Сухой активный электрод для нейрокомпьютерного интерфейса

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к устройствам для снятия информации о мозговой деятельности или функциональном состоянии мозга человека при исследованиях методами электроэнцефалографии для последующего использования полученных данных в области нейрокомпьютерного интерфейса.
Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) (называемый также прямой нейронный интерфейс, мозговой интерфейс, интерфейс мозг-компьютер, BCI -brain-computer interface) - система, предназначенная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством (например, компьютером). Она позволяет пользователю взаимодействовать с внешним миром без посредства нервов и мышц, только с помощью управляющих сигналов, генерируемых его мозговой деятельностью посредством односторонней или двухсторонней связи между мозгом и электронным устройством.
На данный момент благодаря НКИ, стало возможным общение с парализованными больными, также нейропротезирование и лечение некоторых болезней. В исследовательских целях нейрокомпьютерный интерфейс позволяет узнать какие участки мозга отвечают за зрительное, эмоциональное восприятия и т.д. В игровой индустрии проводятся эксперименты, где испытуемые играют на компьютере при помощи электрических сигналов мозга.
Нейрокомпьютерный интерфейс обнаруживает паттерны активации деятельности в мозге, которые соответствуют желаемому действию человека. Всякий раз, когда пользователь производит их изменение, нейрокомпьютерный интерфейс в ответ способен перевести новые паттерны в действие, соответствующее воле пользователя. Распознавание определенного набора шаблонов включает в себя следующие этапы: получение сигнала, предварительная обработка, интерпретация и классификация данных.
Одним из направлений существующих технологий получения сигналов от электрической мозговой активности является неинвазивный метод, заключающийся в снятии с кожи головы человека внешних сигналов (в основном, импульсов мозговой активности) с помощью наружных электродов. Этот метод известен как электроэнцефалография (ЭЭГ). Неинвазивные методы ЭЭГ используются в приложениях нейрокомпьютерного интерфейса, потому что они обеспечивают приемлемое качество сигнала в сочетании с низкой стоимостью и простотой в использовании.
Как правило, электроэнцефалограмма (ЭЭГ) регистрируется с поверхности головы с помощью электродов посредством специального геля, являющегося дополнительной электропроводящей контактной средой. Одним из главных преимуществ проведения ЭЭГ-исследований с использованием геля является надежность их контакта с кожей головы и качество получаемого сигнала. Однако, имеются недостатки его использования - длительное время монтажа электродов, необходимость очищения электродов после каждого использования и волос после записи, высыхание электропроводящего геля при длительном исследовании. В некоторых ситуациях эти недостатки отрицательно влияют на результаты исследований. Например, при массовых исследованиях функций мозга, при диагностике неврологических расстройств у детей, в особенности при проведении исследований в ночное время суток, при длительных исследованиях, при осуществлении контроля состояния реанимационных больных, а также при применении в бытовых (не клинических) условиях в повседневной жизни, в частности для контроля инвалидной коляски, или приведения в движение протеза конечности человека или для воспроизведения текста на экране электронного устройства с помощью мысли, то есть при выполнении повседневных умственных задач.
Поэтому возникла потребность создания так называемых «сухих» электродов, которые обеспечивали бы для поставленных целей приемлемое качество передачи сигнала без использования дополнительной электропроводящей контактной среды.
Из существующего уровня техники известен сухой активный электрод для нейрокомпьютерного интерфейса, включающий электропроводящий токосъемник, имеющий внешние выступы, и контактный разъем, выполненный с обеспечением возможности механического размещения в ответной части контактного разъема (см., напр, http://www.gtec.at/Products/Electrodes-and-Sensors/g.SAHARA-Specs-Features). Выполнение токосъемника съемным позволяет при контроле его загрязнения обеспечить быструю замену на новый, что влияет на надежность электрического контакта с кожей головы. Кроме того, съемный электрод обеспечивает гигиеничность и позволяет использовать электроды разными людьми. Однако, недостатком описанного устройства является недостаточно высокое качество регистрации сигналов электрической мозговой активности по причине удаленности от электрода активной части - усилителя. Сигнал от электрода передается по проводу на ЭЭГ усилитель, подключаемый к обрабатывающему сигнал устройству либо встроенный в него. Электромагнитные помехи, создаваемые любой другой аппаратурой, находящейся поблизости, и механические помехи, возникаемые при движении или вибрациях провода ЭЭГ электрода, не позволяют передаваемому сигналу сохранять его амплитуду и форму в начальном, снятом с головы человека, виде, что существенно влияет на достоверность дальнейшей обработки этого сигнала, и, следовательно, на качество проводимых исследований. Кроме того, данное техническое решение не предусматривает контроль за правильностью позиционирования электрода на голове человека и достаточностью контакта электрода с кожей головы, что в свою очередь также влияет на качество снимаемого сигнала.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является получение более достоверной информации результатов анализа электроэнцефалограммы при проведении электроэнцефалографии неинвазивным методом без использования дополнительной электропроводящей контактной среды.
