Устройство для портативной беспроводной регистрации электрической активности головного мозга
DEVICE FOR PORTABLE WIRELESS RECORDING OF CEREBRAL ELECTRICAL ACTIVITY

Изобретение относится к психофизиологии и может быть использовано для реализации работы аппаратно программного комплекса, осуществляющего съем и обработку мультмодальных нейрофизиологических измерений с группы лиц для выделения и нахождения паттернов регистрируемой активности человека, сопровождающих различные характеристики эмоционального восприятия.
Успехи нейронаук и прикладной психофизиологии привели в последнее десятилетие к активному использованию биометрических данных в немедицинских целях. Прежде всего эти данные активно используются в таких сферах, как нейромаркетинговые исследования. Возможно также применение электрической активности головного мозга для диагностики и повышения эффективности обучения, контроля уровня когнитивной нагрузки и когнитивного утомления у операторов, использование для диагностики эмоционального состояния в такой новой отрасли, как нейрокино и многих других сферах. Интересно также применение биометрических показателей в обучении на основе биообратной связи и компьютерных играх, использующих интерфейс мозг-компьютер. Несмотря на то, что существуют многочисленные научные исследования, которые показывают возможность распознавания указанных показателей психической активности человека с использованием психофизиологических данных, результаты этих исследований имеют лишь ограниченное лабораторное применение из-за отсутствия удобной беспроводной гарнитуры, способной снимать достаточно большое количество биометрических показателей беспроводным способом в условиях свободного поведения, не вызывая нарушение прилегания регистрирующих электродов и неудобства для человека от сильного давления фиксирующих электроды приспособлений.
В Европе и России измерения электрической активности мозга нашли широкое применение при проведении нейрофизиологических и психофизиологических диагностик. С 1960-х годов измерения различных типов активности мозга и воздействия на эти типы проводилась также  в США, Канаде, Австралии.
При проведении исследований важной задачей является установка электродов таким образом, чтобы обеспечивался  хороший контакт 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.
Широко известны устройства для регистрации биоэлектрической активности мозга -электроэнцефалограммы (ЭЭГ) которые представляют собой  эластичную сетку и/или шлем, выполненные в соответствии с системой 10-20 или другими менее распространенными схемами размещения. В частности, известно устройство для электроэнцефалографических исследований,  представляющее собой шлем, состоящий из двух частей, измерительно-передающего блока смонтированного в шлеме, надеваемом на голову пациента, и приемно-регистрирующего блока, находящегося на некотором расстоянии от пациента в зоне уверенного приема электромагнитных волн. Измерительно-передающий блок включает в себя электроды для снятия электрических потенциалов, усилители, коммутатор, АЦП, кодер и передатчик электромагнитного сигнала, соединенные последовательно. Приемно-регистрирующий комплекс включает в себя последовательно соединенные приемник электромагнитного сигнала, декодер и ЭВМ [SU 1734687, 1989].
Шлемы для измерения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) имеют различные размеры, т.к. расстояние между электродами должно соответствовать размеру черепа, учтенному в системе 10-20 или в других схемах размещения, а сами электроды размещают в соответствующих отверстиях шлема. Ручное размещение электродов увеличивает вероятность неправильной установки их вследствие человеческого фактора, т.к.  электроды должны быть размещены с учетом различающихся размеров черепа, что требует компетентности персонала. Свободное расположение электродов приводит к неточным измерениям, тогда как тугие шлемы, обеспечивающие высокий уровень прилегания, доставляют серьезные неудобства пациенту, в особенности детям, препятствуя длительным измерениям.
Известны устройства, которые направлены на снижение неудобства от давления регистрирующих электродов при обеспечении достаточного уровня прилегания, например, устройства, описанные патентных документах US 2009099473 (2009), SU 676273 (1979),JP 2006006667 (2006),  US 2005177929 (2005),  SU 1734576 (1992).
