja siinä tapauksessa me saavutamme hänet matkalla. — Ystävämme murheitten ja tuskien onnelliseksi lopuksi! huudahti herra Sleszynski. Kaikki alkoivat kohottaa eläköönhuutoja herra Skrzetuskille, ruhtinatar Helenalle, heidän tuleville jälkeläisilleen ja herra Zagloballe. Niin kului yö. Aamun koittaessa ilmoitettiin torvien toitotuksella, että oli noustava ratsun selkään. Sotajoukot lähtivät liikkeelle Lubniea kohti. Marssi kävi nopeasti, sillä ruhtinaan joukot kulkivat muodostamatta pysähdyspaikoilla vaunu-leiriä. Herra Skrzetuski oli tahtonut tatarilaisen lippukunnan kanssa karauttaa edelle, mutta hän oli liian heikko ja sitäpaitsi halusi ruhtinas pidättää hänet omaan läheisyyteensä. Hän halusi näet kuulla kertomuksen luutnantin lähettimatkasta Sicziin. Ritarin täytyi siis ratsun selästä tehdä tiliä matkastansa. Hän kertoi kuinka Hortytsassa oli hyökätty hänen kimppuunsa ja miten hänet oli viety Sicziin. Kiistelyistään Chmielnickin kanssa hän jätti kertomatta, ettei tuntuisi siltä kuin hän tahtoisi kehua itseään. Pahimmin suututti ruhtinasta tieto siitä, ettei Grodzickilla ollut ruutia ja ettei hän siitä syystä voinut luvata pitää puoliaan. — Se on tavaton vahinko, sanoi ruhtinas, — sillä tämä linnoitus pystyisi ehkäisemään monta kapinaa ja kauvan tekemään vastarintaa. Todella suuri mies on herra Grodzicki, oikea valtakunnan decus et praesidium, kaunistus ja turva. Mutta miksei hän ole
- 30. lähettänyt minulta hakemaan ruutia? Olisinhan minä Lubnien kellareista antanut hänelle. — Hän nähtävästi arveli, että suurhetmanin virkansa puolesta tulee muistaa sellainen asia, sanoi herra Skrzetuski. — Mutta minä puolestani uskon…, sanoi ruhtinas ja vaikeni samassa. Hetken perästä hän kuitenkin jatkoi: — Suurhetmani on kyllä vanha ja kokenut sotilas, mutta hän on liiaksi luottanut itseensä ja se on kääntynyt hänelle pahaksi. Hänhän ei vähääkään välittänyt koko kapinasta ja kun minä kiiruhdin häntä auttamaan, niin ei hän ollut siitä ensinkään hyvillään. Hän ei tahtonut kenenkään kanssa jakaa kunniaa ja hän pelkäsi, että voitto luettaisiin minun ansiokseni… — Niin minäkin luulen, sanoi kunnioittavasti herra Skrzetuski. — Hän arveli voivansa ruoskalla rauhoittaa zaporogilaiset ja nyt näemme miten on käynyt. Jumala on rangaissut ylpeyden. Ja ylpeyden tähden, jota ei Jumalakaan suvaitse, sortuu myöskin tämä valtakunta eikä nähtävästi kukaan täällä ole syytön… Ruhtinas oli oikeassa: hän ei itsekään ollut syytön. Äskettäin, kun hänellä oli ollut oikeusjuttu herra Aleksander Koniecpolskin kanssa Hadziaczista, oli ruhtinas marssittanut neljätuhatta miestä Varsovaan ja antanut näille käskyn, että jos hänet pakoitetaan valantekoon senaatin edessä, niin on noiden neljäntuhannen hyökkääminen senaattorien istuntosaliin ja hakattava kaikki maahan. Ja tämän hän
- 31. teki pelkästä ylpeydestä, kun ei ylpeys sallinut hänen käydä valalle siinä tapauksessa ettei hänen pelkkään sanaansa uskottaisi. Ehkäpä hän tällä hetkellä muisti tuon oikeusjutun, sillä hän vaipui ajatuksiinsa ja ratsasti eteenpäin vaiti, silmät harhaellen pitkin laajoja aroja tien kahden puolen. Tai ehkäpä hän ajatteli sen valtakunnan kohtaloa, jota hän rakasti koko palavan sielunsa kaikilla voimilla ja jota nyt näytti lähestyvän dies irae et calamitatis, vihan ja tuhon päivä. Puolenpäivän jälkeen alkoivat vihdoin Sulan korkealta rannalta näkyä Lubnien kreikanuskoisten kirkkojen täyteläiset kupoolit sekä pyhän Mikaelin välkkyvä katto ja suippeat tornit. Verkalleen marssivat sotajoukot kaupunkiin. Ilta oli jo tulossa. Itse lähti ruhtinas heti linnaan, jossa edeltäpäin lähetettyjen määräysten mukaan kaiken tuli olla valmiina matkaa varten. Lippukunnat taas asettuivat yösijalle kaupunkiin eikä suinkaan ollut helppoa sijoittaa niitä kaikkia, sillä joukkoja oli suuria määriä. Saatuaan kuulla sisällisen sodan