Регистратор спектра микровибраций головного мозга

Область техники
Полезная модель относится к медицинской технике и предназначена для регистрации микровибраций головного мозга человека при анализе функционального состояния пациентов.
Уровень техники
Известно устройство для интегральной оценки состояния здоровья и коррекции выраженных дисфункций организма человека на основе анализа ритмической активности головного мозга - «Аппарат для оценки состояния здоровья человека». Аппарат предназначен для регистрации электромагнитных излучений головного мозга человека, проведения спектрального анализа с последующей суммацией за длительный период времени и коррекцией выраженных дисфункций организма человека на основе анализа ритмической активности головного мозга. При этом в конструкцию магнитоэнцефалографического спектрального анализатора-сумматора добавлены электромагнитные и инфракрасные излучатели, которые используются для коррекции и нормализации выраженных дисфункций организма человека (см. RU №153479, А61В 5/04, А61В 5/05, 2015).
Известен также регистратор спектра ритмической активности головного мозга, содержащий два датчика сигналов головного мозга, составляющие блок регистрации, электрически связанный посредством кабеля с блоком усиления, снабженным двумя усилителями, смонтированными в корпусе, снабженном средствами управления и программным блоком, при этом датчики блока регистрации зафиксированы на держателе, выполненном в виде шлема, содержащего налобный ремень, выполненный с возможностью регулирования его охвата и сопряженный с дугой, проходящей через теменную и височные части головы (см. RU №72395, А61В 5/00, 2008).
Недостатком этих технических решений является небольшая амплитуда сигнала с выхода используемых в составе устройства электромагнитных индукционных датчиков, что затрудняет распознавание полезного сигнала на фоне интенсивных электромагнитных помех. А так же недостаточная разрешающая способность устройства.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является устройство для интегральной оценки состояния здоровья на основе анализа ритмической активности головного мозга, содержащий два датчика сигналов головного мозга, составляющие блок регистрации, электрически связанный посредством кабеля с блоком усиления, снабженным двумя усилителями, смонтированными в корпусе, снабженном средствами управления и программным блоком, при этом датчики блока регистрации зафиксированы на держателе, выполненном в виде шлема, содержащего налобный ремень, выполненный с возможностью регулирования его охвата и сопряженный с дугой, проходящей через теменную и височные части головы (см. RU №180056, А61В 7/00, 2015). Аппарат предназначен для регистрации ритмической активности головного мозга человека, проведения спектрального анализа с последующей суммацией за длительный период времени.
Недостатком этого технического решения является недостаточный коэффициент передачи колебаний используемых пьезокерамических датчиков и, как следствие, невозможность регистрации сигнала частотой ниже 1 Гц, что затрудняет полноценный анализ регистрируемого сигнала, а так же недостаточная разрешающая способность устройства.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная проблема решается за счет того, что в регистраторе спектра микровибраций головного мозга, содержащим два пьезоэлектрических вибродатчика акустических сигналов головного мозга, составляющие блок регистрации, электрически связанный посредством кабеля с блоком усиления, снабженным двумя усилителями, смонтированными в корпусе, снабженном средствами управления и программным блоком, при этом указанные вибродатчики зафиксированы на держателе, выполненном в виде шлема, содержащего налобный ремень, выполненный с возможностью регулирования его охвата и сопряженный с дугой, проходящей через теменную и височные части головы, согласно полезной модели, пьезоэлектрические вибродатчики акустического сигнала помещены в силиконовую оболочку, при этом они выполнены с возможностью расположения на дуге держателя таким образом, чтобы они легли на височно-теменные доли мозга.
Совокупность существенных признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной технической проблемы, а также достижение следующего технического результата: увеличение коэффициента передачи колебаний используемых пьезокерамических датчиков, получение возможности регистрации сигнала частотой ниже 1 Гц и увеличение за счет этого разрешающей способности устройства.
Для повышения коэффициента передачи колебаний использован пьезокерамический элемент, помещенный в силиконовую оболочку. Колебания внутри силикона распространяются условно изотропно. Это позволяет эффективно измерять колебания не только в направлении перпендикуляра к плоскости пьезоэлектрика, но и параллельные ей.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показана блок-схема регистратора спектра;
- на фиг. 2 - расположение вибродатчиков на голове испытуемого;
- на фиг. 3 - внешний вид вибродатчиков;
- на фиг. 4 - вид акустического сигнала, поступающего с вибродачиков (правое полушарие - сверху, левое полушарие - снизу);
- на фиг. 5 - сегментарная матрица, полученная по результатам спектрального анализа.