Поставленная задача решается за счет того, что в сухом активном электроде для нейрокомпьютерного интерфейса, включающем электропроводящий токосъемник, имеющий внешние выступы и контактный разъем, выполненный с обеспечением возможности механического размещения в ответной части контактного разъема, согласно полезной модели электрод содержит корпус и электронный модуль, при этом ответная часть контактного разъема вмонтирована в электронный модуль, размещенный в корпусе и включающий защитный резистор, соединенный с операционным усилителем и аналоговым ключом, выполненным с обеспечением возможности приема внешнего сигнала управления.
Электронный модуль может быть подпружинен относительно корпуса, предпочтительно посредством амортизирующей вставки, выполненной из мягкого эластичного материала и установленной между электронным модулем и стенкой корпуса.
Электропроводящий токосъемник может быть выполнен в виде диэлектрика с нанесенным на его поверхность покрытием серебро/хлорид серебра.
Электропроводящий токосъемник может быть выполнен из электропроводящего материала.
Электронный модуль может быть снабжен отводящими проводами.
В корпусе выполнен кольцевой выступ для обеспечения возможности его закрепления в установочном гнезде держателя электродов.
В нижней части корпуса выполнены углубления для обеспечения возможности извлечения электропроводящего токосъемника из ответной части контактного разъема.
Корпус может быть выполнен разъемным.
Электронный модуль может быть выполнен в виде печатной платы и дополнительно снабжен микроконтроллером и соединенным с ним цифровым потенциометром, который в свою очередь соединен с выходом операционного усилителя и с конденсатором цепи компенсации.
Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью существенных признаков, является повышение качества сигнала электрической мозговой активности при проведении электроэнцефалографии неинвазивным методом без использования дополнительной электропроводящей контактной среды путем обеспечения плотного контакта электропроводящего токосъемника с кожей головы человека с контролем правильности установки электрода и передачей сигнала на операционный усилитель для усиления сигнала до передачи его по проводам к внешним устройствам.
Выполнение электропроводящего токосъемника с внешними выступами позволяет улучшить качество контакта выступов с кожей головы за счет возможности размещения волос человека между этими выступами, что обеспечивает плотное прилегание контакта электропроводящего токосъемника к коже головы человека, и, следовательно, повышает качество сигнала электрической мозговой активности.
Выполнение электропроводящего токосъемника съемным позволяет соблюсти чистоту его внешних выступов при любой интенсивности исследований, что влияет на качество его контакта с кожей головы и повышает качество приема сигнала.
Снабжение устройства электронным блоком, куда снятый сигнал передается через контактный разъем и его ответную часть, вмонтированную в электронный модуль, в чистом виде без искажений и помех по причине отсутствия проводов, с целью его усиления в самом электроде посредством операционного усилителя электронного блока до передачи сигнала по проводам, обеспечивает повышение устойчивости сигнала к внешним помехам при последующей передаче его на внешнее электронное устройство для дальнейшей обработки.
Снабжение электронного блока аналоговым ключом, выполненным с обеспечением возможности приема внешнего сигнала управления, позволяет контролировать правильность установки электрода для достижения плотного контакта электропроводящего токосъемника с кожей головы человека.
Все приведенные в независимом пункте формулы полезной модели признаки являются существенными, поскольку в совокупности влияют на один технический результат - повышение качества сигнала электрической мозговой активности при проведении электроэнцефалографии неинвазивным методом без использования дополнительной электропроводящей контактной среды.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения устройства, где
на фиг. 1 изображен сухой активный электрод, продольный разрез;
на фиг. 2 изображен сухой активный электрод с амортизирующей вставкой, продольный разрез;
на фиг. 3 изображен электронный блок, принципиальная электрическая
схема;
на фиг. 4 изображен электронный блок с микроконтроллером, принципиальная электрическая схема.
