Портативный электроэнцефалограф

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована при изготовлении исследовательских и используемых в медицинской практике портативных электроэнцефалографов.
В настоящем описании под электроэнцефалографом понимается устройство для измерения и регистрации электроэнцефалограммы, содержащей информацию об электрофизиологической активности головного мозга.
Такое устройство в традиционном исполнении состоит из электродов, размещаемых с помощью держателя на голове пациента, многоканального коммутатора отведения сигналов, снимаемых с электродов, усилителя указанных сигналов, калибратора этих сигналов и регистратора электроэнцефалограммы (см., например сведения об устройстве и принципе работы электроэнцефалографа на сайте в Интернет: https://fortis-med.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-ehlektroehncefalografa/ ).
Уровень техники в области устройств для считывания электрических сигналов с поверхности головы пациента и фиксации информации о них характеризуется решениями, совершенствующими канальное усиление этих сигналов в условиях ослабления разного рода шумовых помех (см., например, систему получения электроэнцефалографических сигналов с низким уровнем шума по патенту CN106236082, A61B5/00, A61B5/0476, 2016) или совершенствующими интерфейс, определяющий конструктивную компоновку средств передачи и усиления этих сигналов, повышающий удобство пользования указанным устройством и надёжность его работы (см., например, устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга по патенту РФ         № 2338460, A61B5/0476, 2008).
При этом система по патенту CN106236082 содержит N активных электроэнцефалограммных электродов, N триаксиальных соединительных провода, N электроэнцефалограммных модулей формирования сигнала, модуль отправки соответствия мультиплексирования, приёмник и вывод данных и контроллер, причём активные электроэнцефалограммные электроды с высокоимпедансными усилителями принимаются, так что сигналы электроэнцефалограммы передаются после усиления, а благодаря новому экранирующему режиму, в котором используются трёхосные соединители и трёхосные соединительные провода, можно эффективно преодолеть дефект, заключающийся в том, что слабые сигналы электроэнцефалограммы чувствительны к помехам от окружающего шума во время передачи на большие расстояния.
А устройство по патенту РФ № 23338460 содержит держатель в виде эластичной шапочки с расположенными на нём установочными гнездами, в которых размещены электроды, соединенные отводящими проводами с блоком обработки сигналов, и характеризуется тем, что оно имеет активные блоки, расположенные в установочных гнездах и состоящие из последовательно соединенных электрода, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и интерфейсного элемента, а также блока определения импеданса и блока индикации, при этом блок обработки сигналов отводящими проводами последовательно соединён с интерфейсным элементом каждого активного блока, первый выход микроконтроллера через блок определения импеданса соединен с электродом, а второй выход микроконтроллера подключён к блоку индикации, что позволяет повысить удобство исследования для пациента, увеличить точность и надёжность оценки сигналов головного мозга.
Тем не менее, указанные аналоги с изложенными преимуществами не решают проблему усовершенствования единых потребительских свойств электроэнцефалографа, оптимально сочетающего одновременно изложенные выше преимущества (в связи с усовершенствованием устройства каналов и конструктивных средств передачи и усиления сигналов), подтверждаемую отсутствием источников информации со сведениями об эффективной адаптации функционального устройства каналов передачи и усиления сигналов к условиям выигрышного интерфейса с размещением блоков усиления и обработки электрофизиологических сигналов на голове пациента.
В качестве прототипа заявляемого электроэнцефалографа выбран (наиболее приближённый к традиционному электроэнцефалографу) электроэнцефалограф по авторскому свидетельству СССР № 880241, A61B5/04, 1981, содержащий электроды, размещаемые с помощью держателя на голове пациента, канальные усилители и узел обработки сигналов, получаемых с помощью многоканального интерфейса от электродов, и регистрации электроэнцефалограммы и характеризующийся отсутствием изложенных выше схемотехнического и интерфейсного преимуществ.
