УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 2015 года по МПК A61B5/478 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству и способу, предназначенным для размещения и закрепления датчиков/электродов на голове пациента.

Уровень техники

В Европе и России по причинам исторического характера измерения электрической активности мозга нашли особенно широкое применение при проведении нейрофизиологических и психофизиологических диагностик. Начиная с 1960-х годов существенная часть разработок, относящихся к интерпретации биологической обратной связи, проводилась в США, Канаде, Австралии, Европе и России. Специалистам в этой области известны как биологические, так и технические способы измерения различных типов активности мозга и воздействия на эти типы. К наиболее распространенным способам относятся электроэнцефалография (ЭЭГ), гемоэнцефалография (ГЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). В рамках количественных ЭЭГ-измерений (КЭЭГ) разработано несколько математических моделей, позволяющих измерять дискриминантные (распознающие) функции, такие как когерентность (синхронизация), фаза, соотношение статистик до и после обработки согласно методике ассоциации International Family Therapy Association (IFTA), низкая частота, соотношение когерентной фазы на данный момент с Z-показателями (Z-scores) биологической обратной связи и другие закономерности.

КЭЭГ проводят так же, как и обычную ЭЭГ-регистрацию, т.е. оператор размещает на голове пациента несколько (21+) электродов, чтобы одновременно зарегистрировать большую часть электрической активности мозга. Эту активность регистрируют в течение определенного периода времени, причем предусматривается возможность добавить функциональные отнесения, выходящие за пределы стандартного набора, такие как измерения при открытых и закрытых глазах. Полученную информацию часто соотносят с активностью, которая анализируется всеми различными системами программного обеспечения, установленными оператором. Одни из таких программ применяют для диагноза различные математические модели, а другие используют для интерпретации системные модели (так называемые протоколы). Среди прочих факторов принципиальным моментом является установка электродов в системе КЭЭГ правильным образом, причем с хорошим контактом между электродами и кожей головы. Это важно для получения оптимального базиса, используемого при сопоставлении двух измерений или при сравнении измерений, проведенных для двух или нескольких человек. Поэтому в стандартном варианте электроды размещают согласно принятой международной системе 10-20, описанной, например, в публикации Erns Niedermeyer, Fernando Lopes da Silva: Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications and Related Fields, p.140. Задача получить один и тот же результат посредством двух различных измерений является весьма сложной; поэтому для дальнейшего развития науки и, в частности, исследований в данной области весьма желательно иметь систему, более стандартизированную по сравнению со всеми известными системами.

В настоящее время большинство систем ЭЭГ и КЭЭГ в своей основе используют эластичную сетку и/или шлем, выполненные в соответствии с системой 10-20 или другими менее распространенными схемами размещения. Такие шлемы изготавливают в различных конструктивных вариантах, имеющих отверстия для введения электродов. Кроме того, шлемы имеют различные размеры, т.к. расстояние между электродами должно соответствовать размеру черепа, учтенному в системе 10-20 или в других схемах размещения. Часто проблема заключается в том, что шлемы не могут обеспечить достаточное давление электродов на череп из-за его формы и наличия волос. Тугие шлемы обычно доставляют неудобства пациенту, в особенности детям, которые более чувствительны.

Чтобы получить сигнал без слишком большого шумового фона, необходимо оптимизировать процесс измерения, поскольку такой шум приведет к менее точным измерениям и, соответственно, к менее точной информации. Электроды должны быть установлены вручную правильным образом с учетом различающихся размеров черепа, а эта задача часто требует расхода времени и компетентности персонала. Кроме того, при таком ручном размещении электродов увеличивается вероятность их неправильной установки вследствие человеческого фактора.

В патентной заявке US 2007/0106170 А1 описан шлем с электродами/датчиками, предназначенный для применения в ЭЭГ. Для подачи давления на электроды использовано множество надувных камер. Такое техническое решение, т.е. применение надувных камер согласно данной заявке, требует наличия нескольких шлемов, выполненных в соответствии с индивидуальными размерами черепа, причем при размещении электродов необходима еще ручная юстировка.

Документ SU 676273 А1 также описывает шлем с электродами/датчиками, предназначенный для применения в ЭЭГ. Техническое решение, обеспечивающее подачу адекватного давления на электроды, примерно такое же, что и в заявке US 2007/0106170 А1. В данном случае надувные камеры сформированы путем присоединения внутреннего слоя шлема к наружной оболочке/наружному слою таким образом, чтобы у каждого электрода образовалась собственная отдельная надувная камера. Недостатки данного технического решения те же, что и для заявки US 2007/0106170 А1.