Осуществление полезной модели
Исследование генеза биоэлектрической активности головного мозга показало наличие вибраций поверхности головы, связанных с перистальтикой гладкой мускулатуры, сосудов и возможно стенок нервных клеток. Электрическая активность нервных клеток головного мозга, регистрируемая как ЭЭГ, связана с их биомеханикой и метаболизмом, оказывает модулирующее действие на активность сосудистого и мышечного комплекса головы и регистрируется как акустическое поле. Детальное изучение акустических волн головы с помощью пьезоэлектрических датчиков позволило исследовать полосу вибраций скальпа от 0,13 до 27 Гц, корреляцию с классическими отведениями электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Это позволило говорить об акустоэнцефалограмме (АЭГ), как полноправном источнике сигналов для исследования деятельности мозга. В отличие от ЭЭГ АЭГ позволяет значительно расширить надежное выделение сигналов мозга в области частот ниже 1 герца. Съем информации методом АЭГ обладает высокими эксплуатационными качествами.
При обработке полученной информации результаты спектрального анализа были представлены как сегментарная матрица «multiple arousal» из 12600 частотных ячеек по каждому полушарию. Сегментарная матрица представляет собой кадр информации 24×525 элементов. По горизонтальной оси были отложены томы (сегменты) организма (24), по вертикальной - моды (525), модальность висцеральных рецепторов. Каждая ячейка матрицы имела свою центральную частоту fi и характеризовалась амплитудой спектральной оценки Ai. Изучались графики огибающие амплитуд отдельных ячеек - участки спектра по вертикальной или горизонтальной оси матрицы, названные базовыми функциями (Fi). Все функции матрицы нормировались относительно максимальной амплитуды ячейки.
В результате спектрального анализа получаются графики, которые отображают кривые, огибающие частотный спектр правого и левого полушария. Величина спектральной оценки выражается в относительных единицах по шкале ординат от 0 до 10 ед. Шкала ординат отображает частотные диапазоны в пределах от 0,13 до 27 Гц, условно называемые «функции», соответствующие определенному типу вегетативных рецепторов (F1-F7). Каждая функция представлена вдоль сегментарной оси от С1 к К в соответствии с сегментарным строением спинного мозга: шейные сегменты -С1-С8, грудные - Th1-Tn12, поясничные - L1-L5, крестцовые - S1-S5, К.
На чертежах позициями обозначены следующие конструктивные элементы устройства:
- датчики вибрации 1 и 2 блока регистрации 3;
- кабель 4;
- блок усиления 5;
- входы усилителей 6 и 7;
- аналого-цифровые преобразователи 8 и 9;
- каналы 10 и 11 блока усиления 5;
- корпус 12 блока усиления 5;
- программный блок 13; содержащий цифровые фильтры 14, и средства управления, включающие блок спектрального анализа 15 и сегментарную матрицу 16,
- держатель, содержащий налобный ремень 17 и дугу 18.
Работа регистратора спектра микровибраций головного мозга основана на регистрации вибраций поверхности головы, связанных с перистальтикой гладкой мускулатуры, сосудов и, возможно, стенок нервных клеток.
В качестве датчиков 1 и 2 используются пьезоэлектрические элементы, помещенные в силиконовую оболочку. В качестве силикона применен зуботехнический А-силикон для дублирования моделей (Elite Double 22), со следующими характеристиками: твердость (По Шору А) - 22, эластичность 99,95%, габаритные размеры: диаметр - 60 мм.; толщина - 25 мм.
Расположение датчиков 1 и 2 на голове испытуемого показано на фиг. 2 (их располагают на дуге 18 держателя, так, чтобы они позиционировались на височно-теменных областях головы пациента и обеспечивали съем сигналов с левого и правого полушария).
В качестве аналого-цифровых преобразователей 8 и 9 использованы 24-разрядные аналого-цифровые преобразователи.
Цифровые фильтры обеспечивают подавление сигнала выше 30 Гц и ниже 0,1 Гц.
