ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НЕРАЗДРАЖАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК A61B5/04 

Предполагаемое изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в электрофизиологической диагностике, например, для снятия электроэнцефалограмм и электрокардиограмм.

В настоящее время проблема изготовления измерительных датчиков нераздражающего детектирования в электрофизиологической диагностике встала достаточно остро в связи с необходимостью повышения чувствительности снимаемых сигналов и надежности крепления таких датчиков при снятии диэлектрических сигналов без использования дополнительных крепежных приспособлений, усложняющих датчики и, в то же время, без возможности проникновения глубоко в исследуемый кожный покров для обеспечения безболезненного, долговременного, нераздражающего детектирования сигналов малой мощности.

Известен датчик биоэлектрических сигналов, содержащий токосъемник и электроды, выполненные в виде упругих элементов, жестко соединенных с токосъемником и расположенных симметрично относительно его оси, с заостренными наконечниками, расположенными под углом к оси токосъемника (Патент СССР N 1805914, кл. А 61 В 5/0478, 1993).

Однако, известный датчик не обеспечивает безболезненного детектирования при съеме биоэлектрических сигналов, так как нет ограничителей, препятствующих глубокому проникновению в кожный покров место для проведения исследования, что может вызвать болезненные ощущения и нарушение кожного покрова. Кроме того, известный датчик не обладает достаточно высокой чувствительностью при снятии биоэлектрических сигналов малой мощности.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является измерительный датчик нераздражающего действия биоэлектрических сигналов, содержащий гибкую оправу из электроизоляционного материала с рабочей поверхностью вогнутой формы, встроенный в оправу по крайней мере один электрод с по крайней мере двумя исходящими из оправы иглоподобными элементами для местной проводимости, покрытыми электроизоляционным слоем до заостренного наконечника, эластичную деталь для крепления датчика к поверхности кожи, охватывающую нерабочую поверхность оправы, и размещенный между деталью и оправой миниатюрный предусилитель с электровыводом, связанный по крайней мере с одним электродом, при этом иглоподобные элементы установлены посредством оправы на поверхности кожи на расстоянии от ее рабочей поверхности, ограничивающей проникновение по крайней мере одного из заостренных наконечников только в самые верхние слои роговых чешуек кожи, при этом заостренные наконечники покрыты солевым слоем из AlCl (Патент США N 4685466, кл. А 61 В 5/04, 1988).

Однако, известный датчик не обеспечивает надежного крепления и высокой чувствительности при снятии сигналов малой мощности в результате использования для крепления датчиков самых верхних чешуек кожи и иглоподобных элементов с относительно высоким сопротивлением. Причем, для повышения чувствительности датчика необходимо во всех случаях наличие предусилителя, что усложняет датчик.

Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение надежности крепления датчика при повышении его чувствительности.

Новый технический результат достигается тем, что в измерительном датчике нераздражающего детектирования биоэлектрических сигналов, содержащем оправу из электроизоляционного материала с рабочей поверхностью куполообразной формы, встроенный в оправу по крайней мере один электрод с по крайней мере двумя исходящими из оправы иглоподобными элементами для местной проводимости, покрытыми электроизоляционным слоем до заостренного наконечника, эластичную деталь для крепления датчика к поверхности кожи, охватывающую нерабочую поверхность оправы, и размещенный между деталью и оправой электровывод, связанный по крайней мере с одним электродом, при этом иглоподобные элементы установлены посредством оправы на поверхности кожи на расстоянии от ее рабочей поверхности, ограничивающем проникновение по крайней мере одного из заостренных наконечников только в самые верхние слои роговых чешуек кожи, в отличие от прототипа, оправа выполнена упругой, а иглоподобные элементы установлены симметрично относительно оси оправы по нормали к ее рабочей поверхности.

Заостренные наконечники могут быть установлены под углом к оси соответствующих иглоподобных элементов.

Иглоподобные элементы с заостренными наконечниками могут быть выполнены в виде выращенных нитевидных монокристаллов. Нитевидный монокристалл может быть выполнен из молибдена.

