МОДУЛЬ РЕГИСТРАЦИИ И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

Полезная модель относится к области медицинской техники, точнее к устройствам регистрации и обработки биопотенциалов, являющихся составной частью систем управления различными техническими устройствами, построенных на основе биоэлектрических сигналов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон, преимущественно управления бионическими протезами верхних и нижних конечностей, и может быть использована при разработках систем управления, например, для персональных переносных электрокардиографов ранней диагностики и предсказания кризисных ситуаций сердечно-сосудистой системы пациента; человеко-машинных интерфейсов взаимодействия на основе регистрации ЭМГ или ЭЭГ; дистанционно управляемых игрушек, компьютеров.
В известных из уровня техники системах бионического управления разнообразными техническими средствами, как правило, в основе своей представляющих комплекс устройств и механизмов, эффективность управления в наибольшей степени зависит от качественного срабатывания такой составной части системы, как модули регистрации и обработки биопотенциалов, что особенно важно при управлении работой протезов.
В них регистрируемая амплитуда сигнала активности мышцы находится в диапазоне 0,1 - 5,0 мВ, а полоса сигнала ЭМГ находится в диапазоне от 10 до 1000 Гц. Для получения поверхностной электромиографии, как правило, используются (пара на каждый канал регистрации) либо одноразовые контактные электроды, либо многоразовые с применением проводящих гелей, которые обеспечивают низкий импеданс контакта с кожей. Обеспечение равенства импеданса обоих контактов является одним из наиболее важных факторов, влияющим на качество получаемых биосигналов (как для ЭМГ, так и для ЭКГ и ЭЭГ). Это обусловливается влиянием дисбаланса сопротивлений контакта с кожей на уровни входных сигналов усилителя, так, уже критической является разница входных сопротивлений более чем на 50 КОм, в этом случае рекомендуется проводить дополнительные меры по подготовке кожи испытуемого: бритье волосяного покрова и увлажнение, в том числе, с использованием проводящих гелей.
При этом модули регистрации и обработки сигналов современных систем управления должны обеспечивать качественный уровень выходных сигналов, необходимый для быстродействия и безотказности системы управления; защиту от помех и электромагнитных наводок, программно управляемую настройку коэффициента усиления, удобство установки и эксплуатации для пользователя.
Известен модуль регистрации и обработки, по меньшей мере, одного ЭМГ-сигнала, для системы управления интеллектуальной бионической конечностью (RU2635632C1, 2017 г.), в котором осуществляют обработку сигнала посредством неперекрывающейся сегментации ЭМГ-сигнала; для каждого сегмента, полученного на предыдущем шаге, формируют набор признаков ЭМГ-сигнала на основе амплитуды ЭМГ-сигнала для классификации жестов; передают набор признаков ЭМГ-сигнала каждого сегмента по каналу передачи данных в систему управления интеллектуальной бионической конечностью; определяют тип жеста на основании набора признаков ЭМГ сигнала посредством использования искусственной нейронной сети; формируют управляющий сигнал на основании определенного типа жеста. Сформированный управляющий сигнал передается на двигатели, приводящие в движение пальцы бионической конечности. В этом аналоге обеспечивается простая схема усиления сигнала с использованием инструментального усилителя и «драйвера правой ноги» (инверсия сигнала синфазной помехи) с фиксированным коэффициентом усиления. Недостатком аналога является отсутствие точной настройки чувствительности посредством изменения коэффициента усиления; низкое значение входного сопротивления усилителя, и требование предварительной подготовки участка кожи с использованием токопроводящих гелей.