Технический результат предлагаемой полезной модели – разработка оптимального портативного электроэнцефалографа за счёт предлагаемых особенностей функционального устройства отвечающих требованиям высокоточного измерения электроэнцефалографической активности  дифференциальных и индифферентного каналов для детектирования, усиления, фильтрации и нормализации сигналов снимаемых с электродов, размещаемых на поверхности кожи головы пациента, в микросхемном исполнении, обеспечивающих возможность одновременного улучшения интерфейса в результате более эффективного (компактного) размещения этих каналов на голове пациента вблизи указанных электродов за счёт упрощённого функционального и схемотехнического устройства дифференциальных и индифферентного каналов, а также расширение функциональных возможностей предлагаемого электроэнцефалографа за счёт  обеспечения возможности его работы в двух режимах: в режиме измерения и регистрации электроэнцефалографической активности и в режиме измерения импеданса электрического контакта каналов регистрации с кожей головы пациента.
Кроме того, предлагаемая полезная модель расширяет арсенал высокочувствительных компактных электроэнцефалографов, расширяющих возможности их использования в медицинской практике.
Для достижения указанного технического результата предлагается электроэнцефалограф, содержащий электроды, размещаемые с помощью держателя на поверхности кожи головы пациента, канальные усилители и узел обработки сигналов, получаемых с помощью многоканального интерфейса от электродов, и регистрации электроэнцефалограммы, характеризующийся тем, что канальные усилители и упомянутый узел обработки сигналов выполнены в виде присоединённых к упомянутым электродам дифференциальных каналов и, по меньшей мере, одного индифферентного канала и одного референсного канала, подключённых к многоканальному входу блока оцифровки и предобработки сигналов, подключённого к блоку постобработки и коммуникации сигналов, при этом каждый дифференциальный канал содержит последовательно соединённые между собой блок входа и коммутации для детектирования сигналов биоэлектрической активности мозга и измерения импеданса электрического контакта электрода с кожей головы пациента в точке измерения, построенный на основе двухканального прецизионного операционного усилителя с входным каскадом, выполненным на полевых транзисторах, блок нормализации и ограничения сигналов для защиты последующей в цепи схемотехники от перенасыщения или выхода из строя в результате действия на них электрических выбросов, связанных с переключением режимов работы блока входа и коммутации, а также с внешними артефактами движения человека или работы внешних электроприборов, и нормализации сигналов относительно необходимого уровня, построенный на основе двухканального операционного усилителя и прецизионного линейного стабилизатора напряжения, и блок фильтрации для подавления помехи индустриальной сети 220 В путём захвата основной частоты помехи электродом индифферентного канала и дальнейшей подстройки режекторного фильтра согласно полученным значениям, построенный на переключаемых конденсаторах, индифферентный канал содержит последовательно соединённые между собой такие же, как в дифференциальном канале, функциональные блоки, за исключением блока нормализации и ограничения сигналов, который в индифферентном канале для выделения частоты индустриальной помехи, необходимой при точной настройке полосы подавления режекторного фильтра в блоках фильтрации в индифферентном и дифференциальных каналах, дополнительно содержит цепь выделения частоты индустриальной помехи, и референсный канал содержит блок коммутации и измерения импеданса для переключения электроэцефалографа в режим измерения и регистрации электроэцефалографической активности или режим измерения импеданса электрического контакта электродов с кожей головы пациента и обеспечения измерения указанного импеданса,    построенный на основе малошумящего электронного ключа и двухканального операционного усилителя, причём блок оцифровки и предобработки сигналов для дополнительного усиления и преобразования сигналов биоэлектрической активности мозга в коды аналого-цифрового преобразователя построен на дифференциальных усилителях и аналого-цифровых преобразователях, по количеству равных количеству дифференциальных каналов, и блок постобработки и коммуникации сигналов для управления режимами переключения между режимом измерения электроэнцефалограммы и режимом измерения импеданса, сбора данных аналого-цифрового преобразования, изменения значений импедансометрического генератора, передачи сигналов активности головного мозга на персональный компьютер и классификации сигналов активности головного мозга построен на микроконтроллере, а дифферециальные каналы, по меньшей мере, один индифферентный канал и один референсный канал выполнены на микросхемной основе и размещаемыми с помощью держателя на голове пациента и предлагаемый электроэнцефалограф снабжён блоком питания.