vaiheista Dnieperin oikealla rannalla ja peläten talonpoikaiskapinaa täälläkin, oli koko Dnieperin takainen aatelisto kiiruhtanut Lubineen. Sinne oli tullut aatelisia kaukaisilta maaseuduilta, mukanaan vaimot, lapset, palvelijat, hevoset, kamelit ja kokonaiset karjalaumat. Niinikään olivat Lubnieen kokoontuneet ruhtinaan komisariukset ja ala-starostat, kaikenlaiset aatelissäätyiset virkamiehet, vuokralaiset ja juutalaiset, sanalla sanoen kaikki, joita vastaan kapina saattoi kääntää puukkonsa terän. Näytti aivan siltä kuin Lubniessa olisi ollut suuret jokavuotiset markkinat, sillä sieltä ei puuttunut edes moskovalaisia kauppiaita tai Astrakanin tatareja. Nämäkin, ollen kauppamatkoilla Ukrainassa, olivat nimittäin pysähtyneet tänne sodan takia. Torilla nähtiin tuhansittain mitä erimuotoisimpia vankkureja, sekä sellaisia, joiden pyörät olivat sidotut pajunvitsoilla
- 32. että sellaisia, joissa pyörät olivat ilman puoloja ja veistetyt yhdestä ainoasta puusta. Siellä oli kasakkain rattaita ja aatelisten char à bancs'eja. Vihaisemmat vieraat asuivat linnassa ja majataloissa ja alhaisemmat sekä palvelusväki teltoissa kirkkojen läheisyydessä. Kaduille oli sytytetty nuotioita, joiden ääressä keitettiin ruokaa. Kaikkialla vallitsi tungos, häärinä ja hälinä kuin mehiläispesässä, kaikkialla vilisi mitä erilaisimpia pukuja ja värejä. Siellä oli ruhtinaan sotamiehiä eri lippukunnista: haidukkeja ja pajukkeja, sitte juutalaisia mustissa viitoissa, talonpoikia, armeenialaisia sinipunertavine lakkeineen ja tatareja lampaannahkaturkeissaan. Puhuttiin mitä erilaisimpia kieliä, kuului huutoja, kirouksia, lasten itkua, koirien haukuntaa ja karjan mylvinää. Saapuvia lippukuntia tervehtivät kansanjoukot riemuhuudoilla, sillä ne näkivät niissä turvansa ja pelastuksensa. Mentiin linnan luo korottamaan eläköönhuutoja ruhtinaalle ja ruhtinattarelle. Kansanjoukossa kierteli mitä erilaisimpia huhuja, muutamat olivat tietävinään, että ruhtinas jää Lubnieen, toiset taas väittivät hänen lähtevän Liettuaan, jonne siis täytyi kulkea hänen perässänsä. Olipa niitäkin, jotka kertoivat hänen jo lyöneen Chmielnickin. Mutta ruhtinas katseli, kun oli tervehtinyt puolisoansa ja ilmoittanut huomisesta lähdöstään, huolestuneena kaikkia noita kuorma- ja ihmisjoukkoja, jotka aikoivat lähteä kulkemaan sotaväen perässä ja jotka siten tulisivat vaikeuttamaan ja hidastuttamaan hänen marssiaan. Häntä lohdutti kuitenkin ajatus, että kun päästäisiin Brahimin tuolle puolen, rauhallisemmille seuduille, nuo joukot hajaantuisivat kukin omalle kulmalleen ja lakkaisivat olemasta sotajoukon taakkana. Ruhtinatar, hovi ja hovinaiset päätettiin lähettää Wisniowieciin, jotta ruhtinas rauhallisena ja esteettä voisi rynnätä tuleen koko voimallaan. Valmistukset linnassa olivat jo suoritetut, tavarat ja kalleudet kuormitetut vankkureihin, ruokavarat koottuina. Koko hovi oli
- 33. valmiina vaikkapa heti asettumaan vaunuihin ja hevosten selkään. Nämä valmistukset oli järjestänyt ja suorittanut ruhtinatar Griselda, jonka mieli onnettomuudessa oli yhtä suuri kuin ruhtinaankin. Tarmossaan ja luonteensa horjumattomuudessa hän miltei oli miehensä vertainen. Rakasta oli ruhtinaalle nähdä kotoiset seudut, vaikka häneen samalla kovasti koskikin, että hänen nyt täytyy jättää oma pesänsä Lubniessa, jossa hän on kokenut niin paljon onnea ja saavuttanut niin paljon mainetta. Kaikki muutkin olivat surun vallassa, sotajoukko palvelusväki ja hovi. Sillä kaikki olivat varmoja siitä, että ruhtinaan taistellessa kaukaisilla seuduilla, vihollinen ei tule jättämään Lubniea rauhaan, vaan kostaa näillä rakastetuilla muureilla kaikki ne kolaukset, jotka sitä kohtaavat ruhtinaan kädestä. Siksipä nyt itkettiin ja valitettiin, varsinkin surivat naiset ja ne, jotka olivat täällä syntyneet ja jotka tänne jättivät vanhempiensa haudat.