Известен также модуль для системы управления бионическими протезами (патент US2018263521Al,2018r.), включающий в себя фильтры для ограничения полосы пропускания захваченных сигналов ЭМГ, мультиплексор, усилитель и блок микроконтроллера, имеющий аналого-цифровой преобразователь для преобразования аналоговых сигналов ЭМГ в цифровые сигналы. В нем полоса пропускания сигналов ЭМГ фильтруется до того, как сигналы ЭМГ мультиплексируются мультиплексором, а сигналы ЭМГ мультиплексируются мультиплексором, так что один усилитель используется для усиления сигналов ЭМГ до того, как они достигнут аналогово-цифрового преобразователя. Сигналы ЭМГ принимаются многослойными датчиками, закрепляемые на одежде, а разъем передает телесные сигналы от многослойных датчиков на центральное устройство, имеющее аналоговую интерфейсную систему для вычисления, мониторинга и отправки телесных сигналов на дисплей. Недостаток этого аналога заключается в низком входном сопротивлении, что требует предварительной подготовки участка кожи (увлажнения) для хорошего электрического контакта датчика - это создает определенные затруднения для пользователя. Другим недостатком является передача аналогового сигнала вне единого конструктива от контактных элементов (электродов) до электрической схемы усилителя, что снижает защищенность устройство от электромагнитных наводок.
Наиболее близким аналогом (прототипом) полезной модели является модуль регистрации и обработки биопотенциалов для системы управления искусственной рукой, с динамическим усилением получаемых посредством устанавливаемых на теле пользователя контактных элементов электромиографических сигналов и сохранением первичных форм сигналов, содержащий блок предварительного усиления сигнала в виде инструментального усилителя, к входам которого подключены контактные элементы для приема положительного и отрицательного входных сигналов; блок первичной обработки сигнала, включающий в себя последовательно соединенные фильтр высокой частоты и фильтр низкой частоты; блок дополнительного динамического усиления выходного сигнала, обратная связь которого образована цифровым потенциометром; блок оцифровки и преобразования сигнала (CN101856285A, 2010 г.). Поверхностный электрод подводит миоэлектрический сигнал с поверхности кожи. После усиления миоэлектрического сигнала блоком предварительного усиления он поступает в блок предварительной обработки сигнала, где выполняется фильтрация нижних 'частот, фильтрация верхних частот и режекторная фильтрация синфазной помехи на частоте 50 Гц. Далее миоэлектрический сигнал дополнительно усиливается через блок динамического усиления, усиленный сигнал оцифровывается на АЦП и затем поступает в микроконтроллер MSP430, где оценивается диапазон миоэлектрического сигнала, коэффициент динамического усиления регулируется в соответствии с оцененным результатом так, чтобы поддерживать уровень миоэлектрического сигнала в диапазоне от 0,4 до 3,0 В, а затем в соответствии с различными средними значениями диапазона миоэлектрического сигнала контроллер выводит соответствующий сигнал управления цепью возбуждения протеза руки.
В прототипе на качество выходного сигнала существенное влияние оказывает качество контакта с кожей пользователя и при отсутствии специальной подготовки участка кожи (сухой участок кожи) электрическое сопротивление линий электрических контактов «кожа - электрод» оказываются существенно несбалансированными, что приводит к различию величин амплитуд синфазной помехи на обеих линиях. При существенных различиях электрических сопротивлений негативным эффектом является вероятность выхода сигнала за пределы допустимого диапазона амплитуд входных сигналов инструментального усилителя, что приводит к появлению артефактов на выходе инструментального усилителя на частоте синфазной помехи (50 Гц), форма которых существенно отличается от синусоидальной. Режекторные фильтры на выходе инструментального усилителя, используемые для подавления синфазной помехи, не обеспечивают достаточную фильтрацию указанных артефактов. Данные факты приводят к недостаточно эффективной регистрации полезного сигнала ЭМГ и существенно снижают динамический диапазон коэффициента усиления. К тому же подавление синфазной помехи в прототипе осуществляется только на определенной, заранее обусловленной, частоте, а в предлагаемой полезной модели осуществляется компенсация синфазных помех без накладывания ограничений на их частоту. Использование в прототипе для оцифровки и обработки сигналов микроконтроллера со встроенным блоком аналого-цифрового преобразования не всегда конструктивно и экономически оправдано, например, при необходимости использования одновременно нескольких модулей.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на разработку модуля регистрации и первичной обработки биопотенциалов, обеспечивающего повышенную эффективность систем управления протезами конечностей, в которых он используется, а также удобство его установки и эксплуатации для пользователя.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемой полезной модели, заключается в повышении качественного уровня выходных сигналов, необходимом для обеспечения быстродействия и безотказности системы управления, за счет исключения необходимости предварительной обработки кожи и использования токопроводящих гелей, обеспечения защиты электрической схемы модуля от помех и электромагнитных наводок, расширения диапазона программно управляемой настройки коэффициента усиления, обеспечивающей высокий уровень входного сопротивления и динамически изменяемый коэффициент усиления.