В частности,  в устройстве по изобретению SU 676273 (1979) описан шлем с электродами/датчиками, предназначенный для применения в ЭЭГ, где плотное прилегание обеспечивается подачей давления на электроды. Аналогичный прием описан  и в  патентной заявке US 2007/0106170, где предусмотрено  множество надувных камер. Вместе с тем, применение надувных камер требует создания адекватного давления и наличия нескольких типоразмеров шлемов, выполненных в соответствии с индивидуальными размерами черепа, причем при размещении электродов необходима еще ручная юстировка для правильного размещения электродов. Кроме того, электроды закреплены на пластмассовых держателях, имеющих не очень большую упругость, поэтому при некоторых формах головы электроды контактируют с головой с разной степенью прилегания, нарушая качественную регистрацию ЭЭГ-сигнала.
Устройство по заявке JP 2006006667 (2006) 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 описаны выше.
Известен шлем для позиционирования и фиксирования датчиков на коже головы пациента с зафиксированными электродами по RU 2557781 (2015), состоящий из 3 слоев, наружный слой присоединен к внутреннему слою, при этом 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, а 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, при этом устройство содержит средство для регулирования давления текучей среды в среднем слое содержит текучий материал, что позволяет мягко и плотно фиксировать электроды.
В известном устройстве отсутствует беспроводная передача данных, что исключает вариант портативного его исполнения и  ограничивает его применение. Кроме того, известное устройство сложно для одевания и снимания, предполагает  использование гелевых или влажных электродов, отсутствует возможность снятия фотоплетизмограммы, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности. Существенным недостатком известного устройства является использование влажных электродов, которые при длительном использовании начинают подсыхать, изменяя подэлектродное сопротивление, т.е. искажая данные.
Наиболее близким к предлагаемому, является устройство измерения электрической активности головного мозга по патенту RU 2563433 (2013), которое содержит множество сухих электродов, установленных на гибких поверхностях, корпус, выполненный с возможностью расположения, по меньшей мере, частично вокруг головы пользователя, по меньшей мере, одну упругую ленту на внутренней стороне корпуса. Устройство дополнительно содержит конструкцию для позиционирования, включающую позиционирующую полоску на внутренней стороне упругой ленты, крепящуюся к множеству гибких поверхностей, содержащую отверстия, через которые выступают электроды, когда блок расположен вокруг головы пользователя. Конструкция для позиционирования выполнена с возможностью позиционирования упругой ленты и электродов таким образом, что, когда корпус расположен вокруг головы пользователя, упругая лента, по меньшей мере, частично следует кривизне головы пользователя, при этом напряжение в упругой ленте, вызванное ее растяжением, обусловленным расположением корпуса вокруг головы пользователя, приводит к тому, что упругая лента оказывает давление, по меньшей мере, на некоторые из множества электродов в направлении кожи головы.  Используемые электроды представляют собой позолоченные металлические штыри диаметром примерно 1 мм, расположенные так, что расстояние между их центральными осями составляет 2,5 мм. Штыри имеют закругленные (полусферические) концы, а гибкие поверхности выполнены из электропроводящей резины.
Известное устройство обеспечивает хорошее прилегание электродов к коже черепа за счет эффективного контакта множества электродов с кожей головы. Вместе с тем, функциональные возможности известного устройства ограничены снятием только показателей электрической активности головного мозга (ЭЭГ) и не предназначено для снятия иных показателей активности человека, сопровождающих различные характеристики эмоционального восприятия человека. Более того, известное устройство предполагает использование электропроводящей резины или металлической фольги, что сокращает срок нормальной эксплуатации шлема, т.к. резина склонна к высыханию в результат чего появляются трещины, которые делают передачу электросигналов нестабильной из-за разрыва цепи, а металлическая фольга также имеет невысокие показатели прочности на разрыв, что также снижает эксплуатационную надежность устройства за счет возможность разрыва электроцепи.
Задачей является расширение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных показателей устройства для портативной беспроводной регистрации электрической активности головного мозга, как средства для изучения эмоциональных реакций человека или группы лиц на получаемую визуальную или иную информацию.