На фиг.1, 2 представлена принципиальная конструкция измерительного датчика нераздражающего детектирования биоэлектрических сигналов.

Измерительный датчик нераздражающего детектирования биоэлектрических сигналов содержит упругую оправу 1 из электроизоляционного материала с рабочей поверхностью вогнутой формы, встроенный в оправу 1, по крайней мере один электрод 2 с по крайней мере двумя исходящими из оправы 1 иглоподобными элементами 3 для местной проводимости, покрытыми электроизоляционным слоем до заостренного наконечника 4 и установленными симметрично относительно оси 5 оправы 1 по нормали к ее рабочей поверхности, на поверхности кожи на расстоянии от рабочей поверхности оправы 1, ограничивающем посредством оправы 1 проникновение по крайней мере одного из заостренных наконечников 4 только в самые верхние слои роговых чешуек кожи, эластичную деталь 6 для крепления датчика к поверхности кожи, охватывающую нерабочую поверхность оправы 1, и размещенный между деталью 6 и оправой 1 электровывод 7, связанный с по крайней мере одним электродом 2 (фиг.1). Иглоподобные элементы 3 с заостренными наконечниками 4 выполнены в виде выращенных нитевидных монокристаллов из молибдена, при этом заостренные наконечники 4 установлены под углом к оси соответствующих иглоподобных элементов 3 (фиг.2).

Измерительный датчик нераздражающего детектирования биоэлектрических сигналов работает следующим образом.

При закреплении измерительного датчика на поверхности кожи при детектировании биоэлектрических сигналов, например, снятии энцефалографического сигнала, заостренные наконечники 4 иглоподобных элементов 3 проникают в самые верхние слои роговых чешуек кожи на 10-15 слоев чешуек от поверхности кожи. При этом заостренные наконечники 4 не приходят в контакт ни с кровью, ни с жидкостью тела. Поэтому нет опасности занесения инфекции, в том числе опасности занесения ВИЧ-инфекции, что позволяет говорить о "чистых поверхностных электродах". Такая глубина погружения заостренных наконечников 4 в поверхность кожи обеспечивается и поддерживается в течение всего времени снятия сигнала посредством пространственных ограничений, создаваемых оправой 1 при закреплении нн на исследуемом участке кожи с помощью эластичной детали 6. Следы от заостренных наконечников 4 на поверхности кожи после удаления измерительного датчика по окончании детектирования исчезают не более чем через 30 мин. Пациент в процессе детектирования не испытывает никакой боли, так как все кожные рецепторы располагаются в более глубоких слоях кожи.

Выполнение оправы 1 упругой позволяет при установке датчика упруго деформировать ее, например, сжимать ее, если заостренные наконечники 4 направлены от оси 5 датчика или, наоборот, разжимать оправу 1, если заостренные наконечники 4 направлены к оси 5 датчика (фиг.2).

За счет упругости оправы 1 и установки заостренных наконечников 4 под углом к оси соответствующих иглоподобных элементов и возникают тангенциальные (относительно поверхности кожи) усилия. При этом датчик самофиксируется на исследуемом участке кожи на определенном (как отмечалось выше) расстоянии, обеспечивающем проникновение только в самые верхние слои роговых чешуек кожи для безболезненного детектирования, а эластичная деталь 6, в свою очередь, повышает надежность такой самофиксации. В случае, если заостренные наконечники 4 не установлены под углом к соответствующим иглоподобным элементам 3, также обеспечивается создание тангенциальных усилий при разжимании оправы 1 за счет упругости последней, а также симметричного расположения иглоподобных элементов 3 и их заостренных наконечников 4 относительно оси 5 оправы 1 и по нормали к рабочей поверхности последней (фиг.1). Все вышеперечисленные факторы приводят к самофиксации датчика при установке на исследуемом участке кожи, хотя и в несколько меньшей степени, чем в случае установки заостренных наконечников 4 под углом к соответствующим иглоподобным элементам 3 за счет разницы по величине в создаваемых в этих случаях тангенциальныхусилиях.