Патентная заявка JP 2006-6667 А также представляет шлем с электродами/датчиками, предназначенный для применения в ЭЭГ. В одном из вариантов осуществления, чтобы подать давление на электроды, размещенные на внутреннем компоненте шлема, надувают камеры, которые отделены друг от друга и находятся между внутренним и наружным компонентами шлема. В данном случае шлему присущи те же недостатки, что и шлему согласно US 2007/0106170 А1.

В добавление к проведению нейрофизиологических/психофизиологических диагностик и лечебных курсов, измерения электрической активности мозга применяют также и в нескольких других областях. В сфере биотехнологии можно, используя такие измерения, трансформировать с помощью надлежащих датчиков исходящие от мозга электрические импульсы в электронные сигналы, которые далее можно применять для управления различными техническими системами контроля. К таким системам могут относиться, например, шлемы летчиков-истребителей, синтезаторы речи, роботы, различные развлекательные устройства типа компьютерных игр, а также другие системы, использующие взаимодействие мозг-компьютер.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа и устройства, обеспечивающих размещение и закрепление датчиков/электродов на голове человека. Предлагаемые устройство/способ оптимизируют информацию, содержащуюся в регистрируемых сигналах, и позволяют избежать некоторых проблем, присущих известным устройствам и способам.

Устройство, его применение и способ согласно изобретению охарактеризованы в прилагаемой формуле.

Данным устройством можно заменить известные в настоящее время шлемы. Устройство имеет внутренний шлем/слой, выполненный из эластичного материала, непроницаемого для текучей среды. Непроницаемый компонент присоединен непосредственно к наружному жесткому слою/оболочке, что позволяет обеспечить равномерное расширение внутреннего шлема/слоя. Между наружной оболочкой и внутренним шлемом расположен средний слой, в котором содержится текучая среда и/или материал, способный сжиматься/расширяться равномерным образом в зависимости от давления газа или количества текучей среды. У эластичного шлема/слоя размеры несколько меньше самой маленькой из голов, к которым он будет подгоняться, поскольку для получения оптимального сигнала внутренний слой должен обладать способностью прикладывать к ЭЭГ-электродам давление, направленное в сторону черепа. Газовый или жидкостный насос, удаляя текучую среду из среднего слоя, обеспечивает создание пониженного давления/вакуума между жесткой наружной оболочкой и внутренним эластичным шлемом. В результате эластичный шлем равномерно расширяется, приобретая по сравнению с головой пациента увеличенные размеры. Затем пациент надевает шлем, и текучую среду возвращают в средний слой, используя для этого средство регулировки давления, например клапан. Вследствие этого внутренний слой сжимается и обеспечивает приложение давления к электродам, прижимая их к черепу. Кроме того, за счет равномерного расширения эластичного шлема расстояние между электродами увеличивается равномерно. При использовании, например, системы 10-20 данное устройство-шлем позволяет надлежащим образом регулировать расстояние между электродами, причем независимо от размеров головы пациента. Обеспечивается более экономное расходование времени и ресурсов, а также повышенный уровень стандартизации системы для КЭЭГ-анализов. В добавление к сказанному, отпадает необходимость тратить время на индивидуальную адаптацию и иметь в наличии большое количество шлемов с различными размерами и с возможностью выбора для каждого пациента.

Настоящее изобретение разрабатывалось, в основном, для применения совместно с ЭЭГ-датчиками, однако этим его применение не ограничено, поскольку без каких-либо других условий оно может быть приспособлено для использования с МЭГ-датчиками и ГЭГ-датчиками, а также с другими датчиками, предназначенными для использования в измерениях активности мозга.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 в сечении иллюстрирует устройство согласно изобретению на виде спереди и в развакуумированном состоянии.

Фиг.2 в сечении иллюстрирует это же устройство на виде спереди, но в вакуумированном состоянии.

На фиг.3 приведен пример расположения электродов на внутреннем шлеме, когда голова пациента имеет большие размеры.

На фиг.4 приведен пример расположения электродов на внутреннем шлеме, когда голова пациента имеет маленькие размеры.

Фиг.5 в сечении иллюстрирует устройство согласно изобретению на виде сбоку и в развакуумированном состоянии.

