Бесконтактный датчик и устройство регистрации биоэлектрической активности головного мозга Российский патент 2020 года по МПК A61B5/478 

Область техники

Изобретение относится к области электроэнцефалографии, а, более точно, к датчикам и устройствам, предназначенным для электроэнцефалографии.

Предшествующий уровень техники

При регистрации биоэлектрической активности головного мозга (электроэнцефалографических сигналов) бесконтактным электрометрическим датчиком, основной проблемой является устранение индустриальных помех в виде переменных электрических полей, поскольку полезный электроэнцефалографический сигнал очень мал (порядка 10 мкВ). Для решения данной проблемы необходимо снизить чувствительность бесконтактного датчика к внешним электромагнитным помехам и, тем самым, улучшить отношение сигнал/шум.

Известен, раскрытый в патентной заявке Китая CN106880355 от 23.06.2017, бесконтактный электрод для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающий гибкий диэлектрический слой, гибкий электрод (решетку из металлических электродов) и гибкий защитный слой. Вместе с тем, не раскрывается, каким образом обеспечивается удержание этого известного электрода прилегающим к поверхности головы. Также не раскрывается, каким образом снимается сигнал с этого электрода и обеспечивается его помехозащищенность.

Известен также, раскрытый в патенте США US9588146 от 07.03.2017, бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающий соединенные изолирующим материалом гибкий измерительный электрод, предварительный усилитель, расположенный с внешней стороны измерительного электрода, и нейтрализующий электрод, расположенный с внешней стороны предварительного усилителя.

Этот известный бесконтактный датчик является ближайшим аналогом заявленного технического решения. Вместе с тем, в этом известном техническом решении не раскрывается, каким образом обеспечивается удержание этого известного датчика прилегающим к поверхности головы. Также не раскрывается, каким образом снимается сигнал с этого датчика.

Известно устройство регистрации электроэнцефалографических сигналов, устанавливаемое на голове посредством эластичной шапочки, раскрытое в патенте РФ 2230483 от 20.06.2004. Этот известное устройство является ближайшим аналогом заявленного технического решения. Однако это устройство предполагает установку в шапочке только жестких электродов, контактирующих с небольшими участками поверхностью головы.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявленных датчика для регистрации электроэнцефалографических сигналов и устройства регистрации, заключается в повышении помехозащищенности от внешних электромагнитных помех при измерении полезного сигнала за счет того, что измерительный электрод и охватывающий его сверху и с торцов нейтрализующий электрод вместе со слоями изолирующего материала между ними, а также, с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода, образуют гибкий упругий элемент, который прижимается к поверхности головы. Таким образом, минимизируются зазоры и, соответственно, уменьшается электрическое поле, проникающее к измерительному электроду в зазор между краями охватывающего измерительный электрод нейтрализующего электрода и поверхностью головы. Дополнительное повышение помехозащищенности от внешних электромагнитных помех достигается включением в гибкий упругий элемент экрана от электромагнитных помех, охватывающего нейтрализующий и измерительный электроды.

Указанный технический результат достигается в бесконтактном датчике для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающем:

держатель, выполненный из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски,

предварительный усилитель, расположенный в углублении упругой пластины держателя,

подключенные ко входу предварительного усилителя гибкие измерительный и нейтрализующий электроды, образующие со слоями изолирующего материала между ними, а также, с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода единый упругий гибкий элемент с вогнутой контактной поверхностью, вытянутый вдоль держателя и соединенный частью внешней поверхности с предварительным усилителем, при этом упругая пластина держателя поджимает с внешней стороны упругий элемент с вогнутой контактной поверхностью, а края упругой пластины держателя используются для фиксации положения упругого элемента с вогнутой контактной поверхностью на голове пользователя.

Нейтрализующий электрод расположен между измерительным электродом и предварительным усилителем и облегает края измерительного электрода с целью уменьшения зазора между краями нейтрализующего электрода и кожей головы пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к измерительному электроду.

Гибкий упругий элемент может дополнительно включать гибкий экран от электромагнитных помех, расположенный поверх измерительного и нейтрализующего электродов, поверх предварительного усилителя и между предварительным усилителем и держателем, и механически соединенный изолирующим материалом с единым упругим гибким элементом, предварительным усилителем и держателем. При этом экран от электромагнитных помех изгибается и облегает единый гибкий упругий элемент по всему краю с целью уменьшения зазора между краями экрана от электромагнитных помех и кожей головы пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к нейтрализующему и измерительному электродам. Экран от электромагнитных помех может быть выполнен упругим.

Предварительный усилитель может быть выполнен на печатной плате с корпусом, установленным в углублении упругой пластины держателя. При этом печатная плата может быть выполнена съемной, вставляемой в корпус и извлекаемой из корпуса, при необходимости ее замены.

Предварительный усилитель может быть выполнен на печатной плате и снабжен экраном от электромагнитных помех, охватывающим печатную плату, и расположенным между печатной платой и держателем.

Предварительный усилитель может занимать часть углубления в пластине держателя, а оставшаяся свободная часть углубления может использоваться для размещения кабеля, соединяющего предварительный усилитель с внешним устройством (регистратором).

