УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для регистрации биоэлектрических сигналов с поверхности кожи на голове человека, а именно к устройствам с контактными электродами, предназначенным для регистрации электроэнцефалографических сигналов, и может быть использована в составе приборов и комплексов, в которых присутствуют модули для обработки электрофизиологической информации.
Известны устройства с прямыми подпружиненными электродными элементами с рабочими окончаниями сухого типа, содержащие электродные элементы, пружины, рабочие окончания электродных элементов и описанные, например, в статье Liao L.-D, Wang I.-J, Chen S.-F, Chang J.-Y, Lin C.-T. Design, Fabrication and Experimental Validation of a Novel Dry-Contact Sensor for Measuring Electroencephalography Signals without Skin Preparation // Sensors (Basel). - V. 11 (2011), P. 5819-5834, doi:10.3390/s110605819 или в заявке JP 2013-240485 A МПК A61B 5/0408, A61B 5/0478, A61B 5/0492, опубл. 05.12.2013. Их использование позволяет обеспечить непрерывность контакта с поверхностью кожи на голове человека только в том случае, если в предполагаемом месте контакта волосяной покров каким-либо образом уже отодвинут (отсутствует)? и поверхность кожи предварительно расчищена, что не всегда возможно обеспечить в процессе установки таких электродов на поверхность кожи на голове человека. Кроме того, такие электроды часто создают неравномерное давление на поверхности кожи головы человека, что приводит к дискомфорту в процессе регистрации электроэнцефалографических сигналов.
Известно устройство, описанное в авторском свидетельстве SU 1805914 A3 МПК A61B 5/0478, опубл. 30.03.1993, бюл. № 12, содержащее токосъемник и электроды с заостренными наконечниками, выполненные в виде упругих элементов, жестко связанных с токосъемником и расположенных симметрично относительно его оси, причем заостренные наконечники расположены под углом относительно оси токосъемника. Также известен измерительный датчик биоэлектрических сигналов, описанный в патенте RU 2077262 C1 МПК A61B 5/04, опубл. 20.04.1997, содержащий гибкую упругую оправу из электроизоляционного материала со встроенными электродами, содержащими иглоподобные элементы, установленные посредством оправы с возможностью регулировки расстояния относительно поверхности кожи и установленные симметрично относительно оси оправы по нормали к ее рабочей поверхности. Использование этих устройств приводит к повреждению поверхности кожи на голове человека.
Известен электрод для регистрации биопотенциалов (устройство), описанный в авторском свидетельстве SU 1727785 A2 МПК A61B 5/04, опубл. 23.04.1992, бюл. № 4, содержащий дополнительный наружный корпус с осевым каналом и внутренней полостью, в которой размещена контактная пластина, соединенная с отводящим проводником, при этом электрод снабжен дополнительными изогнутыми рычагами и полым штырем, установленным в осевом канале корпуса с возможностью осевого взаимного перемещения, а в верхней части штыря закреплены основные и дополнительные изогнутые рычаги, выполненные в виде пружинистых лепестков (штырь и пружинистые лепестки могут быть выполнены из металла, а нижние концы лепестков расположены равномерно на равных расстояниях от штыря). Данное устройство позволяет достаточно хорошо расчистить предполагаемое место контакта от волосяного покрова при установке, однако его использование может привести к повреждению поверхности кожи на голове человека. Кроме того, устройство является сложным в изготовлении и последующей сборке.
Известно устройство с гибкими электродами щетинного типа, описанное, например, в статье Grozea C., Voinescu C.D., Fazli S. Bristle-sensors - low-cost flexible passive dry EEG electrodes for neurofeedback and BCI applications // Journal of Neural Engineering. - V. 8 (2011), №2, 025008, doi:10.1088/1741-2560/8/2/025008. Также известна заявка WO 2008/067839 A1 МПК A61B 5/0478, опубл. 12.06.2008, где гибкие электроды щетинного типа используются в одном из вариантов устройства для регистрации электроэнцефалографических сигналов, используемого в составе электродной шапочки. Гибкие электроды щетинного типа обладают очень малой жесткостью, поэтому при установке их на кожу головы человека в процессе взаимодействия с волосяным покровом не всегда удается обеспечить его раздвижение или непрерывный контакт с кожей головы человека. К тому же такие электроды обладают плохой износостойкостью в процессе эксплуатации.