- 34. KAHDEKSAS LUKU. Herra Skrzetuski oli kulkenut lippukuntain etunenässä ja heti Lubnieen saavuttua kiiruhtanut linnaan tiedustelemaan ruhtinatarta ja Zaglobaa. Hän ei kuitenkaan löytänyt heitä täältä. Kukaan ei ollut heitä nähnyt eikä kuullut heistä, tiedettiin vain, että Rozlogiin oli tehty hyökkäys ja että Wasilowkan suojajoukko oli hakattu maahan. Ritari sulkeutui silloin pettyneine toiveineen asuntoonsa aserakennuksessa, ja murhe, pelko ja levottomuus karkasivat uudelleen hänen kimppuunsa. Hän koetti kyllä taistella niitä vastaan aivan niinkuin haavoitettu sotamies taistelutantereella torjuu luotaan korppeja ja naakkoja, jotka kokoontuvat hänen ympärilleen juomaan lämmintä verta ja repimään hänestä irti verestä lihaa. Hän koetti löytää lohdutusta siitä ajatuksesta, että Zogloba, jolla on käytettävänään sellainen määrä viekkaita keinoja, sittenkin pelastuu ja saatuaan tiedon hetmanien tappiosta pääsee pakoon Czernigowiin. Mutta samassa hänen mieleensä johtui tuo ukko, jonka hän oli kohdannut ratsastaessaan Rozlogiin: häneltä kuten pojaltakin oli, ukon omien sanojen mukaan, jokin paholainen riistänyt vaatteet, ja kolme päivää oli ukko istunut Kahamlikin kaislikossa uskaltamatta tulla näkyviin. Yhtäkkiä herra Skrzetuskin päähän pälkähti ajatus, että juuri Zagloba oli ryöstänyt ukon hankkiaksensa itselleen ja Helenalle valepuvun. Niin on asia varmaan ollut, toisteli luutnantti
- 35. itsekseen ja tunsi suurta huojennusta tätä ajatellessaan. Tuollainen valepukuhan helpoitti pakoa. Niinikään pani hän toivonsa siihen, että Jumala, joka vartioi viattomia, ei hylkää Helenaa. Ansaitaksensa rakastetulleen yhä enemmän Jumalan armoa, päätti hän itse puolestaankin puhdistautua synneistä. Hän lähti sentähden aserakennuksesta ja alkoi etsiä kirkkoherra Muchowieckia. Tavattuaan hänet lohduttamassa naisia, hän pyysi päästä ripille. Kirkkoherra vei hänet kappeliin, asettui rippituoliin ja alkoi kuunnella. Kuultuaan hänen tunnustuksensa, hän antoi opetuksia, lausui vakuuttavia sanoja, vahvisti ritaria uskossa, lohdutti ja myöskin nuhteli häntä. Nuhde tapahtui kuitenkin vain siinä mielessä, että kristitty ei saa epäillä Jumalan voimaa ja että kansalaisen ei tule itkeä omaa onnettomuuttaan enemmän kuin isänmaan onnettomuutta. Sillä itsekkäisyyttä tavallaan on uhrata itsellensä enemmän kyyneleitä kuin yhteiselle asialle ja surra omaa rakkauttaan enemmän kuin yleisiä vastoinkäymisiä. Sitte puhui kirkkoherra niin ylevin ja murheellisin sanoin isänmaan vastoinkäymisistä, sen lankeemuksesta ja häpeästä, että hän heti sytytti ritarin sydämeen suuren rakkauden tätä maata kohtaan. Ja siitä pienenivät hänen omat onnettomuutensa hänen silmissään niin pieniksi, että hän tuskin saattoi niitä eroittaa. Kirkkoherra puhdisti hänet nyt myöskin siitä vihasta ja kiukusta, mitä hän oli huomannut hänessä kytevän kasakoita vastaan. "Sinä lyöt heidät", sanoi hän, "uskon ja isänmaan vihollisina ja pakanoiden liittolaisina, mutta jos annat sydämestäsi anteeksi noille samoille vihollisille jotka ovat tehneet sinulle väärin, niin et harjoita koston työtä. Ja kun sinä tämän kaiken osoitat, niin silloin on varma, että Jumala sinua lohduttaa, että hän antaa sinulle takaisin rakastettusi ja lähettää sinulle rauhan…"
- 36. Senjälkeen siunasi kirkkoherra ritarin, lähti ulos ja käski hänen aamuun asti maata ristiinnaulitun Kristuksen jalkain juuressa. Kappeli oli tyhjä ja pimeä, ainoastaan kaksi kynttilää tuikki alttarin edessä, levittäen ruusuista ja kultaista välkettä Kristuksen kasvoille. Krusifiksi oli veistetty alabasterista, se oli täynnä suloa ja kärsimystä. Kokonaisia tunteja kului ja yhä makasi luutnantti liikkumattomana kuin kuollut. Samalla hän kuitenkin yhä selvemmin tunsi, että katkeruus, epätoivo, viha, tuska, levottomuus ja kärsimys väistyivät hänen sydämestään, hiipien hänen rinnastaan kuin käärmeet ja kätkeytyen jonnekin pimeyteen. Hän tunsi, että hän jo hengittää helpommin, että häneen vuotaa ikäänkuin uusi terveys ja uudet voimat, että hänen päässään selvenee sekä että jonkinlainen autuus valtaa hänet. Sanalla sanoen, tuon alttarin ja Kristuksen kuvan edessä hän löysi kaikki mitä sen aikainen ihminen saattoi löytää: horjumattoman uskon, uskon, jossa ei ollut jälkeäkään eikä varjoa epäilyksestä. Aamulla luutnantti olikin