Поставленная задача решается тем, что заявляется устройство для портативной беспроводной регистрации электрической активности головного мозга, выполненное в виде шлема для позиционирования сухих электродов на коже головы для регистрации электрической активности головного мозга (ЭЭГ), шлем состоит из каркаса, выполненного с
возможностью расположения, по меньшей мере частично, вокруг головы пользователя, и держателей сухих электродов, выполненных из упруго деформируемого материала, каждый из которых, по меньшей мере частично следует кривизне головы пользователя, указанные держатели присоединены к каркасу таким образом, что напряжение в держателе, вызванное его упругой деформацией, обусловленным расположением корпуса вокруг головы пользователя, приводит к тому, что держатели оказывают давление на электроды в направлении кожи головы, сухие электроды электрически соединены с блоком регистрации данных, при этом, в отличие от известного устройства, в заявляемом устройстве каркас выполнен составным с жесткой или упруго деформируемой подвижной передней частью и жесткой неподвижной задней частью и снабжен эластичной лентой, соединенной с держателями сухих электродов в средней их части, имеющей возможность крепления с подвижной частью каркаса с возможностью изменения длины, сухие электроды выполнены подпружиненными и установлены на держателях в отверстиях, выполненных в местах позиционирования сухих электродов, держатели выполнены из диэлектрического материала, а электрическое соединение сухих электродов с блоком регистрации данных выполнено посредством электропроводящих кабелей, имеющих электроизоляционную оболочку, держатели имеют пазы, в которые по меньшей мере частично уложены электропроводящие кабели, соединенные с блоком регистрации данных, который закреплен на неподвижной части каркаса, предназначенной для позиционирования на затылочной области головы и представляет собой корпус, внутри которого размещен элемент автономного электропитания, усилитель регистрируемых данных, который электрически соединен с электродами и с передатчиком усиленных сигналов, выполненным с возможностью беспроводной передачи усиленных сигналов на удаленное электронно-вычислительное устройство, предназначенное для анализа данных, блок индикации, информационная панель которого выведена на лицевую панель корпуса, и соединенный с усилителем регистрируемых импульсов, подвижная часть каркаса соединена с неподвижной частью каркаса таким образом, что обеспечивается возможность изменения длины подвижной части каркаса.
Заявляемое устройство дополнительно снабжено электродом- клипсой, имеющим возможность крепления на мочке уха для регистрации сосудистых реакций методом фотоплетизмограммы (ФПГ). Электрическое соединение электрода-клипсы с блоком регистрации данных выполнено посредством электропроводящих кабелей.
Изменение длины подвижной части каркаса, а, следовательно, степени его прилегания к передней и боковых частях головы, может быть обеспечено посредством вращения юстировочного винта, размещенного в неподвижной части каркаса. Длина подвижной части каркаса подбирается в зависимости от параметров головы (формы и размеров). В качестве юстировочного винта может быть использовано любое известное для этих целей средство. Подвижная часть каркаса, напрямую контактирующая с кожей головы (главным образом, на лбу), не оказывают избыточного давления на голову благодаря возможности регулирования степени прилегания. Это, в свою очередь позволяет обеспечить возможность исследования параметров человека непрерывно в течение длительного времени, т.к. уменьшаются проявления негативных физиологических реакций, связанных со сдавливаем головы.
Неподвижная часть каркаса шлема в зоне крепления блока регистрации данных выполнена из жесткого пластика, например, из полистирола, поливинилхлорида и других аналогичных пластических материалов. Подвижная часть каркаса может быть выполнена из жесткого пластика, аналогичного пластику неподвижной части каркаса или может быть выполнена из упруго деформируемого материала, например из полиуретана. Эластичная лента, соединенная с держателями, предпочтительно заподлицо, может быть выполнена, например, из нейлона, силиконовой резины и других известных материалов, способных с растяжению и  пригодных для санитарно-гигиенической обработки дезинфицирующими средствами.
Держатели для размещения сухих электродов выполнены из упруго деформируемого материала, предпочтительно из полиуретана, например, марки AXSON UPX 8400. Держатели для размещения сухих электродов позиционируются по височной и  медианной линиям головы и крепятся своими концами к боковым сторонам каркаса шлема с возможностью изменения длины в зависимости от формы и размера головы, обеспечивая плотное прилегание подпружиненных сухих электродов к голове. Позиционирование электродов относительно поверхности головы осуществляется по международной системе «10-10%» (выборочные позиции из системы).
Разъемы, соединения и места крепления сухих электродов к держателям обеспечивают влагозащиту не ниже уровня IPx6 по ГОСТ 14254-2015.