Измерительный и нейтрализующий электроды и экран от электромагнитных помех могут быть выполнены из гибкого токопроводящего силикона или другого токопроводящего композитного материала.

Указанный технический результат достигается также в устройстве регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающим:

- эластичный материал, охватывающий голову (эластичную повязку или шапочку),

- регистратор электроэнцефалографических сигналов, закрепляемую на эластичном материале,

- по меньшей мере, один, соединенный кабелем с регистратором, бесконтактный датчик с держателем, выполненным из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски, предварительным усилителем, установленным в углублении упругой пластины держателя, и вытянутым вдоль держателя упругим гибким элементом с вогнутой, прилегающей к голове, поверхностью, включающим измерительный и нейтрализующий электроды с изолирующим материалом между ними, с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода, и соединенный частью внешней поверхности с предварительным усилителем, при этом упругая пластина держателя, при установке на голову, поджимает с внешней стороны упругий элемент с вогнутой поверхностью к поверхности головы, а края упругой пластины держателя каждого бесконтактного датчика вдеты во внутренние карманы охватывающего голову эластичного материала, фиксирующего положение бесконтактного датчика на голове пользователя.

Устройство может включать контактный электрод, электрически соединенный с регистратором и установленный жестко на внутренней стороне регистратора, прилегающий к коже головы в области лба.

Устройство может включать контактный электрод, электрически соединенный с регистратором и установленный на внутренней поверхности шапочки, прилегающий к коже головы в области лба или ушей.

Устройство может включать два и более бесконтактных датчиков.

Устройство может включать два и более контактных электродов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан продольный разрез бесконтактного датчика для регистрации электроэнцефалографических сигналов.

На фиг. 2 показан вид сверху бесконтактного датчика для регистрации электроэнцефалографических сигналов в составе устройства регистрации электроэнцефалографических сигналов.

На фиг. 3 показана фотография устройства регистрации электроэнцефалографических сигналов.

Осуществление изобретения

Бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических сигналов, показанный на фиг. 1, включает держатель 1, выполненный из упругого пластика в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски, предварительный усилитель 2, расположенный в углублении держателя 1, подключенные к входу предварительного усилителя 2 гибкий измерительный электрод 3 и гибкий нейтрализующий электрод 4, образующие вместе с гибким экраном 5 от электромагнитных помех, охватывающим предварительный усилитель 2, и изолирующим материалом 6, находящимся между электродами 3, 4 и экраном 5, с внутренней стороны измерительного электрода 3 и с наружной стороны гибкого экрана 5, единый упругий гибкий элемент с вогнутой контактной поверхностью, вытянутый вдоль держателя 1. Предварительный усилитель 2, таким образом, окружен изолирующим материалом 6, например, силиконом. Измерительный и нейтрализующий электроды и экран от электромагнитных помех выполнены из гибкого токопроводящего силикона или другого токопроводящего композитного материала.

При этом упругая полоска держателя 1 контактирует в месте, показанном стрелкой, с внешней стороной единого упругого элемента и поджимает его к поверхности 7 головы, а края 8 и 9 упругой пластины держателя вдеты в карманы показанного пунктиром эластичного материала, охватывающего голову (повязки или шапочки) 10, и, таким образом, используются для фиксации положения упругого элемента с вогнутой контактной поверхностью на голове пользователя.

Нейтрализующий электрод 4 расположен между измерительным электродом 3 и предварительным усилителем 2 и облегает края измерительного электрода 3 с целью уменьшения зазора между краями нейтрализующего электрода и кожей головы пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к измерительному электроду.

Экран 5 от электромагнитных помех изгибается в едином гибком упругом элементе по всему краю с целью уменьшения зазора между краями экрана 5 от электромагнитных помех и кожей головы 7 пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к нейтрализующему 4 и измерительному 3 электродам.

Предварительный усилитель 2 занимает часть углубления в пластине держателя 1, а оставшаяся свободная часть углубления используется для размещения кабеля, соединяющего предварительный усилитель 2 с внешним устройством (регистратором).

Предварительный усилитель 2 может быть выполнен на печатной плате с корпусом (не показан), установленным в углублении упругой пластины держателя. При этом печатная плата может быть выполнена съемной, вставляемой в корпус и извлекаемой из корпуса, при необходимости ее замены. В этом случае, корпус усилителя 2 экранирует печатную плату от внешних электромагнитных помех, а экран 5 не охватывает корпус усилителя 2 и не препятствует смене печатной платы.

Устройство регистрации электроэнцефалографических сигналов, устанавливаемое на голове с использованием эластичной повязки или шапочки 10 и показанное на фиг. 2 состоит из 4-х датчиков 11, 12, 13 и 14, раскрытых выше, и регистратора 15. Регистратор 15 включает аналого-цифровой преобразователь, подключаемый к предварительному усилителю 2 датчика, процессор с памятью и может включать приемопередатчик (трансивер) для передачи данных внешнему устройству и приема управляющих команд.