Известны устройства, содержащие гибкие рабочие элементы с электродными рабочими окончаниями сухого типа, описанные, например, в заявках CN 104287727 A МПК A61B 5/0478, опубл. 21.01.2015 и CN 104799853 A МПК A61B 5/0478, опубл. 29.07.2015 г. или в публикации Guo X. et al. Developing a one-channel BCI system using a dry claw-like electrode // Proceedings of the 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). - 2016, P. 5693-5696, doi:10.1109/embc.2016.7592019. Несмотря на то что при установке таких электродов на кожу головы человека удается обеспечить лучшее раздвижение волосяного покрова по сравнению с электродами щетинного типа, в ходе процесса установки может наблюдаться эффект приподнимания электрода волосяным покровом, в результате чего контакт электрода с поверхностью кожи человека нарушается или существенно ухудшается, особенно если волосяной покров жесткий или очень обильный. Использование таких устройств не позволяет обеспечить непрерывное и контролируемое усилие прижатия к поверхности кожи на голове человека из-за недостаточной жесткости конструкции устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте US 9314183 B2 МПК A61B 5/0478, A61B 5/00, опубл. 19.04.2016 г. и содержащее опорную пластину, рабочие окончания с электродами сухого типа, рабочие элементы, состоящие из верхних рабочих элементов, нижних рабочих элементов и сочленений, присоединенные к опорной пластине и прижимающие рабочие окончания с электродами сухого типа к поверхности кожи на голове человека таким образом, что рабочие элементы устанавливаются под углом к поверхности кожи на голове человека при прижатии к поверхности кожи. Согласно описанию к этому патенту, конструкция данного устройства при его использовании позволяет обеспечить непрерывный онтакт с поверхностью кожи на голове человека при установке и дальнейшем скольжении рабочего окончания по поверхности кожи в процессе контакта, однако сильная податливость в соединении отдельно взятых рабочих элементов с опорной пластиной, проявляющая себя под внешним усилием при контакте рабочих окончаний с поверхностью кожи в совокупности с недостаточной жесткостью конструкции в целом и небольшой жесткостью отдельно взятых рабочих элементов приводят к тому, что использование таких устройств не позволяет обеспечить контролируемое усилие прижатия к поверхности кожи на голове человека, особенно если на поверхности кожи имеются участки с сильной шероховатостью или неровностью (бугристостью). Кроме того, устройство является сложным в изготовлении, а использование в заявленном устройстве материалов рабочих элементов на основе электропроводящих полимеров или полимеров с электропроводящим покрытием характеризуется большими потерями при распространении электрического сигнала, что приводит к потере части информации в электроэнцефалограмме.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении непрерывного и контролируемого усилия прижатия к поверхности кожи на голове человека. Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для регистрации электроэнцефалографических сигналов, содержащем опорную пластину, рабочие окончания с электродами сухого типа, рабочие элементы, состоящие из верхних рабочих элементов, нижних рабочих элементов и сочленений, присоединенные к опорной пластине и прижимающие рабочие окончания с электродами сухого типа к поверхности кожи на голове человека, верхние рабочие элементы являются скручиваемыми пружинными элементами, выполненными из материала, обладающего упругими свойствами, а нижние рабочие элементы являются упругими деформируемыми стержневыми элементами с изгибной жесткостью, большей чем изгибная жесткость верхних рабочих элементов.
Полезная модель поясняется фигурами:
фиг. 1 - изображение общего вида устройства (вид сбоку);
фиг. 2 - изображение общего вида устройства (вид в сборе);
фиг. 3 - изображение общего вида устройства (вид в сборе снизу);
фиг. 4 - изображение устройства с нижними рабочими элементами, установленными под одним углом к поверхности кожи на голове человека;
фиг. 5 - изображение устройства с нижними рабочими элементами, установленными по схеме взаимного пересечения под одним углом к поверхности кожи на голове человека при прижатии к поверхности кожи;
фиг. 6 - изображение устройства, содержащего корпус с гнездом под штекер;
фиг. 7 - изображение устройства с верхними рабочими элементами, являющимися цилиндрическими винтовыми пружинами кручения;
фиг. 8 - изображение устройства с верхними рабочими элементами, являющимися коническими винтовыми пружинами кручения;
фиг. 9 - изображение устройства с верхними рабочими элементами, являющимися спиральными пружинами;
фиг. 10 - изображение устройства с рабочими окончаниями, выполненными в форме скругленных цилиндров;
фиг. 11 - изображение устройства с рабочими окончаниями шарообразной формы;
фиг. 12 - изображение устройства с рабочими окончаниями в форме разветвляющейся структуры с несколькими зонами контакта с поверхностью кожи;
фиг. 13 - изображение устройства с рабочими окончаниями в форме наконечников клиновидной формы с гребневидными выступами;
фиг. 14 - изображение устройства с рабочими окончаниями в форме рабочей части винтовой пружины кручения;
фиг. 15 - изображение устройства, содержащего защитную накладку корпуса с линейными направляющими прорезями для нижних рабочих элементов, ориентированными в направлении движения рабочих элементов.