Сухой активный электрод нейрокомпьютерного интерфейса для съема электрических биопотенциалов мозга включает электропроводящий токосъемник 1, который имеет внешние выступы 2 и контактный разъем 3. Контактный разъем 3 выполнен с обеспечением возможности его механического размещения в ответной части 4 контактного разъема 3. Контактный разъем 3 и его ответная часть выполнены с фиксацией от случайного выпадения, например в виде соединения «кнопка для одежды». Электрод содержит корпус 5 и электронный модуль 6. Электронный модуль 6 размещен в корпусе 5. Ответная часть 4 контактного разъема 3 вмонтирована в электронный модуль 6. Электронный модуль 6 включает защитный резистор 7, соединенный с операционным усилителем 8 и аналоговым ключом 9. Аналоговый ключ 9 выполнен с обеспечением возможности приема внешнего сигнала управления.
Между электропроводящим токосъемником 1 и остальной схемой расположен защитный резистор 7 номиналом 33 кОм или более. Его величина определяется требованиями электробезопасности (тип BF по ГОСТ Р 50267.0-92) -утечка не более 100 мкА при отказе. Операционный усилитель 8 включен по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления +1. Его задача передать сигнал от места контакта сухого электрода по кабелю на внешнее устройство (например, электроэнцефалограф).
С целью дополнительного обеспечения плотного прилегания контакта электропроводящего токосъемника 1 к коже головы человека электронный модуль 6 может быть подпружинен относительно корпуса, например, посредством амортизирующей вставки 10 (демпфера), выполненной из мягкого эластичного материала и установленной между электронным модулем 6 и стенкой корпуса 5. При таком выполнении электронного модуля 6 гарантирован равномерный прижим электропроводящего токосъемника 1 к коже человека при расположении электрода в разных позициях на голове. Выполнение электронного модуля 6 подпружиненным относительно корпуса 5 обеспечивает перемещение электронного модуля 6 с вставленным в него электропроводящим токосъемником 1 до 2-3 мм внутри корпуса 5, что способствует уменьшению жесткости контакта электрода с поверхностью головы и может обеспечить небольшой наклон сменной части электрода к поверхности головы относительно корпуса 5.
В предпочтительном варианте выполнения устройства электронный модуль 6 выполнен в виде печатной платы.
Электропроводящий токосъемник 1 может быть выполнен в виде диэлектрика с нанесенным на его поверхность покрытием серебро/хлорид серебра (Ag/AgCl) или электропроводящего материала. При любом выполнении обеспечивается электрическая передача сигнала от электропроводящего токосъемника 1 контактному разъему 3.
Электронный модуль 6 соединен с отводящими проводами (на чертежах условно не показано), по которым подается напряжение питания, передается выходной аналоговый сигнал на внешнее устройство и поступает внешний сигнал управления электродом. Отводящие провода припаиваются к электронному блоку 6 и выводятся через отверстие в корпусе 5.
В корпусе 5 выполнен кольцевой выступ 11 для обеспечения возможности его закрепления на держателе электродов. В виде держателя электродов чаще всего используют эластичную шапочку с установочными гнездами, выполненными в зонах, соответствующих стандартной системе отведений.
В нижней части корпуса 5 могут быть выполнены углубления 12, позволяющие пользователю удобнее ухватить электропроводящий токосъемник 1 для его извлечения из ответной части 4 контактного разъема 3 при возникновении необходимости его замены.
Для обеспечения ремонтопригодности устройства корпус 5 может быть выполнен разъемным.
Для обеспечения возможности цифрового управления устройством электронный модуль может быть снабжен микроконтроллером 13. Для обеспечения компенсации собственной входной емкости электрода, к микроконтроллеру 13 может подключаться цифровой потенциометр 14, который в свою очередь соединен с выходом операционного усилителя 8 и с конденсатором 15 цепи компенсации. При обладании кабелем определенной емкостью (обычно до несколько десятков пФ на метр), в этом случае в обратной связи операционного усилителя 8 применена схема компенсации емкостной нагрузки. Поддержка измерения импеданса реализована с помощью аналогового ключа 9, управляемого встроенным микроконтроллером 13.