Фиг.6 в сечении иллюстрирует это же устройство на виде сбоку, но в вакуумированном состоянии и после подгонки к голове пациента.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение имеет много сфер применения, таких как ЭЭГ, ГЭГ и МЭГ, однако далее для иллюстрации проблем, решаемых с помощью изобретения, более подробно описано использование его в КЭЭГ. КЭЭГ представляет собой модификацию ЭЭГ, согласно которой оператор размещает на голове пациента определенное количество (21+) электродов, чтобы зарегистрировать электрическую активность мозга. Регистрация происходит в течение определенного периода времени и часто представляется в виде топографической карты. Такие карты обычно сопоставляют с нормативными базами данных (содержащими топографические карты). В связи с этим важно, чтобы КЭЭГ-электроды были правильно размещены в системе, обеспечивая надлежащий базис для сравнения. Поэтому, как правило, размещение электродов проводят согласно международной системе 10-20. Вероятность получить одинаковый результат в двух раздельных измерениях мала; так что желательно иметь систему, более стандартизированную по сравнению с существующими в настоящее время. Можно также применять схемы размещения, отличающиеся от системы 10-20. На фиг.1 показано расстояние между электродами/датчиками 1 до откачивания текучей среды из среднего слоя 2. После откачивания текучей среды (см. фиг.2) эластичный внутренний шлем 3 равномерно растянется, и соответствующим образом увеличится расстояние между электродами/датчиками по оси X. На фиг.3 и 4 представлены расстояния между электродами/датчиками по осям Х и Y для случаев, когда голова пациента, использующего шлем, имеет соответственно большие или маленькие размеры. В частности, фиг.3 соответствует голове взрослого человека, имеющей размер 58, а фиг.4 - голове ребенка, имеющей размер 42. При таком выполнении электроды окажутся в правильных положениях независимо от размеров головы пациента, использующего устройство/шлем.

На фиг.5 и 6 представлен один из конкретных вариантов осуществления. В данном случае проиллюстрирован тип шлема, содержащий жесткую наружную оболочку 4 и эластичный внутренний шлем 3, которые соединены друг с другом швом 10, непроницаемым для текучей среды. Предпочтительно сконструировать шов 10 таким образом, чтобы эластичный шлем можно было присоединять и отсоединять, облегчая тем самым очищение и ремонт электродов/датчиков 5, изменять тип шлема 3 и т.д. На эластичном шлеме 3 закреплены проходящие сквозь него электроды/датчики 5, причем для такого закрепления использован шов, непроницаемый для текучей среды, а провода 8, идущие от каждого электрода/датчика, выведены наружу через непроницаемый для текучей среды шов 6 и подсоединены к измерительному блоку 11 ЭЭГ. Давление текучей среды регулируют вакуумным насосом 7, подключенным через наружную жесткую оболочку 4 с помощью клапана 9. В данном варианте осуществления текучей средой, используемой в среднем слое, является воздух. Чтобы эластичный внутренний шлем 3 расширялся равномерно и беспрепятственно, он непосредственно присоединен к жесткой наружной оболочке 4 только по своему периметру посредством шва 10.

Материалом, используемым в шлеме 3, может быть любой пригодный эластичный материал, непроницаемый для текучей среды. К таким материалам относятся различные модификации натуральных или синтетических каучуков и эластомеров. Более конкретно, это может быть, например, латекс или неопрен. Для шлема предусмотрена возможность иметь регулируемое количество точек для прикрепления датчиков/электродов 5. Количество датчиков/электродов и их расположение будут зависеть от типа способа, по которому проводят измерения с использованием данного устройства.

Материалом для наружной оболочки 4 шлема 3 может быть любой пригодный жесткий материал, включая различные типы пластиковых, стекловолоконных, металлических, керамических и других подобных материалов, а также пластиковых материалов, армированных волокном.

Материал, используемый в слое 2, т.е. между наружной оболочкой 4 и внутренним шлемом 3, представляет собой текучую среду, такую как воздух, вода или масло, в возможном варианте комбинируемую с любым пригодным материалом, который обладает способностью к равномерному сжатию/расширению в зависимости от давления текучей среды. К таким материалам относятся, например, пенопласт, полимер, пенорезина или губка.

Предусмотрена возможность изменять количество датчиков/электродов в интервале от 1 до 256 в зависимости от того, какой способ используется. На фиг.1-2 и 5-6 количество электродов, попадающих в представленные сечения, отвечает шлему, содержащему 128 электродов.

В ЭЭГ-измерениях в добавление к электродам, упомянутым выше, используют два опорных (заземляющих) электрода, которые не зависят от комплекта электродов, встроенного в шлем, и прикрепляются к ушам посредством медного зажима и геля. Эти дополнительные электроды также можно вмонтировать в шлем. Опорные электроды играют важную роль и применяются во всех установках КЭЭГ. Однако, поскольку их прикрепляют к мочке уха или к сосцевидному отростку (прямо за ухом), нет необходимости оптимизировать их позицию, применяя данную систему.

Электроды/датчики могут относиться к любому типу, используемому для измерений сигналов в мозге. При применении в медицинских/нейрофизиологических диагностиках и лечебных курсах предпочтительны электроды с жидкой средой, поскольку они обеспечивают наилучший сигнал. Электроды такого типа применяются в комбинации с гелем/пастой/жидкостью, чтобы получить улучшенный контакт с кожей головы. В других приложениях, в которых требования к качеству сигнала не настолько высоки, можно использовать также и сухие электроды. Во многих случаях они предпочтительны, т.к. дешевле и при применении более удобны.