На фиг. 3 показана фотография устройства с регистратором 15 и датчиками 16, установленными на эластичной повязке (шапочке), одеваемой на голову. Контактный электрод (не показан) установлен на регистраторе 15 так, чтобы контактировать с кожей на лбу пользователя. Контактные электроды (не показаны) установлены на повязке или шапочке 17 так, чтобы контактировать с кожей на ушах пользователя.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических (ЭЭГ) сигналов включает держатель (1), а также гибкие измерительный (3) и нейтрализующий (4) электроды, подключенные к входу предварительного усилителя (2). Держатель выполнен из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски. Нейтрализующий электрод расположен между измерительным электродом и предварительным усилителем, выполнен гибким и облегает края измерительного электрода. Предварительный усилитель расположен в углублении упругой пластины держателя. Электроды со слоями изолирующего материала (6) между ними, а также с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода образуют единый упругий элемент с вогнутой контактной поверхностью, вытянутый вдоль держателя и соединенный частью внешней поверхности с предварительным усилителем. Упругая пластина держателя поджимает с внешней стороны упругий элемент с вогнутой контактной поверхностью. Края (8, 9) упругой пластины держателя используются для фиксации положения упругого элемента с вогнутой контактной поверхностью на голове пользователя (7). Устройство регистрации ЭЭГ сигналов содержит регистратор ЭЭГ сигналов, закрепляемый на охватывающем голову эластичном материале (10), и бесконтактный датчик, соединенный с регистратором кабелем. Достигается повышение помехозащищенности от внешних электромагнитных помех при измерении полезного сигнала за счет того, что минимизируются зазоры и уменьшается электрическое поле, проникающее к измерительному электроду в зазор между краями охватывающего измерительный электрод нейтрализующего электрода и поверхностью головы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающий соединенные изолирующим материалом гибкий измерительный электрод и нейтрализующий электрод, подключенные к входу предварительного усилителя, расположенного с внешней стороны измерительного электрода, отличающийся тем, что снабжен держателем, выполненным из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски, нейтрализующий электрод расположен между измерительным электродом и предварительным усилителем, выполнен гибким и облегает края измерительного электрода, предварительный усилитель расположен в углублении упругой пластины держателя, гибкие измерительный и нейтрализующий электроды со слоями изолирующего материала между ними, а также с внутренней стороны измерительного электрода и наружной стороны нейтрализующего электрода образуют единый упругий элемент с вогнутой контактной поверхностью, вытянутый вдоль держателя и соединенный частью внешней поверхности с предварительным усилителем, при этом упругая пластина держателя поджимает с внешней стороны упругий элемент с вогнутой контактной поверхностью, а края упругой пластины держателя используются для фиксации положения упругого элемента с вогнутой контактной поверхностью на голове пользователя.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что предварительный усилитель выполнен на печатной плате с корпусом, установленным в углублении упругой пластины держателя.

3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что печатная плата выполнена съемной, вставляемой в корпус и извлекаемой из корпуса, при необходимости ее замены.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что предварительный усилитель выполнен на печатной плате и снабжен экраном от электромагнитных помех, охватывающим печатную плату и расположенным между печатной платой и держателем.

5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что занимает часть углубления в пластине держателя, а оставшаяся свободная часть углубления используется для размещения кабеля, соединяющего предварительный усилитель с внешним устройством.

6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что единый гибкий упругий элемент дополнительно включает гибкий экран от электромагнитных помех, расположенный поверх гибкого нейтрализующего электрода, между предварительным усилителем и держателем и механически соединенный с ними изолирующим материалом, при этом экран от электромагнитных помех изгибается по периметру и облегает снаружи нейтрализующий и измерительный электрод и предварительный усилитель.

7. Датчик по п. 6, отличающийся тем, что измерительный и нейтрализующий электроды и экран от электромагнитных помех выполнены из гибкого токопроводящего материала, а гибкий экран от электромагнитных помех выполнен упругим.

8. Устройство регистрации электроэнцефалографических сигналов, устанавливаемое на голове и включающее эластичный материал, охватывающий голову, отличающееся тем, что включает регистратор электроэнцефалографических сигналов, закрепляемый на эластичном материале, охватывающем голову, и соединенный кабелем с регистратором, по меньшей мере один бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических сигналов с держателем, выполненным из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски, предварительным усилителем, установленным в углублении упругой пластины держателя, и вытянутым вдоль держателя упругим гибким элементом с прижимаемой к поверхности головы вогнутой контактной поверхностью, включающим выполненные гибкими измерительный электрод и облегающий края измерительного электрода, расположенный между измерительным электродом и предварительным усилителем нейтрализующий электрод, и слои изолирующего материала между измерительным и нейтрализующим электродами, а также с внутренней стороны измерительного электрода и наружной стороны нейтрализующего электрода и соединенным частью внешней поверхности с предварительным усилителем, при этом края упругой пластины держателя фиксируются на голове пользователя эластичным материалом, охватывающим голову.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что включает четыре бесконтактных датчика, фиксируемых на голове пользователя эластичным материалом, охватывающим голову, и соединенных каждый кабелем с регистратором.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что дополнительно включает контактный электрод, фиксируемый на поверхности головы за границей волосяного покрова эластичным материалом, охватывающим голову.