Регистрация и анализ информации производится в блоке спектрального анализа 15 и сегментарной матрице 16.
Сегментарная матрица 16 (см. фиг. 5) - это соматическая частотно-топическая система координат наложенная на схему тела, представляющая собой частотные диапазоны в пределах от 0,13 до 27 Гц, условно называемые «функции», соответствующие определенному типу вегетативных рецепторов (F1-F7). Схема тела представлена ячейками от С1 до К - сегментарное строение кожного анализатора; F1-F7 - зональное строение внутри каждого дерматома. «Сегментарная матрица» представлена «столбцами» и «строками». «Столбцы» отражают сегментарное строение спинного мозга от шейных до копчиковых сегментов и разбиты на 6 отделов группами сегментов спинного мозга: шейные сегменты - С1-С8, грудные - Th1-Th12, поясничные - L1-L5, крестцовые - S1-S5, копчиковый - К.
Развертка матрицы по «строке» представляет собой базовую функцию F. Каждая базовая функция (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7) отражает развертку по длиннику спинного мозга, состояние локального сегментарного вегетативного тонуса различных групп рецепторов внутренних органов и представлена латеральными ветвями: правой (R или ') и левой (L или ''). Базовые функции разбиты на подфункции (F1-1, F1-2, F1-3, F1-4, F1-5, …F7-1, F7-2, F7-3, F7-4, F7-5), объединены в различные режимы и отражают:
F1 - распределение тонической активности гладкой мускулатуры внутренних органов вдоль спинномозговой оси;
F2 - распределение тонической активности гладкой мускулатуры артерий вдоль спинномозговой оси;
F3 - распределение тонической активности гладкой мускулатуры венозной сети вдоль спинномозговой оси;
F4 - распределение тонической активности нервной ткани, соединительной, костной ткани вдоль спинномозговой оси;
F5 - распределение тонической активности лимфатической ткани, многослойного эпителия вдоль спинномозговой оси;
F6 - распределение тонической активности многослойного эпителия вдоль спинномозговой оси;
F7 - распределение тонической активности однослойного эпителия выстилок органов вдоль спинномозговой оси.
Функция F и сегмент S являются координатой частоты в частотно-топической системе координат «Сегментарная матрица».
Корпус 12 обеспечивает фиксацию всех конструктивных элементов устройства и их конструктивно-функциональное единство.
Налобный ремень 17 и дуга держателя 18 выполнены гибкими из плетеного ацетатного шелка и снабжены застежками типа «репейник».
Заявленное устройство работает следующим образом.
Во время процедуры пациент должен сидеть удобно, расслабившись, с закрытыми глазами, не двигаясь. Пациент должен находиться на максимальном удалении от работающего электрооборудования.
Усаживают пациента в кресло, закрепляют на голове датчики. Для этого опоясывают голову пациента налобным ремнем 17, концы которого фиксируют застежкой «репейник» при комфортном натяжении, располагают на голове пациента датчики 1 и 2 так, чтобы они легли на височно-теменные доли мозга, и прижимают указанные датчики дугой 18. Во время регистрации информации голова пациента должна лежать на спинке кресла неподвижно.
Запускают процесс регистрации спектра ритмической активности головного мозга. Процесс регистрации длится 160 с. Одновременно с регистрацией спектра ритмической активности головного мозга производится спектральный анализ акустоэнцефалограммы. В результате получается частотная матрица множества функциональных состояний и выделяются частотные координаты аномалий функций огибающих спектра.
При этом с вибродатчиков 1 и 2 сигнал поступает на входы усилителей 6 и 7. Графическое представление сигнала, поступающего с вибродачиков, приведено на фиг. 4. Затем сигнал поступает на аналого-цифровые преобразователи 8 и 9. Регистрация сигнала идет по 2 каналам 10 и 11 блока усиления 5 в частотном диапазоне от 0,13 до 27 Гц с временем интегрирования 160 с. С аналого-цифрового преобразователя сигнал поступает в программный блок, где производится цифровая фильтрация сигнала на цифровых фильтрах 14 и его спектральный анализ, при этом осуществляется подавление сигнала выше 30 Гц и ниже 0,1 Гц. В результате получается частотная матрица 16 множества функциональных состояний - сегментарная матрица. Такая система съема позволяет надежно регистрировать суммарную (глобальную) активность мозга с выделением 12600 спектральных гармоник по каждому полушарию в диапазоне от 0,13 до 27 Гц с временем интегрирования 160 сек.