Для увеличения компактности микросхемного исполнения предлагаемого электроэнцефалографа, последний может быть выполнен с использованием микросборной технологии.
В частном случае в предлагаемом электроэнцефалографе держатель может быть выполнен в виде эластичной шапочки с расположенными на ней специальными гнездовыми и мостовыми креплениями, электроды могут быть выполнены игольчатыми, а сам электроэнцефалограф может быть снабжён автономным блоком питания.
На фиг. 1 представлен фото эластичной шапочки в сборе с электродами и дифференциальными, индифферентным и референсным каналами, на фиг. 2 – функциональная схема восьми дифференциальных каналов, одного индифферентного канала и одного референсного канала, а также блока оцифровки и предобработки сигналов, блока постобработки и коммуникации сигналов и блока питания в составе предлагаемого электроэнцефалографа.
Предлагаемый электроэнцефалограф содержит игольчатые электроды 1, закреплённые с помощью специальных гнездовых креплений 2 к держателю, выполненному в виде эластичной шапочки 3 (см на фиг. 1). Указанные электроды с помощью восьми дифференциальных каналов 4, одного индифферентного канала 5 и одного референсного канала 6 подключены с помощью проводного шлейфа к многоканальному входу блока оцифровки и предобработки сигналов 7, подключённого к блоку постобработки и коммуникации сигналов 8 (см фиг. 2).
При этом каждый дифференциальный канал 4 содержит последовательно соединённые между собой блок входа и      коммутации 9 для детектирования сигналов биоэлектрической активности мозга и измерения импеданса электрического контакта электрода с кожей головы пациента в точке измерения, построенный на основе двухканального прецизионного операционного усилителя с входным каскадом, выполненным на полевых транзисторах (на фиг. 2 не показан), блок нормализации и ограничения сигналов 10 для защиты последующей в цепи схемотехники от перенасыщения или выхода из строя в результате действия на них электрических выбросов, связанных с переключением режимов работы блока входа и коммутации, а также с внешними артефактами движения человека или работы внешних электроприборов, и нормализации сигналов относительно необходимого уровня, построенный на основе двухканального операционного усилителя и прецизионного линейного стабилизатора напряжения (на фиг. 2 не показаны), и блок   фильтрации 11 для подавления помехи индустриальной сети 220 В путём захвата основной частоты помехи электродом индифферентного канала 5 и дальнейшей подстройки режекторного фильтра согласно полученным значениям, построенный на переключаемых конденсаторах (на фиг. 2 не показан).
Индифферентный канал 5 содержит последовательно соединённые между собой такие же, как в дифференциальных   каналах 4 функциональные блоки 9-11, за исключением блока нормализации и ограничения сигналов 10, который в индифферентном канале 5 для выделения частоты индустриальной помехи, необходимой при точной настройке полосы подавления режекторного фильтра в блоках фильтрации в индифферентном и дифференциальных каналах, дополнительно содержит цепь выделения частоты индустриальной помехи (на фиг. 2 не показана).
Референсный канал 6 содержит блок коммутации и измерения импеданса 12, построенный на основе малошумящего электронного ключа и двухканального операционного усилителя (на фиг. 2 не показаны).
Причём дифферециальные каналы 4, индифферентный канал 5 и референсный канал 6 выполнены на микросхемной основе и размещены с помощью специальных мостовых креплений (на фиг. 1 позициями не выделены) эластичной шапочки 3 на голове пациента.