kuin uudestasyntynyt. Nyt alkoi työ, liike ja kiire, sillä tänään oli lähdettävä Lubniesta. Upseerien tuli jo varhain tarkastaa lippukunnat, ottaa selvä, olivatko ratsut ja miehet asianomaisessa kunnossa. Sitte olivat joukot komennettavat kentälle ja asetettavat marssijärjestykseen. Ruhtinas kuunteli ensin pyhän messun Mikaelin kirkossa, palasi sitte linnaan ja otti vastaan kreikanuskoisen papiston ja Lubnien sekä Chorolin porvarien lähetystöt. Senjälkeen asettui hän valtaistuimelle Helm'in maalaamassa salissa, ympärillään etevimmät ritarinsa ja täällä häntä Lubnien pormestari Hruby hyvästeli vähävenäjän kielellä kaikkien Dnieperin takaiseen alueeseen kuuluvien kaupunkien puolesta. Ensinnä rukoili hän ruhtinasta, ettei tämä lähtisi ja jättäisi heitä kuin lampaita ilman paimenta. Tämän kuultuansa toiset lähettiläät,
- 37. pannen kätensä ristiin rinnalleen, toistivat: älä lähde, älä lähde. Ja kun ruhtinas vastasi, että hänen täytyy lähteä, niin lankesivat he hänen jalkainsa juureen, surren hyvää isäntää ja herraa, tai olivat he vain surevinaan, sillä kerrottiin, että useat heistä, huolimatta kaikesta ruhtinaan ystävällisyydestä, kallistuivat kasakkain ja Chmielnickin puolelle. Varakkaammat kuitenkin myös pelkäsivät roskajoukkoa, sillä he arvelivat sen heti ruhtinaan ja sotajoukkojen poistuttua nousevan kapinaan. Ruhtinas vastasi, että hän on koettanut olla heille isänä eikä herrana ja vannotti ja pyysi heitä pysymään uskollisina majesteetille ja valtakunnalle, kaikkien yhteiselle äidille, jonka siipien suojassa he eivät kärsineet vääryyttä, vaan elivät rauhassa ja saivat vaurastua varallisuudessa, tuntematta iestä, jota naapurivalta kyllä oli tahtonut laskea heidän hartioilleen. Samanlaisin sanoin jätti hän hyvästi kreikanuskoisen papiston ja sitten tuli lähdön hetki. Palvelusväen itkua ja valitusta kuului kaikkialla linnassa. Hovinaisia pyörtyeli, Anna Borzobohata tuskin saatiin virkoamaankaan. Ainoastaan ruhtinatar istuutui vaunuihin silmät kuivina, pää pystyssä, sillä ylpeä rouva häpesi näyttää ihmisille kärsimyksiänsä. Kansanjoukkoja seisoi linnan läheisyydessä. Kaikissa Lubnien kirkoissa soitettiin kelloja, kreikanuskoiset papit siunailivat risteillä lähteviä, vaunujen, char à bancs'ien ja kuormien jono tuskin mahtui kulkemaan linnan portista. Vihdoin istuutui itse ruhtinaskin ratsun selkään. Rykmenttien liput laskeutuivat hänen edessään, valleilta ammuttiin tykeillä. Itku, väen hälinä ja huudot sekaantuivat kellonsoittoon, kanuunanlaukauksiin, sotatorvien toitotukseen ja rumpujen pärinään. Marssi alkoi. Etumaisina kulki kaksi Rostworowskin ja Wierszulin tatarilaista lippukuntaa, sitte tuli herra Wurcelin tykistö ja eversti Machnickin jalkamiehet, niiden jäljessä ajoi ruhtinatar seurueineen sekä koko
- 38. hovi ja kuormavankkurit, nyt seurasi herra Bychowiecin rumenialainen lippukunta ja vihdoin sotaväen pääjoukot, raskaan ratsuväen rykmentit, kyrassieri- ja husaarilippukunnat sekä viimeisinä rakuunat ja kasakat. Sotajoukon jäljessä tuli loppumaton, kirjava jono aatelismiesten vaunuja, kuljettaen niiden perheitä, jotka ruhtinaan lähdettyä eivät tahtoneet jäädä Dnieperin taakse. Rykmenttien torvet kyllä soivat, mutta sydämissä vallitsi ahdistus. Jokainen ajatteli, kun katseli kaupungin muureja: sinä rakas koti, näenkö sinut vielä? Helppoa on lähteä, mutta vaikeaa palata. Olihan jokainen tuohon paikkaan jättänyt osan sielustansa ja suloiset muistot. Siksipä kääntyivätkin kaikkien silmät vielä viimeistä kertaa katsomaan linnaa, kaupunkia, katolisten kirkkojen torneja, kreikkalaisten kirkkojen kupooleja ja asuintalojen kattoja. Jokainen tiesi mitä hän tänne jätti, mutta kukaan ei tietänyt mikä häntä odotti siinä siintävässä etäisyydessä, jota kohden jono pyrki… Niin oli suru kaikkien mielissä. Kaupunki ikäänkuin huusi kellojensa soitolla lähtevien jälkeen, se ikäänkuin pyysi ja rukoili, ettei sitä hyljättäisi eikä jätettäisi turvattomuuden ja vastaisten kovien kohtalojen alaiseksi. Se huusi ikäänkuin se kellojen murheellisin sävelin olisi tahtonut sanoa asukkaillensa hyvästi ja pysyväisesti painua heidän muistoonsa… Ja vaikka lähtevien jono etenikin, niin olivat kaikkien päät kääntyneet kaupunkia kohti ja kaikkien kasvoilla saattoi nähdä kysymyksen: — Eihän tämä vain ole viimeinen kerta?