Оправа 1 выполнена, например, из пластического гибкого материала с упругими свойствами, обеспечивающими возможность ее упругого деформирования в определенных пределах, например, типа "АКВА" производства НПО "Композит" г. Калининград на основе полистирола, или из мартенситной нестареющей или пружинистой стали. Эластичная деталь 6 выполнена, например из резины НК или СКИ на основе полиуретана или латекса.

Следует отметить, что установка датчика на исследуемом участке кожи может происходить также (в случае наличия эластичного участка кожи) и за счет стягивания или растягивания участка кожи в зависимости от ориентации заостренных наконечников 4 к оси 5 датчика. При этом кожа удерживается в стянутом (растянутом) состоянии до проникновения заостренных наконечников в верхние слои роговых чешуек кожи на глубину, обеспечивающую безболезненное детектирование сигнала, обусловленную геометрией установки оправы 1. После чего натяжение кожи освобождается. При этом за счет возвратного частичного перемещения поверхности кожи наконечники самофиксируются в результате сохранения частично, при этом, тангенциальных усилий.

Волосяной покров не мешает самофиксации датчика, и отпадает необходимость в предварительной обработке исследуемого участка кожи. В дальнейшем электрод 2 через электровывод 7 подключают к разъему отводящего провода, соединенного с ЭФГ или кардиографом.

Иглоподобные элементы 3 с заостренными наконечниками 5 выполняют из нитевидных монокристаллов, преимущественно, молибдена, диаметром 0,05-0,15 мм, выращенных в магнитном поле, причем заостренные наконечники 4 устанавливают под заданным углом в 0-31 ^o к оси соответствующего иглоподобного элемента 3 (при необходимости) за счет смещения на определенном этапе выращивания ниетвидных кристаллов магнитного поля в сторону от оси выращивания иглоподобного элемента 3. Длина заостренных наконечников 4 составляет 4-40 мкм (0,1-0,3 от длины иглоподобного элемента, обеспечивающей проникновение заостренных наконечников только в верхние слои роговых чешуек кожи пациента) при диаметре заостренных наконечников 0,1-0,5 мкм.

Количество иглоподобных элементов 3 может быть любым в зависимости от области применения, но не менее двух. Количество электродов 2 также может меняться в зависимости от конструктивных особенностей и области применения датчика. Так, один электрод 2 может быть связанным как со всеми иглоподобными элементами 3, так и с группой иглоподобных элементов 3 или каждому электроду 2 может соответствовать один иглоподобный элемент. А отсюда сигналы на приемное устройство можно, при необходимости, получать как от группы или всех сразу иглоподобных элементов 3, так и от каждого индивидуально. Высокая электропроводность иглоподобных элементов 3 • 10^-7 Ом • см, что более чем на 2 порядка выше, чем у иглоподобных элементов 3 с заостренными наконечниками 4, покрытыми слоем хлорида серебра (5 • 10 ^-4 Ом • см) по прототипу, позволяет значительно (не менее чем на порядок) повысить чувствительность детектирования биоэлектрических сигналов, в том числе сигналов малой мощности. Это, в свою очередь, позволять осуществлять прием таких сигналов в большинстве случаев без использования предусилителя (как в прототипе), что упрощает конструкцию измерительного датчика.

Выбор типа датчика с соответствующим коэффициентом жесткости оправы 1 обусловлен эластичностью исследуемой поверхности. Например, для закрепления на коже головы (малая эластичность) целесообразно использовать оправу 1 с малым коэффициентом жесткости, а для закрепления на мягких тканях (высокая эластичность) оправу 1 с большим коэффициентом жесткости. Причем коэффициент жесткости оправы 1, а также иглоподобных элементов 3 определяют по любой из известных методик теории упругости или опытным путем. После чего, в соответствии с определенным коэффициентом жесткости выбирают и угол наклона заостренных наконечников 4 к оси соответствующих иглоподобных элементов 3.

