Устройство для бесконтактной регистрации мышечной активности человека

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для измерения биоэлектрических сигналов организма или его частей и может быть использована в области биомедицины в системах детектирования биоэлектрических сигналов, а также для исследований и создания систем управления на основе данных мышечной активности.
Известно устройство бесконтактной регистрации электрокардиограммы человека (RU 163596, кл. A61B5/04, опубл. 27.07.2016 г.), содержащее электроды для расположения вблизи кожи человека, соединенные с 24-разрядным АЦП, выход которого соединен с компьютерным устройством, содержащим программы расчета вариации ритма сердечных сокращений, отличающееся тем, что первый электрод соединен соответственно с первым, вторым и третьим входами 24-разрядного АЦП, а второй электрод соединен с компенсирующим входом 24-разрядного АЦП, при этом выход 24-разрядного АЦП через стандартный USB-канал соединен с компьютерным устройством, программное обеспечение которого дополнительно содержит цифровые фильтры. Недостатком указанного устройства является отсутствие аналогового усиления сигнала, что делает невозможным его применение для более слабых сигналов мышечной активности человека.
Известен анализатор мышечной активности (RU 196931, кл. A61B5/0488, A61F2/72, опубл. 23.03.2020 г.), характеризующийся тем, что содержит гибкую манжету с застежкой, не менее четырех пьезокерамических пластин, образующих матрицу пьезодатчиков, а также не менее одного электромиографического датчика, встроенных с внутренней стороны манжеты, микроконтроллерный блок управления, закрепленный на внешней стороне гибкой манжеты, выполненный с возможностью обработки и сохранения сигналов, полученных с указанных датчиков, снабженный устройством приема-передачи информации, полученной с матрицы пьезодатчиков и ЭМГ датчиков на микроконтроллер исполнительного механизма для формирования управляющих команд, источником питания, дисплеем. Указанный анализатор имеет манжету, которая анатомически повторяет часть тела, с которой регистрируется мышечная активность, и содержит матрицу пьезодатчиков, осуществляющих регистрацию механической активности мышц. Недостатком этого устройства является низкое качество и низкая информативность регистрируемого сигнала за счет регистрации механического сокращения мышцы.
Известно устройство измерения мышечной активности и метод измерения мышечной активности (EP 3469985, кл. A61B5/04, A61B5/00, A61B5/06, опубл. 17.04.2019 г.). Устройство измерения мышечной активности снабжено блоком магнитного датчика, который воспринимает магнитное поле, созданное живым организмом, и средством идентификации, которое идентифицирует направление установки устройства измерения мышечной активности. Средство идентификации включает в себя индикатор на поверхности контейнера, который содержит идентификационную информацию для установки устройства измерения активности мышц таким образом, что направление Х магниточувствительности блока магнитного датчика и направление, в котором вытянуты мышечные волокна живого тела, подлежащие измерению, ортогональны друг другу. Блок магнитного датчика выполнен с возможностью детектирования мышечного магнитного поля, создаваемого телом. Типом магнитного датчика, используемого для магнитного сенсорного блока, является, например, гигантский магниторезистивный датчик (GMR-датчик), туннельный магниторезистивный датчик (TMR-датчик), анизотропный магниторезистивный датчик (AMR-датчик), магнитный импедансный датчик (MI-датчик) или вихревой датчик. В этом варианте осуществления магнитный датчик, используемый в качестве блока магнитного датчика, включает в себя направление, в котором чувствительность достигает максимума, то есть так называемого направления восприятия. Недостатками этого устройства являются большие массогабаритные характеристики, а также высокое энергопотребление примененных в устройстве электронных компонентов, что в свою очередь влечет за собой отсутствие портативности и автономности в денном устройстве.
Известно устройство для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности, защищенное патентом RU 2646747, кл. A61B5/00, A61B5/04, опубл. 06.03.2018 г., принятое за ближайший аналог (прототип).
Устройство по прототипу содержит два измерительных канала, каждый из которых включает высокочувствительный магниторезистивный датчик. В каждом из измерительных каналов к высокочувствительному магниторезистивному датчику последовательно подключены фильтр верхних частот с частотой среза 10 Гц, малошумящий прецизионный усилитель и фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц. При этом фильтр нижних частот одного канала подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а фильтр нижних частот другого канала - к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя. Такое устройство позволяет расширить арсенал средств для регистрации мышечной активности. Кроме того, оно обладает возможностью бесконтактной регистрации мышечной активности.