- 39. Onpa kyllä. Koko siitä sotaväestä ja rahvaan joukosta, kaikista niistä tuhansista, jotka tänä hetkenä kulkivat yhdessä ruhtinas Wisniowieckin kanssa, ei hän itse eikä kukaan muukaan ollut enään näkevä tätä kaupunkia eikä tätä seutua. Torvet törähtivät. Jono kulki eteenpäin verkalleen, mutta lakkaamatta ja jonkun hetken perästä alkoi kaupunki jo verhoutua sinertävään autereeseen. Talot ja katot sulautuivat massaksi, joka väkevästi loisti auringonvalossa. Ruhtinas kannusti hevosensa eteenpäin, ajoi lähellä olevalle korkealle kunnaalle, pysähtyi siihen ja katseli kauvan liikkumattomana eteensä. Tuo nyt auringossa loistava linna ja koko se maa joka näkyi tältä kukkulalta oli hänen isiensä ja hänen työtään. Wisniowieckit olivat muuttaneet entiset villit erämaat asutuksi seuduksi. He olivat avanneet ne ihmiselämälle ja saattaa sanoa heidän luoneen Dnieperin taustan. Ja suurimman osan tästä työstä oli suorittanut itse ruhtinas Jeremi. Hän se oli rakennuttanut ne katoliset kirkot, joiden tornit nyt häämöittivät tuolla kaupungin yläpuolella, hän se oli vaurastuttanut kaupungin ja teillä yhdistänyt sen Ukrainaan. Hän se oli raivannut metsät, kuivattanut suot, nostattanut ilmoille linnat, perustanut kylät, tuottanut tänne asukkaat, pitänyt aisoissa pahantekijät, suojellut asukkaita tatarien hyökkäyksiltä, ylläpitänyt maanmiehen ja kauppiaan turvallisuutta, saattanut kunniaan lain ja oikeuden. Hänen toimestaan tämä maa oli elänyt, kehittynyt ja kukoistanut. Hän oli ollut sen sieluna ja sydämenä ja nyt täytyi jättää kaikki. Kuitenkaan ei ruhtinas surrut tämän jättiläisomaisuuden menetystä, omaisuuden, joka oli verrattava kokonaisiin saksalaisiin ruhtinaskuntiin. Hän oli ainoastaan kiintynyt omien käsiensä työhön. Hän tiesi, että kun ei hän enään ole täällä, niin on puute kaikesta, että kokonaisten vuosien työ yhtäkkiä tulee hävitetyksi, että hänen
- 40. vaivannäkönsä käy turhaksi, että viileys pääsee irti ohjistaan, tulipalot syleilevät kyliä ja kaupunkeja, että tatari tulee juottamaan hevosiansa noissa joissa, havumetsä kasvaa palaneille raunioille ja jos Jumala kerran suo palata tänne takaisin, niin on kaikki, kaikki aljettava uudestaan. Ja silloin ehkei enään ole samoja voimia, ei ehkä ole aikaa eikä samaa itseluottamusta kuin ennen. Täällä olivat kuluneet parhaat vuodet, vuodet jotka olivat hänelle ihmisten silmissä kunniaksi ja Jumalan edessä ansioksi, ja nyt olivat sekä kunnia että ansio häipyvät savun mukana… Siksipä vienkin hänen poskilleen hiljaa kaksi kyyneltä. Mutta ne olivatkin viimeiset kyyneleet. Niiden jälkeen jäi hänen silmiinsä vain salamoja. Ruhtinaan hevonen ojensi kaulaansa ja hirnui. Ja hirnuntaan vastasivat heti kaikki hevoset lippujen alta. Nuo äänet herättivät ruhtinaan hänen ajatuksistaan ja täyttivät lohdutuksella hänen mielensä. Onhan hänellä vielä jäljellä kuusituhatta uskollista toveria, kuusituhatta sapelia, niiden voimalla on maailma hänelle avoinna, niitä odottaa ahdistettu Puola kuin ainoaa pelastustaan; Dnieperin takainen idylli on lopussa, mutta siellä missä tykit paukkuvat, missä kylät ja kaupungit palavat, missä öisin tatarilaishevosten hirnuntaan ja kasakkain meluun sekaantuu vankien itku, miesten, naisten ja lasten voivotukset, siellä on toiminnalle kenttä avoinna, siellä on pelastajan ja isänmaan isän kunnia saavutettavana. Kenen käsi ulottuu ottamaan tätä seppeltä, kuka on pelastava tämän häväistyn, orjain jalkain tallaaman, nöyryytetyn, kuolevan isänmaan, jollei hän, ruhtinas Jeremi, jolleivät nuo sotajoukot, joiden aseet tuolla alhaalla välkkyvät auringossa…? Jono kulki juuri kunnaan juuren ohi ja