При этом блок оцифровки и предобработки сигналов 7 для дополнительного усиления и преобразования сигналов биоэлектрической активности мозга в коды аналого-цифрового преобразователя построен на дифференциальных усилителях и аналого-цифровых преобразователях (на фиг. 2 не показаны), по количеству равных количеству дифференциальных каналов 4, и блок постобработки и коммуникации сигналов 8 для управления режимами переключения между режимом измерения электроэнцефалограммы и режимом измерения импеданса, сбора данных аналого-цифрового преобразования, изменения значений импедансометрического генератора, передачи сигналов активности головного мозга на персональный компьютер (а фиг. 2 не показан) и классификации сигналов активности головного мозга построен на микроконтроллере (входит в состав блока 8 и на фиг. 2 не показан).
Предлагаемый электроэнцефалограф снабжён блоком        питания 13, который для синтеза значений напряжения, необходимых для корректной работы всех указанных выше блоков построен на линейных регулируемых стабилизаторах напряжения (на фиг. 2 не показаны).
Предлагаемый электроэнцефалограф работает в двух излагаемых далее рабочих режимах (в режиме регистрации электроэнцефалографической активности и в режиме измерения импеданса электрического контакта каналов регистрации с кожей испытуемого) следующим образом.
На первом этапе режима измерения электроэнцефалографической активности происходит первичная настройка и калибровка электронной схемы электроэнцефалографа, а именно на управляющий вход электронного ключа, входящего в состав референсного канала 6 подаётся сигнал низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемый микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8. При этом цепь измерительного входа референского канала 6 притягивается через этот электронный ключ к земле тем самым приводя канал в режим регистрации.
После переключения референсного канала 6 в режим регистрации происходит параллельное переключение дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 в режим регистрации. Это происходит путём подачи сигналов низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемых микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющие входы электронных ключей входящих в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа. При этом цепь измерительного входа каждого из каналов через буферный усилитель подключается к центральной точке резистивного делителя, тем самым образуя, так называемую «цепь бесконечного сопротивления», входящую в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5. Далее на вход тактирования блоков фильтрации 11, входящих в состав дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5, с выходов микроконтроллера, входящего в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8, поступает сигнал прямоугольной формы с частотой, соответствующей частоте индустриальной помехи (50 либо 60 Гц), с учётом поправки связанной с особенностями работы электронного режекторного фильтра. После этого каналы становятся готовыми к проведению измерений.
На последнем этапе первоначальной настройки микроконтроллер, входящий в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8, генерирует управляющий сигнал конфигурации и запуска аналого-цифрового преобразователя, поступающего далее на цифровые входы аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав блока оцифровки и предобработки сигналов 7.
После завершения этапа первичной настройки, электроэнцефалограф полностью готов к проведению измерения сигналов электроэнцефалографической активности мозга.
В режиме измерения сигналов электроэнцефалографической активности мозга сигнал, снимаемый, непосредственно, с поверхности кожи головы пациента при помощи специальных игольчатых электродов 1, поступает на входы блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа, где происходит его детектирование, усиление в 10 раз и ограничение полосы до частоты в 500 Гц по уровню -3Дб. Данная операция осуществляется при помощи входящего в состав каждого блока входа и коммутации 9 прецизионного операционного усилителя с входным каскадом, выполненным на полевых транзисторах, а также наличием в цепи обратной связи данного усилителя цепи ограничения полосы пропускания.
Далее сигнал поступает на выходы блоков входа и коммутации 9 откуда, в свою очередь поступает на входы блоков нормализации и ограничения сигналов 10 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа, где происходит приведения среднего уровня сигнала к нормали путём удаления из него постоянного смещения, связанного с кожно-гальваническим эффектом и несовершенством элементной базы, использованной в предыдущих блоках. После нормализации сигнал поступает на два симметричных плеча цепи активного ограничения уровня, построенных на основе прецизионных линейных стабилизаторов напряжения, где сигнал ограничивается по верхнему и нижнему уровню в соответствующих плечах. Уровень ограничения сигнала был выбран согласно необходимости корректной работы далее расположенных в электроэнцефалографе блоков. Далее сигнал поступает на равноценный смеситель, где сигналы с двух плеч цепи активного ограничения обратно преобразуются в цельный сигнал после чего, сигнал поступает на выход блоков 10.