Недостатком устройства по прототипу является:
во-первых, низкое качество регистрируемого сигнала вследствие малого коэффициента усиления схемы и более низкой помехозащищенности устройства по причине отсутствия режекторного фильтра и конструктивной особенности, связанной с отсутствием встроенного в регистрирующий канал аналого-цифрового преобразователя;
во-вторых, невозможность передачи регистрируемого сигнала на персональный компьютер для дальнейшего использования из-за отсутствия аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера для настройки аналого-цифрового преобразователя и интерфейсов связи с персональным компьютером.
Задачей предлагаемой полезной модели является усовершенствование устройства для бесконтактной регистрации мышечной активности человека.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является повышение качества и локализации регистрируемого сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактной регистрации мышечной активности человека, содержащее, по меньшей мере, один регистрирующий канал, включающий две параллельные цепи, каждая из которых содержит магниточувствительный датчик, последовательно соединенный с предварительным дифференциальным усилителем и с предварительным фильтром, соединенные с инструментальным прецизионным дифференциальным усилителем, дополнительно содержит режекторный фильтр, операционный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные с инструментальным прецизионным дифференциальным усилителем; используется 1-6 регистрирующих каналов; в качестве магниточувствительных датчиков используются мостовые магниторезистивные сенсоры; в качестве предварительных дифференциальных усилителей используются прецизионные малошумящие высокоимпедансные инструментальные усилители с входным активным сопротивлением не менее 10 ГОм, уровнем входного шума не более 10 нВ в полосе частот от 0 до 500 Гц, глубиной подавления синфазных сигналов 90 Дб, с коэффициентом усиления 10; в качестве предварительных фильтров используются аналоговые фильтры верхних частот второго порядка, выполненные по схеме Чебышева с частотой среза сигнала по уровню -3 Дб равную 10 Гц; используется инструментальный прецизионный дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления равным 1; в качестве режекторного фильтра используется микросхема фильтра на переключаемых конденсаторах; операционный усилитель включен по классической схеме интегратора,с коэффициентом усиления 50 и ограничением частоты пропускания сигнала по уровню -3 Дб 500 Гц; аналого-цифровой преобразователь представляет собой микросхему стандартного аналого-цифрового преобразователя типа «сигма-дельта», имеющего разрядность не менее 12 бит, частоту квантования не менее 1000 Гц на бит и цифровые интерфейсы связи, работающие по протоколам «I2C» либо «SPI»; дополнительно устройство содержит блок микроконтроллера, блок беспроводной связи с персональным компьютером, блок питания и проводной связи с персональным компьютером, последовательно соединенные между собой.
На фиг. 1 представлен общий вид регистрирующего канала устройства для бесконтактной регистрации сигналов мышечной активности человека.
На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства для бесконтактной регистрации сигналов мышечной активности человека с регистрирующими каналами.
В основе устройства лежит принцип детектирования магнитного поля при помощи магниторезистивных датчиков. При сокращении мышц по ним проходит электрический сигнал, который образует магнитное поле вокруг мышечного волокна. Данное поле может быть зарегистрировано при помощи магниторезистивных датчиков.
Это позволяет рассматривать устройство в качестве миографического датчика и использовать его для создания систем управления.
Конструктивно устройство для бесконтактной регистрации сигналов мышечной активности человека на фиг. 1, 2 содержит:
I, II, …, N - регистрирующие каналы.
Каждый регистрирующий канал I, II, …, N на фиг. 1 содержит:
1, 2 - магниточувствительные датчики,
3, 4 - предварительные дифференциальные усилители,
5, 6 - предварительные фильтры,
7 - инструментальный прецизионный дифференциальный усилитель,
8 - режекторный фильтр,
9 - операционный усилитель,
10 - аналого-цифровой преобразователь.
Дополнительно устройство для бесконтактной регистрации сигналов мышечной активности человека на фиг. 2 содержит:
11 - блок микроконтроллера,
12 - блок беспроводной связи с персональным компьютером,
13 - блок питания и проводной связи с персональным компьютером.
Основные функциональные задачи, решаемые регистрирующими каналами I, II, …, N - детектирование магнитного поля, генерируемого мышцей человека, преобразование его в эквивалентный ему электрический сигнал, нормализация электрического сигнала относительно «0» и фильтрация его от помех, а также приведение электрического сигнала к стандартному виду электрокимографического сигнала.
В предлагаемом устройстве используется, например, 1-6 регистрирующих каналов.