- 41. nähdessään ruhtinaan seisomassa huipulla, komennusnuija kädessä, ristin alla, huudahtivat kaikki sotamiehet. — Eläköön meidän johtajamme, päällikkömme ja hetmanimme Jeremi Wisniowiecki! Ja sadat liput laskeutuivat hänen jalkojansa kohti. Husaarijoukot heläyttivät uhkaavasti lyhyitä sapelejaan, rumpujen pärinä säesti huutoja. Silloin veti ruhtinas sapelin huotrasta, kohotti sitä, katsahti taivasta kohden ja sanoi: — Minä Jeremi Wisniowiecki, Vähävenäjän vojevoda, Lubnien ja Wisniowiecin ruhtinas, vannon sinulle sinä pyhässä kolminaisuudessa yksi Jumala ja sinulle, Pyhä Äiti, että minä en laske tätä sapelia, jonka kohotan sitä vallattomuutta vastaan, jonka häpäisemänä isänmaa nyt on, niinkauvan kuin minussa on voimaa ja elämää, en laske sitä ennenkuin pesen pois häpeän, ennenkuin olen taivuttanut jokaisen vihollisen Puolan valtakunnan jalkojen juureen, ennenkuin olen rauhoittanut Ukrainan ja upottanut talonpoikaiskapinat vereen. Ja tämän lupauksen teen minä vilpittömällä sydämellä niin totta kuin Herra Jumala minua auttakoon. Amen. Sen sanottuaan viipyi hän kunnaalla vielä hetken, katse korotettuna taivasta kohti, ja ratsasti sitte verkalleen alas lippujensa luo. Yöksi saapuivat sotajoukot Basanin kylään, joka kuului rouva Krynickille. Tämä otti ruhtinaan vastaan polvistuen porteilla, sillä talonpojat olivat jo piirittäneet kartanoa ja töin tuskin oli heidät saatu uskollisimman palvelusväen avulla torjutuksi, kun yhtäkkiä sotajoukon tulo pelasti talon rouvan ja hänen yhdeksäntoista
- 42. lastaan, niiden joukossa neljätoista tytärtä. Ruhtinas käski ottaa kiinni hyökkääjät ja lähetti sitä varten kasakkalippukunnan ratsumestarin herra Poniatowskin Kaniowin suunnalle. Tämä toikin vielä samana yönä viisi Wasiutynin huonekuntaan kuuluvaa zaporogilaista, jotka hän oli ottanut kiinni. Kaikki nämä olivat olleet mukana Korsunin tappelussa, ottaen osaa ankaraan tuleen. Kasakat antoivat ruhtinaalle tarkan kertomuksen taistelusta. He vakuuttivat niinikään, että Chmielnicki vielä on Korsunissa. Mutta Tuhaj-bej oli, vieden mukanaan vangit, saaliin ja molemmat hetmanit, lähtenyt Czehryniin, josta hänen kuului olevan tarkoitus jatkaa matkaansa Krimiin. Niinikään olivat kasakat kuulleet Chmielnickin hartaasti pyytäneen Tuhaj-bejta, ettei hän jättäisi zaporogilaisjoukkoja, vaan kävisi ruhtinasta vastaan, mutta murza ei ollut tahtonut siihen suostua, sanoen, että puolalaisten sotajoukkojen ja hetmanien jouduttua tappiolle, kasakat jo yksinkin voivat pitää puoliaan. Hän muka ei kauemmin saattaisi odottaa, sillä hänen sotavankinsa kuolisivat. Kun kasakoilta tiedusteltiin Chmielnickin voimien suuruutta, ilmoittivat he ne kahdeksisadaksi tuhanneksi. Nämä kyllä eivät kaikki olleet parasta laatua. Hyvää väkeä, s.o. zaporogilaisia ja ylimysten palveluksessa olleita tai kapinaan liittyneitä linnakasakoita oli vain viisikymmentä tuhatta. Saatuaan nämä tiedot, tuli ruhtinas luottavammalle mielelle. Hän toivoi lisäksi, että hänen voimansa vielä kasvaisi Dnieperin takana, kun siihen liittyisi aatelisia, kruunun joukoista karanneita sotilaita ja ylimysten vartiostoja. Siksi hän seuraavana aamuna aikaisin lähtikin eteenpäin. Perejaslawin takana tulivat sotajoukot niihin synkkiin jättiläismetsiin, jotka ulottuivat pitkin Trubiezin vartta aina Kozieleciin asti ja sieltä eteenpäin aina Czernigowin läheisyyteen saakka. Oltiin
- 43. toukokuun lopulla ja ilma oli helteinen. Metsät eivät suoneet siimestä, päinvastoin oli niissä niin tukahuttavan paahtavaa, että ihmiset ja hevoset olivat ilman puutteessa läkähtymäisillään. Karja, jota kuljetettiin jonon perässä, oli miltei joka askeleella menehtymäisillään. Tai kun se vainusi jossakin olevan vettä, juoksi se sitä kohden kuin hulluna, kaataen vankkurit ja siten saaden aikaan suurta hämminkiä. Hevoset, varsinkin raskaan ratsuväen, alkoivat nekin uupua. Yöt olivat lukemattomien sääskien takia sietämättömät ja pihkaa oli tavattomassa helteessä tihkunut puista niin runsaasti, että sen väkevä haju suorastaan tukahutti. Vaivaloisesti kuljettiin neljä päivää eteenpäin, viidentenä kävi helle aivan luonnottomaksi. Yön saapuessa alkoivat hevoset korskua ja karja ammui surkeasti, ikäänkuin vainuten jotakin vaaraa, jota ihmiset eivät vielä voineet aavistaa. — Ne vainuavat verta, sanoivat toisilleen pakenevien aatelisperheiden jäsenet. — Kasakat ajavat meitä takaa, tulee taistelu. Nämä sanat kuullessaan päästivät naiset valitushuudon. Kun ne tulivat palvelusväen kuuluviin, syntyi hämminki ja kauhistus. Vankkurit koettivat päästä toistensa ohi, ajettiin tieltä umpimähkään metsään, jossa pyörät tarttuivat kiinni puihin. Ruhtinaan lähettämät sotamiehet palauttivat kuitenkin pian järjestyksen. Joka taholle lähetettiin nyt tiedustelujoukkoja ottamaan selvää, uhkasiko kulkuetta todella jokin vaara. Herra Skrzetuski, joka valakialaisen lippukunnan kanssa oli vapaaehtoisesti lähtenyt tiedusteluretkelle, palasi varhain aamulla