Плотное прилегание сухих электродов к коже головы обеспечивается креплением к каркасу держателей, выполненных из упруго деформируемого материала. Сухие электроды подпружинены и обеспечивают плотный контакт с кожей головы. Сухие электроды крепятся в отверстиях держателей, отверстия выполнены в местах позиционирования сухих электродов на голове. В качестве сухих электродов преимущественно используются сухие электроды марки Cognionics. Возможно применение иных известных подпружиненных сухих электродов. Предпочтительно на держателях, расположенных соответственно на височной и медианной линиях, размещено восемь сухих электродов, обеспечивающих регистрацию до 8 каналов ЭЭГ. Сухие электроды  допускают их санитарно-гигиеническую обработку известными растворами, например, растворами на основе гипохлорита и изопропилового спирта, без  утраты полезных свойств. Наличие на сухих электродах марки Cognionics покрытия из цельнопрессованного Ag/AgCl обеспечивает съем качественного сигнала и отсутствие поверхностной поляризации. В районе правого уха имеется вывод референтного электрода. В районе левого уха имеется вывод электропроводящего кабеля электрода-клипсы  для снятия сигналов ФПГ.
Выводы электропроводящих кабелей должны иметь достаточную длину для фиксации крепления сухих электродов и электрода-клипсы для снятия ФПГ на мочке уха при любых размерах головы. Выводы всех  электропроводящих кабелей интегрированы в блок регистрации данных.
Корпус блока регистрации данных выполнен их жесткого пластика, на лицевую панель выведено информационная панель блока индикации, которая отображает информацию о параметрах включения, уровня заряда элемента автономного электропитания, качество контакта электродов с кожей головы, отрыв электрода, уровень подэлектродного сопротивления и другие сведения.
В корпусе блока регистрации данных размещен усилитель поступающих сигналов с электродов. Усилитель сигналов выполнен известными методами с использованием известных электронных компонент и представляет собой микросхему, электрически соединенную с сухими электродами и электродом-клипсой, элементом автономного электропитания и передатчиком усиленных сигналов.
В качестве элемента автономного электропитания предпочтительно используют Li-Ion аккумуляторную батарею с напряжением 3,7 вольта и емкостью не менее 700 мАч. Элемент автономного питания выполнен с возможностью замены, т.е. закреплен с возможностью извлечения его известными способами из корпуса блока регистрации данных.
В качестве передатчика усиленных сигналов может быть использован любой известный для этих целей блок передачи данных, имеющий возможность оцифровки, передачи и приема сигналов, например блок WIFI (вай-фай). Возможны и иные каналы беспроводной передачи данных на удаленное приемное устройство, в качестве которого используют электронно-вычислительное устройство, предназначенное для анализа данных, например компьютер или иное аналогичное устройство, имеющее  возможность приема сигналов, например по технологии blutooth (блютуз) и последующей их обработки программными средствами.
Блок регистрации данных может быть дополнительно снабжен блоком измерения двигательной активности, например трехосевого акселерометра, который  встроен в виде микросхемы.
Заявляемое устройство за счет создания хорошего контакта электродов с кожей головы обеспечивает получение нового технического результата, который выражается в возможности обеспечить корректное измерение активности головного мозга в течение длительного времени посредством использования заявляемого портативного шлема, не требующего для его корректной работы неподвижного положения. Заявляемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет обеспечения одновременной возможности снятия иных данных - фотоплетизмограммы (ФПГ), что позволяет расширить возможности исследования сценариев поведения и эмоционального состояния человека или группы людей, воспринимающих одну и ту же информацию.
Заявляемое устройство иллюстрируется следующими рисунками.
На фиг. 1 изображен общий вид заявляемого устройства вид спереди
На фиг. 2 тоже вид сзади
На фиг. 3 показана раскладка сухих электродов на держателях
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны сухие электроды
На фиг. 6 показана блок схема заявляемого устройства.