В представленном варианте осуществления провода 8, идущие от электродов, выведены через наружную оболочку. В других вариантах осуществления предусмотрена возможность данные провода объединить в пучок и присоединить к приемопередатчику, установленному на внешней поверхности шлема/наружной оболочки или внутри нее. Тогда сигналы можно передавать на наружный приемник беспроводным образом.

Настоящее изобретение будет содействовать повышению воспроизводимости результатов ЭЭГ-измерений, что позволит проводить эти или другие (ГЭГ и МЭГ) измерения быстрее за счет упрощенной адаптации электродов/датчиков по месту и отсутствия необходимости иметь в наличии шлемы с датчиками/электродами, выполненные с различными размерами. В дополнение к сказанному, изобретение облегчает использование, например, ЭЭГ-измерений в таких видах деятельности, как контроль над самолетами и управление ими, роботы, компьютерные программы и игры, а также другие устройства, использующие взаимодействие мозг-компьютер.

Формирование шва 10 можно осуществить любым пригодным средством, непроницаемым для текучей среды, таким, например, как склеивание, сваривание, зажимы, застежка-молния или другие зажимы и замки.

Предусмотрена также возможность оборудовать шлем ремнем для поддерживания подбородка, дополнительно стабилизирующим положение шлема на голове. Для получения такого же воздействия можно использовать и другие технические решения, такие как дужки, наушники или прочие подобные приспособления.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Устройство содержит наружный слой, присоединенный к внутреннему слою, от которого он частично отделен средним слоем. Наружный слой состоит из жесткого материала, непроницаемого для текучей среды. Внутренний слой изготовлен из эластичного материала, непроницаемого для текучей среды и имеющего участки для размещения датчиков или электродов, и непосредственно присоединен к наружному слою по своему периметру. Средний слой содержит текучую среду и выполнен с возможностью откачивания из него текучей среды для равномерного растягивания внутреннего слоя, увеличения расстояния между электродами и размещения их независимо от размера головы пациента. Устройство содержит средство для регулирования давления текучей среды в среднем слое. Раскрыто применение устройства для регистрации электроэнцефалограммы и способ размещения электродов на коже головы. Изобретения решают задачу повышения удобства. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для позиционирования и фиксирования датчиков на коже головы пациента, содержащее наружный слой (4), присоединенный к внутреннему слою (3), от которого он частично отделен средним слоем (2), причем наружный слой (4) состоит из жесткого материала, непроницаемого для текучей среды,
отличающееся тем, что:
внутренний слой (3) изготовлен из эластичного материала, непроницаемого для текучей среды и имеющего участки для размещения датчиков или электродов, и непосредственно присоединен к наружному слою (4) по своему периметру,
а средний слой (2) содержит текучую среду и выполнен с возможностью откачивания из него текучей среды для равномерного растягивания внутреннего слоя, увеличения расстояния между электродами и размещения их независимо от размера головы пациента,
при этом устройство содержит средство для регулирования давления текучей среды в среднем слое (2).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит множество электродов или датчиков, прикрепленных к внутреннему слою (3).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что участки для размещения датчиков или электродов соответствуют системе 10-20.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды выбраны с возможностью применения в электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ) или гемоэнцефалографии (ГЭГ).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний слой (3) изготовлен из натурального или синтетического каучука, предпочтительно из латекса или неопрена.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что текучая среда в среднем слое (2) представляет собой воздух.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для регулирования давления представляет собой клапан (9).

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что содержит средство для удаления текучей среды из среднего слоя (2), при этом указанное средство предпочтительно представляет собой вакуумный насос.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что клапан (9) для регулирования давления вмонтирован в вакуумный насос (7).

10. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что электроды выбраны с возможностью применения в ЭЭГ.

11. Применение устройства, выполненного согласно п. 10, для регистрации ЭЭГ, при этом из среднего слоя устройства удаляют текучую среду, создавая в среднем слое давление, которое ниже давления окружающей среды, для равномерного растягивания внутреннего слоя и увеличения расстояния между электродами,
устанавливают устройство на голову пациента,
впускают текучую среду в средний слой (2), обеспечивая тем самым приложение к электродам со стороны внутреннего слоя (3) давления, направленного в сторону кожи головы, и присоединяют электроды к приемопередатчику.

12. Способ размещения электродов на коже головы пациента, включающий
использование устройства для позиционирования и фиксирования датчиков на коже головы пациента по п. 1, из среднего слоя (2) которого удаляют текучую среду, создавая в среднем слое давление, которое ниже давления окружающей среды, для равномерного растягивания внутреннего слоя и увеличения расстояния между электродами,
устанавливают упомянутое устройство на голову пациента
и впускают текучую среду в средний слой (2), обеспечивая тем самым приложение к электродам/датчикам со стороны внутреннего слоя (3) давления, направленного в сторону кожи головы.