- 44. ensimäisenä ja kiirehti suoraa päätä ruhtinaan luo. — Mikä siellä on? kysyi Jeremi. — Armollinen ruhtinas, metsät palavat. — Ovatko ne sytytetyt? — Ovat. Minä sain kiinni muutamia miehiä, jotka tunnustivat, että Chmielnicki oli lähettänyt erään tarjokkaan kulkemaan teidän ruhtinaallisen armonne jäljessä ja myötäisen tuulen vallitessa sytyttämään metsää tuleen. — Hän tahtoisi nähtävästi paistaa meidät elävältä, ensinkään taistelematta kanssamme. Tuokaa tänne nuo miehet. Hetken perästä tuotiin ruhtinaan eteen kolme villiä, typerää ja pelästynyttä paimenta, jotka heti tunnustivat, että heitä todellakin oli käsketty sytyttämään metsiä. He tunnustivat niinikään, että sotajoukkojakin oli lähetetty seuraamaan ruhtinasta. Ne kulkivat kuitenkin toista tietä, lähempänä Dnieperiä, Czernigowiin päin. Vähitellen saapuivat toisetkin tiedustelujoukot ja jokainen toi saman sanoman: — Metsät palavat. Mutta ruhtinas ei joutunut vähimmässäkään määrässä neuvottomaksi. — Pakanallinen keino, sanoi hän, — mutta vähät siitä. Tuli ei pääse
- 45. Trubiezaan laskevien jokien poikki. Ja todellakin laski Trubiezaan, jota pitkin jono pohjoiseen suuntaan kiemurteli, niin monta pikku jokea, jotka siellä täällä muodostivat leveitä soita, ettei tarvinnut peljätä tulen pääsevän niiden yli. Se oli mahdollista vain siinä tapauksessa, että metsä jokaisen joen takana sytytettäisiin erikseen. Tiedustelujoukot totesivat pian, että niin olikin tehty. Joka päivä saatiin kiinni uusia sytyttäjiä. Tuli levisi mahtavana, mutta pitkin jokia, itään ja länteen, vaan ei pohjoiseen päin. Öisin punoitti taivas niin pitkältä kuin silmä kantoi. Naiset veisasivat jumalisia lauluja illasta aamuun asti. Pelästynyt villi eläin pakeni tuontuostakin palavista metsistä maantielle ja kulki jonon perässä kotikarjan joukossa. Tuuli kantoi muassaan savua, joka peitti koko näköpiirin. Sotajoukot ja vankkurit liikkuivat kuin sumussa, jonka läpi ei silmä saattanut eroittaa mitään. Rinta ei saanut ilmaa. Savu kirveli silmiä ja tuuli ajoi sitä yhä lisää paikalle. Auringon valokaan ei päässyt tunkeutumaan noiden sumujen läpi ja öisin näki paremmin kuin päivällä, sillä palon loimut valaisivat silloin. Metsä tuntui loppumattomalta. Tällaisten palavien metsien ja savujen keskitse johdatti Jeremi joukkojansa. Alkoi saapua sanomia, että vihollinen marssii Trubiezan toisella puolella, mutta ei tiedetä kuinka suuri sen lukumäärä on. Wierszulin tatarit totesivat kuitenkin pian, että vihollinen vielä oli sangen kaukana. Eräänä yönä saapui joukkojen luo herra Suchodolski Bodenkista, Desnan toisella puolella. Hän oli ruhtinaan entisiä hovimiehiä, mutta oli muutama vuosi sitten asettunut asumaan maataloansa. Hänkin oli
- 46. lähtenyt pakoon talonpoikia ja toi uutisen, jota ei sotajoukon keskuudessa vielä tunnettu. Syntyikin suuri hämminki, kun Suchodolski ruhtinaan kysymykseen mitä uutta hän tiesi, antoi vastauksen: — Huonosti ovat asiat, herra ruhtinas. Hetmanien tappiosta kai jo tiedätte ja samaten ehkä kuninkaan kuolemasta… Ruhtinas, joka istui pienellä matkajakkaralla telttansa edessä, hypähti pystyyn. — Kuinka? Onko kuningas kuollut? — Armollinen hallitsija heitti henkensä Mereczissä jo viikkoa ennen Korsunin tappiota, sanoi Suchodolski. — Jumala armossaan säästi häntä kokemasta sellaista hetkeä, vastasi ruhtinas. Sitte hän tarttui päähänsä ja puhui edelleen: — Kauheat ajat ovat koittaneet tälle valtakunnalle. Konvokatsionivaltiopäivät, kuninkaanvaalit, interregnum, aika ilman hallitsijaa, keskinäinen epäsopu ja ulkonaiset juonittelut — juuri nyt kun koko kansan pitäisi muuttua yhdeksi miekaksi yksissä käsissä. Tuntuu miltei siltä kuin Jumala olisi kääntänyt pois kasvonsa ja aikoisi meitä vihassaan kurittaa synneistämme. Koko tämän murhapolton olisi voinut sammuttaa vain itse Wladyslaw, koska hän oli ihmeen suosittu kasakkain keskuudessa ja lisäksi sotainen herra. Samassa lähestyi ruhtinasta kymmenkunta upseeria, niiden joukossa