Устройство для регистрации электроэнцефалографических сигналов показано в общем виде на фиг. 1. Оно состоит из корпуса 1, опорной пластины 2, защитного экрана 3, нижних рабочих элементов 4, рабочих окончаний 5, направляющих осей 6, защитной накладки 7, отверстия 8, выводов 9, верхних рабочих элементов 10, сочленений 11, опорного электрода 12, коаксиального кабеля (на фиг. 1 не показан), оплетки-экрана коаксиального кабеля (на фиг. 1 не показан), направляющих прорезей 13 (на фиг. 1. не показаны).
Нижние рабочие элементы 4 и верхние рабочие элементы 10 сделаны из электропроводящих материалов, обладающих упругими свойствами, материалы нижних рабочих элементов 4 и верхних рабочих элементов 10 могут быть одинаковыми (например, это могут быть металлические материалы типа пружинных сталей с высокой удельной электропроводностью). Рабочие окончания 5 также сделаны из электропроводящих материалов, при необходимости на рабочие окончания 5 наносится токопроводящее химически и биологически инертное антикоррозионное покрытие, например хлорсеребряное (AgCl), поверхность рабочих окончаний выполнена гладкой для того, чтобы не повреждать поверхность кожи на голове человека во время установки и работы устройства.
В каждом отдельно взятом рабочем элементе отдельно взятый нижний рабочий элемент 4а соединен с соответствующим отдельно взятым верхним рабочим элементом 10а через соответствующее сочленение 11a и соединен с соответствующим рабочим окончанием 5а, соединение производится путем лазерной или электрической сварки, пайки, запрессовки или с применением каких-либо других известных технологических процессов. Каждый отдельно взятый вывод 9а является продолжением отдельно взятого верхнего рабочего элемента 10а непосредственно или соединен с концом отдельно взятого верхнего рабочего элемента 10а каким-либо известным способом (сварка, пайка и т.п.) с образованием неразъемного соединения, каждый отдельно взятый вывод 9а образует электрический контакт с опорным электродом 12, расположенным на опорной пластине 2. В зависимости от конструктивного исполнения каждый отдельно взятый верхний рабочий элемент 10а соединяется (например, находится в зацеплении) с соответствующей отдельно взятой направляющей осью 6а или базируется на соответствующей отдельно взятой направляющей оси 6а.
Все направляющие оси 6 смонтированы на опорной пластине 2 посредством паяного, клеевого или какого-либо другого соединения, а сама опорная пластина 2 закрывается защитным экраном 3. В зависимости от конструктивного исполнения направляющие оси 6 могут быть выполнены извне по отношению к пружинам относительно опорной пластины. Защитный экран 3 предназначен для устранения помех в процессе регистрации сигнала и может находиться внутри корпуса 1, он может быть выполнен в виде фольги или напыления (по всей внутренней поверхности корпуса 1) и соединяется с оплеткой-экраном коаксиального кабеля (на рис. 1 не показан), который припаян к опорному электроду 12. Корпус 1 делается совмещенным с опорной пластиной 2, которая крепится к нему, например, с помощью крепежного элемента (на фиг. 1 не показан) через отверстие 8, либо с помощью защелок (на фиг. 1 не показаны). На защитный экран 3 наклеивается защитная накладка 7, сделанная из тонкой резины или тонкого фторопласта, в ней сделаны направляющие прорези 13 (на фиг. 1 не показаны), в которых ходят нижние рабочие элементы 4.
На фиг. 2 показано изображение общего вида изделия (вид в сборе).
На фиг. 3 показано изображение общего вида изделия (вид в сборе снизу), где видна защитная накладка 7, сделанная из тонкой резины или тонкого фторопласта, в которой сделаны направляющие прорези 13 и в которые входят нижние рабочие элементы 4.
При приложении внешнего усилия (например, от электродной шапочки) к корпусу 1 в процессе установки устройства на поверхность кожи головы человека после отодвигания волосяного покрова происходит контакт рабочих окончаний 5 с поверхностью кожи на голове человека и, как правило, последующее скольжение рабочих окончаний 5 по поверхности кожи на голове человека до момента окончательной установки устройства. При этом каждый отдельно взятый нижний рабочий элемент 4а прогибается под действием нагрузки, действующей со стороны поверхности кожи на соответствующее рабочее окончание 5а, а возникающие в нижнем рабочем элементе 4а изгибающие моменты и поперечные силы приводят к изменению напряженно-деформированного состояния в соответствующем сочленении 11а и к изменению напряженно-деформированного состояния отдельно взятого верхнего рабочего элемента 10а, и, как следствие, к появлению момента противодействия со стороны верхнего рабочего элемента 10а, передающегося на нижний рабочий элемент 4а и прижимающего нижний рабочий элемент 4а к поверхности кожи на голове человека.