С выходов блоков нормализации и ограничения сигналов 10 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа сигнал поступает на входы блоков  фильтрации 11 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа, в которых в случае дифференциальных каналов 4 из сигнала удаляется помеха индустриальной сети электропитания путём прохождения сигнала через цепь режекторного фильтра, настроенного на частоту индустриальной помехи (50 или 60 Гц). Настройка частоты режекторного фильтра производится путём подачи на его управляющий вход сигнала прямоугольной формы с частотой, соответствующей частоте индустриальной помехи (50 либо 60 Гц), с учётом поправки связанной с особенностями работы электронного режекторного фильтра с выхода микроконтроллера, входящего в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8. С выхода цепи режекторного фильтра сигнал поступает на вход цепи фильтра нижних частот, построенного по схеме Баттерворта 4-го порядка, где происходит ограничение полосы полезного сигнала до часты в 500Гц. Такая частота была выбрана для корректной работы блока оцифровки и предобработки сигналов 7, входящего в состав электроэнцефалографа. С выхода фильтра нижних частот сигнал поступает на вход цепи дополнительного усиления, где сигнал усиливается еще в 100 раз, после чего сигнал с выхода этой цепи поступает на сигнальный выход блоков фильтрации 11.
В случае индифферентного канала 5 сигнал со входа блока фильтрации 11 распараллеливается и поступает одновременно на вход цепи эквивалентной цепи, содержащейся внутри блоков фильтрации 11 дифференциальных каналов 4 (включающий в себя режекторный фильтр, фильтр Баттерворта и дополнительный усилитель), а также, сигнал поступает на вход цепи выделения помехи индустриальной сети электропитания. Данная цепь состоит последовательного включенного буферного усилителя и неинвернтирующего операционного усилителя с коэффициентом усиления равным 100. В результате прохождения через данную цепь сигнал, полученный со входа блока фильтрации 11, усиливается до уровня насыщения операционного усилителя и преобразуется из синусоидального вида в прямоугольный. Поле чего сигнал помехи поступает на дополнительный выход помехи блока фильтрации 11, а сигнал с цепи, включающий в себя режекторный фильтр, фильтр Баттерворта и дополнительный усилитель, поступает на сигнальный выход блока фильтрации 11.
Далее сигнал с сигнальных выходов блоков фильтрации 11 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канал 5 электроэнцефалографа поступает на входы блока оцифровки и предобработки сигналов 7, которые в свою очередь соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, входящего в блок 7. В результате прохождения сигнала через блок оцифровки и предобработки сигналов 7, производится аналого- цифровое преобразование с разрядностью 24 бит, а также операция равноценного вычитания мгновенного значения амплитуды сигнала с выхода индифферентного канала 5 из мгновенного значения амплитуды сигнала с выхода дифференциальных каналов 4. Далее уже цифровой сигнал поступает на выход блока оцифровки и предобработки сигналов 7.
С выхода блока оцифровки и предобработки сигналов 7 электроэнцефалографа цифровой сигнал поступает на вход блока постобработки и коммуникации сигналов 8, где при помощи микроконтроллера, входящего в данный блок, происходит упаковка цифрового сигнала в цифровые пакеты согласно каналам регистрации и отправка этих пакетов при помощи унифицированного интерфейса связи USB непосредственно на персональный компьютер. Кроме того, на отдельный вход данного блока поступает сигнал, содержащий в себе информацию о точном значении частоты помехи индустриальной сети электропитания, с дополнительного выхода блока фильтрации 11 индифферентного канала 5. В результате специального преобразования, выполняемого с этим сигналом, микроконтроллером, входящем в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8 электроэнцефалографа, происходит выделение частоты помехи, а также отправка значения данной частоты с учётом поправочного коэффициента на выход управления режекторными фильтрами.