Устройство представляет собой шлем, который состоит из неподвижной части каркаса 1, выполненной из жесткого пластика и подвижной части 2 каркаса, взаимодействующих друг с другом с возможностью изменения длины подвижной части каркаса посредством юстировочного винта 8. На подвижной части 2 каркаса закреплены держатели 3 сухих электродов 4 марки Cognionics, которые выполнены подпружиненными и размещены в отверстиях (не показаны) держателей 3. Устройство содержит электрод-клипсу 5, который предназначен для крепления на мочку уха. Электроды 4 и 5 снабжены электропроводящими кабелями 6, которые частично уложены в пазы 10, выполненные в держателях 3, образуя систему коммутации (Фиг.6). Держатели 3 в средней своей части соединены с эластичной лентой 11, которая имеет возможность съемного крепления с подвижной частью 2 каркаса с изменением длины. Аналогичную возможность крепления с подвижной часть каркаса имеют держатели 3. Крепление эластичной ленты 11 и держателей 3 с подвижной частью 2 каркаса обеспечивается за счет размещенных на их концах отверстий 12, которые взаимодействуют с ответными штырями (не показаны) на подвижной части 2 каркаса. На неподвижной части 1 каркаса закреплен блок регистрации данных, представляющий собой размещенные в корпусе 7 соединенные друг с другом усилитель 13, блок индикации 14, аккумуляторную батарею 15 и передатчик 16 усиленных сигналов посредством беспроводной связи на удаленное приемное устройство 17 с функцией обратной связи (Фиг.6). Данные блока индикации 14 выведены на переднюю панель корпуса 7 для визуализации состояния работы сухих электродов 4, электрода клипсы 5, заряда аккумуляторной батареи 15 и иных показателей. Использование сухих электродов 4 требует определенных параметров усилителя 13- частота дискретизации данных ЭЭГ настраиваемая – 250 и 500 Гц. Динамический диапазон для данных ЭЭГ - ±300 мВ. Верхняя граница частоты полосы пропускания для данных ЭЭГ - 75 Гц. Уровень шума, приведенный ко входу, менее 1 мкВ пик-пик в полосе для данных ЭЭГ 0,1...30 Гц.  Использование электрода-клипсы требует параметров усилите - частота дискретизации данных фотоплетизмограммы – 125 Гц.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
На голову человека надевается заявляемое устройство, которое позиционируется на голове с использованием юстировочного винта 8 и регулировкой длины держателей 3 и длины эластичной ленты 11 за счет отверстий 12, которые зацепляются на соответствующие штыри на внешней поверхности подвижной части 2 каркаса с его боковых сторон и в передней части. Посредством снятия показаний с восьми отведений сухих электродов 4 осуществляют регистрацию биоэлектрической активности мозга (электроэнцефалограммы- ЭЭГ), а для регистрации сосудистых реакций методом фотоплетизмограммы (ФПГ) снимают показания с  электрода-клипсы 5, который крепится на мочку уха. Снимаемые данные поступают на  усилитель 13, после чего усиленные сигналы через передатчик 16 усиленных сигналов методом blutooth передаются на удаленное устройство, снабженное программными средствами для обработки данных, в качестве которых используют компьютер. На основании анализа полученных данных программными средствами вычисляются показатели, которые характеризуют эмоциональное состояние человека в данный момент времени (временное окно около 10 секунд) а также уровень когнитивного внимания и утомления. Полученные данные позволяют  оценивать как эмоциональную вовлеченность (силу эмоции) так и ее знак (валентность – положительная, отрицательная или нейтральная), а также распознавать отдельные эмоции, такие как страх, раздражение (злость), радость, умиление, отвращение, презрение, скуку и другие. Программа анализа данных в режиме реального времени (с опозданием 10сек) вычисляет показатели, характеризующие эти состояния и выводит на монитор компьютера  в виде графиков, чисел и т.д., что позволяет видеть динамику эмоционального состояния в процессе просмотра какого-то видеоматериала, прослушивания лекции или выступления и т.д.  Обрабатывая данные нескольких людей, с которых записываются физиологические данные синхронно, оценивается эмоциональное состояние аудитории в целом. Для этого вычисляется индекс синхронности и статистические параметры изучаемых показателей. Данные по состоянию группы также могут выводиться на экран в виде графиков.
Таким образом, заявляемое устройство при его практическом применении позволяет обеспечить плотное прилегание регистрирующих электродов, исключает возможность смещения электродов при произвольных и непроизвольных движениях головой, исключает  неприятные физиологические эмоции при длительной непрерывной регистрации и передаче биометрических показателей в течение не менее 6 часов.
Кроме того, заявляемое устройство позволяет производить его санитарно-гигиентическую обработку не нарушая режима нормальной работы в течение длительного срока эксплуатации.