- 47. Zacwilichowski, Skrzetuski, Baranowski, Wurcel, Machnicki ja Polanowski. Ruhtinas lausui: — Hyvät herrat, kuningas on kuollut. Päät paljastuivat kuin komennosta, kasvot totistuivat. Odottamaton sanoma mykistytti kaikki. Vasta hetken perästä puhkesi esiin yleinen suru. — Ikuinen lepo anna hänelle hyvyydessäsi, Herra, lausui ruhtinas. — Ja iankaikkinen valo loistakoon hänen silmäluomiensa yli! Mutta hetken perästä kohotti kirkkoherra Muchowiecki äänensä, alkaen veisata virttä dies irae. Ja keskellä metsiä, keskellä savua valtasi sanomaton alakuloisuus sydämet ja mielet. Kaikista tuntui siltä kuin odotetun pelastuksen toivo olisi pettänyt ja kuin he nyt kauhean vihollisen lähestyessä olisivat jääneet yksin maailmaan. Ei ketään muuta heillä ollut kuin ruhtinaansa. Siksipä kääntyivätkin kaikkien silmät häntä kohti ja uusi side oli solmiutunut hänen ja sotamiesten välille. Saman päivän iltana puhui ruhtinas Zacwilichowskille, lujaan niin että kaikki sen kuulivat: — Me tarvitsemme sotaisen kuninkaan ja siksipä me, jos Jumalan avulla ehdimme kuninkaanvaaliin, annammekin äänemme prinssi Kaarlelle, jolla on sotaisempi mieli kuin Kasimirilla. — Vivat Carolus rex! huusivat upseerit. — Vivat! toistivat husaarit ja heidän jälkeensä koko sotajoukko.
- 48. Mutta varmaankaan ei ruhtinas-vojevoda uskonut, että nämä huudot, jotka kaikuivat Dnieperin takana Czernigowin synkissä metsissä, kuuluisivat Varsovaan asti ja ravistaisivat hänen käsistänsä kruunun suurhetmanin komentonuijan.
- 49. YHDEKSÄS LUKU. Yhdeksänpäiväisen marssin jälkeen, jonka Ksenofonina oli herra Maszkiewicz, ja kuljettuaan kolme päivää Lesnan yli, saapuivat sotajoukot vihdoin Czernigowiin. Kaikkein ensimäisenä marssi kaupunkiin herra Skrzetuski valakialaislippuineen. Ruhtinas oli tahallaan komentanut hänet ottamaan haltuunsa kaupungin, jotta hän heti saattaisi tiedustella ruhtinatarta ja Zaglobaa. Mutta ei kukaan täällä enempää kuin Lubniessakaan, ei kaupungissa enempää kuin linnassakaan ollut kuullut heistä mitään. He olivat hävinneet jäljettömästä niinkuin kivi veteen eikä ritari enään ymmärtänyt, mitä ajatella. Minne he olivatkaan voineet kätkeytyä? Eihän sentään vain Moskovaan, Krimiin tai Sicziin? Jäljelle jäi vain se oletus, että he olivat siirtyneet Dnieperin taa, mutta siinä tapauksessa olivat he joutuneet aivan myrskyn keskelle. Siellä surmattiin ihmiset ja sytytettiin talot palamaan, siellä raivosivat raa'at joukot, sekä zaporogilaiset että tatarit, ei edes valepuku voinut täällä suojella Helenaa, sillä nuo villipakanat ottivat mielellään vangiksi poikia, myydäksensä ne korkeasta hinnasta Stambulin torilla. Herra Skrzetuskin päähän tuli sekin kauhea epäilys, että Zagloba ehkä tahallaan on vienyt Helenan tuolle puolelle jokea, myydäkseen hänet Tuhaj-bejlle, joka voisi Bohunilta kiskoa hänestä vieläkin runsaamman hinnan. Ja tämä ajatus saattoi Jan herran hulluuden
- 50. Welcome to our website – the perfect destination for book lovers and knowledge seekers. We believe that every book holds a new world, offering opportunities for learning, discovery, and personal growth. That’s why we are dedicated to bringing you a diverse collection of books, ranging from classic literature and specialized publications to self-development guides and children's books. More than just a book-buying platform, we strive to be a bridge connecting you with timeless cultural and intellectual values. With an elegant, user-friendly interface and a smart search system, you can quickly find the books that best suit your interests. Additionally, our special promotions and home delivery services help you save time and fully enjoy the joy of reading. Join us on a journey of knowledge exploration, passion nurturing, and personal growth every day! ebookbell.com