Кроме режима регистрации электроэнцефалографической активности предлагаемый электроэнцефалограф может работать в режиме измерения импеданса электрического контакта каналов регистрации с кожей испытуемого.
На первом этапе режима измерения импеданса происходит первичная настройка электронной схемы электроэнцефалографа, а именно на управляющий вход электронного ключа, входящего в состав референсного канала 6, подаётся сигнал высокого уровня (соответствующий «логической 1»), генерируемый микроконтроллером, содержащемся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8. При этом цепь измерительного входа референского канала 6 притягивается через этот электронный ключ к выходу цепи обратной связи релаксационного генератора, входящего в состав референского  канала 6.
После переключения референсного канала 6 в режим измерения импеданса происходит параллельное переключение дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 в режим регистрации. Это происходит путём подачи сигналов низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемых микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющие входы электронных ключей входящих в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа. При этом цепь измерительного входа каждого из каналов через буферный усилитель подключается к центральной точке резистивного делителя, тем самым образуя, так называемую «цепь бесконечного сопротивления» входящую в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канал 5. После этого электроэнцефалограф готов к проведению импедансометрических измерений.
Измерение импеданса электрического контакта конкретного канала регистрации с кожей испытуемого происходит путём подачи сигнала высокого уровня (соответствующий «логической 1»), генерируемого микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющий вход электронного ключа входящего в состав блока входа и коммутации 9 конкретного регистрирующего канала (дифференциального или индифферентного) входящего в состав электроэнцефалографа. При этом цепь измерительного входа данного канала притягивается к центральной точке питающего напряжения через токоограничивающий резистор, тем самым замыкая цепь обратной связи релаксационного генератора, входящего в состав референского канала 6, через кожу с центральной точкой питания, что в свою очередь вызывает изменение основной частоты генерации релаксационного генератора, которое, далее, регистрируется микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, который имеет измерительный вход, подключенный непосредственно к выходу релаксационного генератора, входящего в состав референского  канала 6.
После регистрации частоты релаксационного генератора, микроконтроллер, входящий в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8, производит сопоставление полученного значения частоты с калибровочной таблицей, тем самым преобразуя значение частоты в значение импеданса электрического контакта конкретного канала регистрации, измеряемого в омах, и передачу полученного значения при помощи унифицированного интерфейса связи USB непосредственно на персональный компьютер.
Завершающим этапом измерения импеданса электрического контакта конкретного канала регистрации с кожей пациента, является переключение этого канала обратно в режим регистрации путём подачи сигналов низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемых микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющие входы электронных ключей, входящих в состав блоков входа и коммутации сигналов 8.
По завершению измерения импеданса электрического контакта одного канала регистрации с кожей испытуемого происходит измерение импеданса следующего канала. В соответствии с такой процедурой происходит измерение импеданса всех каналов регистрации (дифференциальных и индифферентного) входящих в состав электроэнцефалографа.
По завершению цикла измерения импеданса электроэцефалограф автоматически переходит в режим регистрации.
Таким образом, высокоточное измерение электроэнцефалографической активности с помощью  дифференциальных каналов 4 и индифферентного канал 5 в составе предлагаемого электроэцефалографа достигается в результате описанных выше преобразований сигналов, снимаемых с  игольчатых электродов 1.
А повышение эффективности (компактности) размещения (улучшающего интерфейс предлагаемого электроэцефалографа в результате выигрыша в функциональной компоновке) этих каналов на голове пациента вблизи указанных электродов достигается за счёт высокого функционального и схемотехнического дробления предлагаемого электроэцефалографа в результате упрощения регистрирующих каналов (в сравнении, например с функциональным решением регистрирующих каналов в устройстве для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга по патенту РФ         № 2338460, при котором, например каждый из указанных каналов содержит отдельный микроконтроллер).