Таким образом, предлагаемые иглоподобные элементы позволяют получать наиболее эффективно желаемые и достоверные результаты измерения со значительно уменьшенными мешающими сигналами (шумы, искажения сигнала и т.п.). Отпадает необходимость в использовании специальных электродных паст и эмульсий, а также покрытий типа хлорида серебра, наносимых на иглоподобные элементы 3. В предложенном измерительном датчике, несмотря на малое погружение в кожу заостренных наконечников 4, за счет высокой электропроводности нитевидных монокристаллов даже при низкой величине подаваемого на электроды 2 напряжения может быть получен относительно высокий токовый сигнал при съеме биохарактеристик. С помощью предлагаемого датчика обеспечивается как безболезненное детектирование без достижения наконечниками 4 расположения болевых рецепторов и кровеносных сосудов, так и высокочувствительное детектирование потенциальных полей как во времени, так и в пространстве, в том числе в строго локализованных местах, с высокой точностью. Кроме того, датчик обеспечивает надежное, быстрое и удобное как для пациента, так и для врача закрепление с постоянным контактным усилием на исследуемом участке кожи, что ведет также к повышению достоверности снимаемого сигнала и обеспечению высокой стабильности снимаемых характеристик во времени.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является:
1. Повышение надежности крепления датчика не менее чем на 10% за счет использования установленных под определенным углом к оси иглоподобных элементов наконечников и установления иглоподобных элементов по нормали к рабочей поверхности оправы, примененной с упругими свойствами.

2. Повышение не менее чем на порядок чувствительности съема биоэлектрических сигналов за счет использования выращенных нитевидных кристаллов из молибдена с высокими электропроводными свойствами.

3. Упрощение конструкции датчика за счет отказа от покрытия наконечников покрытиями типа хлорида серебра, а также за счет возможности отказа от применения в большинстве случаев использования предусилителя для усиления снимаемых биоэлектрических сигналов малой мощности.

4. Расширение функциональных возможностей и диапазона применения датчика за счет возможности детектирования биоэлектрических сигналов малой мощности.

В настоящее время на предприятии ГП "НПО Астрофизика" выпущена конструкторская документация на заявляемый измерительный датчик нераздражающего детектирования биоэлектрических сигналов, на основании которой изготовлены образцы указанных датчиков.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в электрофизической диагностике, например, для снятия энцефалограмм и кардиограмм. Измерительный датчик биоэлектрических сигналов нераздражающего действия содержит гибкую упругую оправу из электроизоляционного материала с рабочей поверхностью куполообразной формы, встроенный в оправу по кpайней меpе один электрод по крайней мере двумя исходящими из оправ иглоподобными элементами, покрытыми электроизоляционным слоем до заостренного наконечника, эластичный фиксатор, охватывающий нерабочую поверхность оправы, и размещенный между фиксатором и оправой электровывод, связанный по крайней мере с одним электродом, при этом иглоподобные элементы установлены посредством оправы с возможностью регулировки расстояния относительно поверхности кожи и симметрично относительно оси оправы по нормали к ее рабочей поверхности. Кроме того, заостренные наконечники могут быть установлены под углом к оси соответствующих иглоподобных элементов. Иглоподобные элементы могут быть выполнены в виде выраженных нитевидных монокристаллов, а нитевидные монокристаллы могут быть выполнены из молибдена. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1 1. Измерительный дачтик биоэлектрических сигналов нераздражающего действия, содержащий гибкую оправу из электроизоляционного материала с рабочей поверхностью куполообразной формы, встроенный в оправу по крайней мере один электрод с по крайней мере двумя исходящими из оправ иглоподобными элементами, покрытыми электроизоляционным слоем до заостренного наконечника, эластичный фиксатор, охватывающий нерабочую поверхность оправы, и размещенный между фиксатором и оправой электровывод, связанный по крайней мере с одним электродом, при этом иглоподобные элементы установлены посредством оправы с возможностью регулировки расстояния относительно поверхности кожи, отличающийся тем, что оправа выполнена упругой, а иглоподобные элементы установлены симметрично относительно оси оправы по нормали к ее рабочей поверхности.2 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что заостренные наконечники установлены под углом к оси соответствующих иглоподобных элементов.2 3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что иглоподобные элементы с заостренными наконечниками выполнены в виде выращенных нитевидных монокристаллов.2 4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что нитевидные монокристаллы выполнены из молибдена.