Каждый регистрирующий канал I, II, …, N содержит две параллельные цепи, каждая из которых содержит магниточувствительный датчик 1, 2, последовательно соединенный с предварительным дифференциальным усилителем 3, 4 и с предварительным фильтром 5, 6. Причем параллельные цепи соединены с инструментальным прецизионным дифференциальным усилителем 9.
В качестве магниточувствительных датчиков 1, 2 используются, например, мостовые магниторезистивные сенсоры, обеспечивающие высокую чувствительность при регистрации переменного магнитного поля, а также взаимно-однозначное линейное соотношение зарегистрированного магнитного поля и выходного электрического сигнала.
В качестве предварительных дифференциальных усилителей 3, 4 используются, например, прецизионные малошумящие высокоимпедансные инструментальные усилители, имеющие входное активное сопротивление не менее 10 ГОм, уровень входного шума не более 10 нВ в полосе частот от 0 до 500 Гц и глубину подавления синфазных сигналов равную 90 Дб. Кроме того, данные усилители имеют коэффициент усиления равный 10.
В качестве предварительных фильтров 5, 6 используются, например, аналоговые фильтры верхних частот второго порядка, выполненные по схеме Чебышева, и имеющие частоты среза сигнала по уровню -3 Дб равную 10 Гц.
В качестве инструментального прецизионного дифференциального усилителя 7 используется, например, инструментальный прецизионный дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления равным 1, входы которого присоединены к выходам двух параллельных цепей, описанных выше. Данный усилитель имеет глубину подавления синфазных сигналов равную 120 Дб.
В качестве режекторного фильтра 8 используется, например, микросхема фильтра на переключаемых конденсаторах
Основная функциональная задача режекторного фильтра 8 заключается снижении общего уровня помехи индустриальной сети электропитания 220 В на функциональные элементы регистрирующего канала, путем удаления данной гармоники из сигнала, поступающего на вход операционного усилителя 9.
В качестве операционного усилителя 9 используется, например, операционный усилитель имеющего коэффициент усиления равный 50 и ограничение частоты пропускания сигнала по уровню -3 Дб равную 500 Гц.
Основная функциональная задача операционного усилителя 9 - согласование регистрации магнитного поля мышечной активности человека с блоком аналого-цифрового преобразователя, путем приведения сигнала к необходимому уровню, а также по частотному диапазону, для обеспечения корректной и наиболее полной работы аналого-цифрового преобразователя.
Аналого-цифровой преобразователь 10 представляет собой микросхему стандартного аналого-цифрового преобразователя типа «сигма-дельта», имеющего разрядность не менее 12 бит, частоту квантования не менее 1000 Гц на бит и цифровые интерфейсы связи, работающие по протоколам «I2C» либо «SPI».
Основная функциональная задача аналого-цифрового преобразователя 10 - квантование сигнала, полученного с операционного усилителя 9, упаковка в цифровые пакеты и отправка цифровых пакетов, по цифровым линиям связи, содержащих данные о сигнале, на блок микроконтроллера 11.
В качестве блока микроконтроллера 11 используется восьмибитный микропроцессор, построенный на базе архитектуры «RISC» и имеющий аппаратные шины данных работающих по протоколам «I2C», «SPI» и «UART».
Основная функциональная задача блока микроконтроллера 13 - конфигурация аналого-цифрового преобразователя 10 на корректную работу, а также последовательное получение цифровых пакетов данных по цифровым линиям связи, содержащих данные о сигнале от аналого-цифровых преобразователей 10 с дальнейшей их переупаковкой и отправкой с использованием цифровой шины данных, работающей по протоколу «UART», на блок беспроводной связи с персональным компьютером 12 или на блок питания и проводной связи с персональным компьютером 13.
В качестве блока беспроводной связи с персональным компьютером 12 используется, например, стандартный модуль для беспроводной передачи данных, работающий по протоколу «bluetooth», имеющий цифровой вход данных, работающий по протоколу «UART».
Основная функциональная задача блока беспроводной связи с персональным компьютером 12 - передача цифровых пакетов данных, получаемых с выхода блока микроконтроллера 11, на персональный компьютер по средствам радиоканала.
Блок питания и проводной связи с персональным компьютером 13 состоит из двух функциональных частей. Одна часть представляет собой электрические цепи стабилизации напряжения, построенные на основе линейных стабилизаторов напряжения, литий ионной батареи и схемы зарядки и защиты литий ионной батареи, построенной на основе стандартной для этих задач микросхеме. Другая часть блока 13 предназначена для проводной передачи данных цифровых пакетов данных, получаемых с выхода блока микроконтроллера 13, на персональный компьютер посредством проводной цифровой линии данных, работающей по протоколу «USB». Для этих целей был использована стандартная микросхема преобразователя интерфейса «UART-USB-UART».