Выполнение нижних рабочих элементов 4 в виде упругих деформируемых стержневых элементов позволяет обеспечить прогиб и перемещение под действием нагрузки, действующей со стороны поверхности кожи на рабочие окончания 5 только в плоскости минимальной жесткости, а сами рабочие элементы 4 работают только на изгиб, что в случае приложения изгибающего момента (момента пары сил) в сочленении со стороны верхних рабочих элементов 10 обеспечивает постоянное (в выбранном небольшом диапазоне) усилие прижатия рабочих окончаний к поверхности кожи на голове человека как при сильном прогибе упругих деформируемых стержневых элементов, так и при сильном изменении рельефа кожного покрова, в том числе и при скольжении рабочих окончаний 5 по поверхности кожи.
Использование скручиваемых пружинных элементов из материала, обладающего упругими свойствами, в качестве верхних рабочих элементов 10 обеспечивает практически постоянный момент противодействия (изгибающий момент или момент пары сил по отношению к верхнему рабочему элементу, определяется особенностями конструктива в сочленении и особенностями зацепления или крепления пружины) в сочленении за счет того, что пружинные элементы обладают упругой характеристикой (линейной или нелинейной) при скручивании и обладают свойством равнопрочности (равенства отношения рабочего изгибающего момента, действующего в каждом сечении, к моменту сопротивления данного сечения) практически независимо от приложенного внешнего усилия. В качестве пружинных элементов могут выступать, например, винтовые пружины кручения, которые выбираются (проектируются) с малыми углами подъема витков, благодаря чему при нагружении парой сил в сочленении в поперечном сечении пружины возникают только изгибающие моменты, определяющие момент противодействия, а крутящие моменты в поперечном сечении пружины влияния не оказывают. Также в качестве одного из вариантов пружинных элементов могут выступать спиральные пружины, при нагружении изгибающим моментом в сочленении в поперечном сечении которых возникают только изгибающие моменты, определяющие момент противодействия.
Поскольку каждый отдельно взятый нижний рабочий элемент 4а соединен с соответствующим отдельно взятым верхним рабочим элементом 10а через соответствующее сочленение 11а и вместе они представляют из себя отдельно взятый рабочий элемент, то выполнение каждого отдельно взятого рабочего элемента из материалов, обладающих упругими свойствами таким образом, чтобы каждый отдельно взятый нижний рабочий элемент 4а обладал бы большей жесткостью на изгиб по сравнению с соответствующим верхним рабочим элементом 10а, обеспечивает прижатие соответствующего рабочего окончания 5а к поверхности кожи на голове человека и отодвигание волосяного покрова в процессе установки с усилием, достаточным, чтобы не допустить отодвигания, ослабления или приподнимания рабочего элемента 5а волосяным покровом в процессе дальнейшего скольжения рабочего окончания 5а по поверхности кожи в процессе контакта. Возможен вариант, когда в устройстве каждое из рабочих окончаний 5 прижимается к поверхности кожи на голове человека со своим усилием прижатия. Конкретные значения изгибающих моментов, жесткостей на изгиб и прочих конструктивных параметров определяются путем расчета по известным методикам и из выбора соответствующих материалов.
Защитная накладка 7 предохраняет верхние рабочие элементы 10 и конструктивные элементы устройства, находящиеся внутри корпуса от попадания волос, а направляющие прорези 13, в которых ходят нижние рабочие элементы 4, изгибающиеся в процессе взаимодействия рабочего окончания с поверхностью кожи на голове человека, не препятствуют перемещению стержневых элементов 4 в нужном направлении.
Возможны варианты исполнения устройства, где нижние рабочие элементы 4 установлены под одним углом к поверхности кожи на голове человека (см. фиг. 4) или нижние рабочие элементы 4 устанавливаются по схеме взаимного пересечения под одним углом к поверхности кожи на голове человека при прижатии к поверхности кожи (см. фиг. 5).
Возможен вариант исполнения устройства, когда в корпусе 1 предусмотрено гнездо под штекер. Он показан на фиг. 6, где 14 - штекер, 15 - провод штекера.
В устройстве верхние рабочие элементы 10 могут быть цилиндрическими винтовыми пружинами кручения (см. фиг. 7), коническими винтовыми пружинами кручения (см. фиг. 8) или спиральными пружинами (см. фиг. 9).
Рабочие окончания 5 могут быть выполнены в форме скругленных цилиндров (см. фиг. 10), шарообразной формы (см. фиг. 11), в форме разветвляющейся структуры с несколькими зонами контакта с поверхностью кожи (см. фиг. 12), форме наконечников клиновидной формы с гребневидными выступами (см. фиг. 13), в форме рабочей части винтовой пружины кручения (см. фиг. 14).
Возможен вариант исполнения устройства, где в защитной накладке 7 направляющие прорези 13 выполнены линейными и ориентированными в направлении движения рабочих элементов (см. фиг. 15)