Регистратор спектра микровибраций головного мозга посредством регистрации вибрации сосудистой и мышечной системы головы регистрирует суммарную ритмическую активность головного мозга человека отдельно для правого и левого полушария и производит ее спектральный анализ. В результате спектрального анализа получается поле спектральных компонент (частотная матрица множества функциональных состояний) из 12600 ячеек для правого полушария и 12600 ячеек для левого полушария (см. фиг. 5). Далее определяются амплитуды спектральных компонент и их доминирующая латеральность. Оценивается синхронизация или десинхронизация в ритмической активности правого и левого полушарий по огибающим функциям частотных компонент. Отдельно выделяются аномалии перечисленных параметров.
Полученные результаты однозначно характеризуют функциональное состояние организма человека и его выраженных дисфункций.
Ниже приведены несколько примеров работы устройства.
ПРИМЕР 1.
При спектральном анализе акустоэнцефалограммы зарегистрированы аномально высокие значения (более 1,35 усл. ед) функции огибающей спектра F3-1-4 (R) в сегментах Th9-10 с эпицентром в Th10. Кроме того, зарегистрировано резкое снижение амплитуды спектра по функции F6-5-5-1 (менее 0,02 усл. ед) в тех же сегментах справа. Учитывая, что функция F6-5 в сегментах Th9-10 отражает состояние М-холинорецепторов эпитедия луковицы 12- перстной кишки, а изменения по функции F3-1 - тоническую активность адренорецепторов венозных сосудов, полученные данные свидетельствуют о раздражении и нарушениях вегетативной регуляции в области эпителия луковицы 12 - перстной кишки. В связи с тем, что задействован тонус венозных сосудов, необходимо исключить в очаге стадию активного воспаления и развитие язвы луковицы 12-перстной кишки по правой (нижней) стенке кишки (R).
ПРИМЕР 2.
При спектральном анализе акустоэнцефалограммы зарегистрированы аномально высокие значения (более 3,1 усл. ед) функции F2-1-4 (L) в сегментах Th8-9, а так же низкие значения в области функции F7-1-1-1 (R,L) (ниже 0,03 усл. ед) в тех же сегментах. Учитывая, что функция F2-4 в сегментах Th9-10 отражает состояние альфа адренорецепторов гладкомышечной мускулатуры артериальных сосудов слизистой желудка, a F7-1-1-1 (L) - тонус М холинорецепторов эпителиальной выстилки пилорического отдела желудка, эти данные свидетельствуют об артериальных сосудистых нарушених в пилорическом отделе желудка ишемического характера. Исключить риск развития ишемического эррозивного процесса по большой кривизне (L) пилорического отдела желудка (стадия альтерации).
ПРИМЕР 3.
При спектральном анализе акустоэнцефалограммы зарегистрированы аномально высокие значения (более 3,5 усл. ед) функции F5-5-4-2 (R) в сегментах Th11-12, с эпицентром в сегменте Th12. При этом в сосудистых центрах этих же сегментов F2-5-5 - артериальные альфа адренорецепторы и F3-5-5 - венозные альфа адренорецепторы (L,R), наблюдалось снижение тонуса (менее 0,05 усл. ед). Учитывая, что функция F5-5-4-2 в сегментах Th12 отражает состояние холинорецепторов нефронов правой почки, в сочетании с сосудистой дистонией адренорецепторов F2-5-3, F3-5-3, делается заключение о наличии процесса регенерации в правой почке (стадия восстановления структур). Исключить нефрит в стадии регенерации.
Таким образом можно сделать вывод, что за счет придания специфической формы и механической гибкости передающей вибрации среды, увеличивается коэффициент передачи колебаний от головы до используемых пьезокерамических вибродатчиков, что дает возможность повысить чувствительность регистрации сигналов на частотах ниже 1 Гц, причем количество полосовых фильтров программного блока составляет 12600 по цепочке каждого усилителя.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа, а также предшествующего уровня техники свидетельствует о соответствии заявленного решения условию патентоспособности "новизна".