Основные функциональные задачи, решаемые блоком питания и проводной связи с персональным компьютером 13 - передача цифровых пакетов данных, получаемых с выхода блока микроконтроллера 11, на персональный компьютер посредствам проводной цифровой линии данных работающей по протоколу «USB», зарядка литий ионного аккумулятора в случае проводной связи с персональным компьютером, формирование всех необходимых напряжений для корректной работы электрической схемы устройства в случаях проводной и беспроводной связи устройства с персональным компьютером.
Предлагаемое устройство для бесконтактной регистрации мышечной активности человека работает следующим образом.
Так как регистрирующие каналы сигналов мышечной активности человека I, II, …, N являются идентичными, выполненными с использованием элементов 1-10, то описание принципа работы устройства будет представлено на примере работы одного - первого регистрирующего канала сигналов мышечной активности человека I.
При сокращении исследуемой мышцы человека, магнитное поле, создаваемое этой мышцей, регистрируется двумя магниторезистивными датчиками 1, 2, благодаря которым происходит преобразование магнитного поля в эквивалентный электрический сигнал. Далее сигнал поступает на два предварительных дифференциальные усилителя 3, 4, которые выполняют роль детекторов напряжения магниторезистивных датчиков 1, 2. С выходов предварительных дифференциальных усилителей 3, 4 сигнал поступает на входы двух предварительных фильтров 5, 6, которые в свою очередь нормализует сигнал, а также производят фильтрацию сигнала от помех, возникающих в результате влияния магнитного поля земли и движения человека. С выходов предварительных фильтров 5, 6 сигнал поступает на входы инструментального прецизионного дифференциального усилителя 7, который производит эквивалентное вычитание сигналов, полученных с выходов предварительных фильтров 5, 6, тем самым приводя сигнал к стандартному виду электрокимографического сигнала. Кроме того, в результате вычитания из сигнала исключается помеха, связанная с влиянием индустриальной сети электропитания 220 В. С выхода дифференциального усилителя сигнал поступает на вход режекторного фильтра 8, который дополнительно снижает общий уровень помехи индустриальной сети электропитания 220 В на функциональные элементы регистрирующего канала, путем удаления данной гармоники из сигнала, поступающего на вход операционного усилителя 9. С выхода режекторного фильтра 8 сигнал поступает на операционный усилитель 9, который в свою очередь производит усиление сигнала в 50 раз, а также ограничение частотного диапазона сигнала до 500 Гц, по уровню -3 Дб. С выхода операционного усилителя 9 сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 10, где происходит квантование сигнала по 12 битной схеме. Далее цифровой сигнал, с выхода аналого-цифрового преобразователя 10, по цифровой проводной шине поступает на вход блока микроконтроллера 11, где происходит обработка цифровых кодов аналого-цифрового преобразователя 10, а также упаковка их в пакеты для дальнейшей передачи данных на персональный компьютер. С выхода блока микроконтроллера 11, по решению пользователя, данные могут быть переданы либо на вход блока беспроводной связи с персональным компьютером 12, либо на вход блока питания и проводной связи с персональным компьютером 13. В случае, если данные были переданы на вход блока беспроводной связи с персональным компьютером 12, то данные упаковываются в специальные пакеты, и передаются по стандартизированному беспроводному протоколу передачи данных «bluetooth» на персональный компьютер. В случае, если данные были переданы на вход блока питания и проводной связи с персональным компьютером 13, то данные упаковываются в специальные пакеты, и передаются по стандартизированному проводному протоколу передачи данных «USB» на персональный компьютер.
В результате использования в регистрирующем канале режекторного фильтра, необходимого для фильтрации помехи индустриальной сети 220 В, операционного усилителя с ограничением полосы пропускания, необходимого для формирования правильной полосы регистрируемого сигнала и согласования с аналого-цифровым преобразователем, и аналого-цифрового преобразователя обеспечивается дополнительная очистка регистрируемого сигнала и его преобразование, что в свою очередь, обеспечивает возможность его передачи на персональный компьютер для дальнейшей обработки и использования.
Кроме этого, возможность использования в предлагаемом устройстве более одного регистрирующего канала обеспечивает высокую локализацию регистрируемого сигнала за счет анатомически более правильного расположения регистрирующих элементов на поверхности кожи испытуемого.