Сухой активный электрод для нейрокомпьютерного интерфейса используется следующим образом.
Электроды устанавливают на коже головы человека в зонах стандартных отведений и фиксируют при помощи специального держателя электродов. При этом, в результате небольших круговых движений, совершаемых при помощи электрода, большая масса волос размещается между внешними выступами 2, давая возможность внешним выступам 2 плотно контактировать с кожей головы. В виде держателя электродов чаще всего используют эластичную шапочку с установочными гнездами, выполненными в зонах, соответствующих стандартной системе отведений. С помощью отводящих проводов электрод подключают к внешнему устройству. При сборке провода припаиваются к электронному модулю 6, который укладывается в корпус 5, а провода выводятся через отверстие в корпусе 5. В исходном положении аналоговый ключ 9 разомкнут.
Напряжение питания электрода подается с внешнего устройства на электронный модуль 6 по двум проводам (питание и земля). Далее происходит оценка правильности установки электрода, которая происходит следующим образом. Аналоговый ключ 9 замыкает входной сигнал с электропроводящего токосъемника 1 на землю для обеспечения пути возврата тока. Через индифферентный электрод (отличается от основных рабочих электродов - он просто провод к токосъемнику) через токоизмерительное сопротивление (внутри внешнего устройства) подается небольшое переменное напряжение (до 3 В, 10-30 Гц). Получается делитель напряжения, в котором не известен импеданс контакта электрод-кожа. Остальные величины известны - напряжение на контакте и подаваемый ток. Из них рассчитывают импеданс (R=U/I) контакта. Если импеданс (сопротивление) слишком большой (более 100 кОм), то электрод имеет плохой контакт и его нужно переустановить на голове. После проверки, что все электроды имеют импеданс меньше заданного, внешнее устройство выключает ключ внутри электрода и переходит в режим регистрации.
Далее начинается этап исследования, заключающийся в съеме и передаче сигнала на внешнее устройство. Сигнал через кожу головы поступает на внешние выступы 2 электропроводящего токосъемника 3, потом по контактному разъему 3 через ответную его часть 4 поступает в электронный модуль 6, а именно на вход защитного резистора 7. По умолчанию аналоговый ключ 9 разомкнут и сигнал поступает на вход операционного усилителя 8. По команде извне аналоговый ключ 9 замыкает защитный резистор 7 на землю, так создается путь возврата для измерительного тока. Усиленный аналоговый сигнал передается по проводу на внешнее устройство для прохождения дальнейшей обработки.
При работе устройства со встроенным в электронный модуль 6 микроконтроллером 13 и соединенным с ним цифровым потенциометром 14, который в свою очередь соединен с выходом операционного усилителя 8 и с конденсатором 15 цепи компенсации в исходном положении микроконтроллер 13 находится в режиме ожидания с выключенным тактовым сигналом и не оказывает влияние по питанию на аналоговые цепи. Перед подачей команды на микроконтроллер 13 цифровая линия управления переводится извне в состояние логической «1», чтобы микроконтроллер 13 мог выйти из режима ожидания. Затем он готов принимать команды по двунаправленной полудуплексной цифровой линии управления. Компенсация входной емкости контакта электрод-кожа происходит благодаря конденсатору 15 цепи компенсации и предназначена для режима регистрации с очень большим сопротивлением контакта. Емкость контакта может достигать 100 пФ и иметь достаточно большой разброс (в несколько раз), что приводит к различию в амплитудах сетевой наводки 50 Гц на разные электроды. После компенсации входная емкость на электроде нормализуется и различие в амплитудах минимизируется. В качестве потенциометра используется цифровой потенциометр 100 кОм на 128 положений, управляемый от микроконтроллера 13. По умолчанию аналоговый ключ 9 разомкнут и сигнал с электропроводящего токосъемника 1 поступает на вход операционного усилителя 8. По команде извне ключ замыкает защитный резистор на землю, так создается путь возврата для измерительного тока. Таким способом выполнена поддержка измерения импеданса контакта с кожей.
Применение заявленного устройства позволяет получить более достоверную информацию результатов анализа ЭЭГ при проведении электроэнцефалографии неинвазивным методом без использования дополнительной электропроводящей контактной среды, поскольку обеспечивает передачу качественного сигнала, а, следовательно, повышает качество его регистрации.