Для достижения технического результата в модуле регистрации и первичной обработки биопотенциалов, предназначенном для систем управления протезами конечностей, с динамическим усилением получаемых посредством устанавливаемых на теле пользователя контактных элементов электромиографических сигналов и сохранением первичных форм сигналов, содержащем блок предварительного усиления сигнала в виде инструментального усилителя, блок первичной обработки сигнала, включающий в себя последовательно соединенные фильтр высокой частоты и фильтр низкой частоты, блок дополнительного динамического усиления выходного сигнала, обратная связь которого образована цифровым потенциометром, блок аналого-цифрового преобразования и средство подавления синфазной помехи в отличие от прототипа снабжен блоком инверсии сигнала синфазной помехи в качестве средства подавления синфазной помехи и блоком буферизации входных сигналов в виде двух буферов, подключенных входами к упомянутым контактным элементам, а выходами - к соответствующим входам инструментального усилителя и входу блока инверсии сигнала синфазной помехи, при этом выход блока инверсии подключен к контактному элементу, введенному в устройство для обеспечения обратной связи, обеспечивающей замыкание инвертированного сигнала синфазной помехи с выходов буферов на тело пользователя, выход АЦП и шина данных цифрового потенциометра соединены общей шиной данных SPI.
В частных случаях реализации модуля: аналого-цифровой преобразователь может быть выполнен с возможностью подключения к внешнему микроконтроллеру.
Для пояснения сущности полезной модели представлены чертежи, где: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого модуля (схема); на фиг. 2 - общий вид корпуса модуля: а) вид со стороны левого (по чертежу фиг. 1) торца, б) то же со стороны правого торца; на фиг. 3 - внешний вид сигнала электромиограммы, регистрируемого с предплечья пользователя.
Перечень позиций на чертежах:
Поз. 1 - Контактный элемент положительного входного сигнала.
Поз. 2 - Контактный элемент отрицательного входного сигнала.
Поз. 3 - Буферы блока буферизации входных сигналов.
Поз. 4 - Блок инверсии сигнала синфазной помехи.
поз.5 - Контактный элемент обратной связи.
Поз. 6 - Блок предварительного усиления сигнала.
Поз. 7 -Фильтр высокой частоты.
Поз. 8 - Фильтр низкой частоты.
Поз. 9 - Блок дополнительного динамического усиления выходного сигнала.
Поз. 10 - Цифровой потенциометр.
Поз. 11 - Аналого-цифровой преобразователь.
Поз. 12 - Шина данных интерфейса SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс).
Поз. 13 - Разъем для подключения к внешним устройствам.
Предлагаемый модуль регистрации и первичной обработки биопотенциалов включает в себя:
блок буферизации входных сигналов, буферы 3 которого выполнены в виде повторителей напряжения, что может быть реализовано при помощи операционных усилителей, включенных по не инвертирующей схеме;
выполненные в виде металлических пластин контактные элементы 1 положительного сигнала и 2 отрицательного сигнала, подключаемые к входам буферов 3;
блок 4 инверсии сигнала синфазной помехи, подключенный к контактному элементу 5, введенному в устройство для обеспечения обратной связи, обеспечивающей замыкание инвертированного сигнала синфазной помехи с выходов буферов 3 на тело пользователя;
блок 6 предварительного усиления сигналов, к входам которого подключены выходы буферов 3, выполненный на базе дифференциального (инструментального) усилителя, например INA818;
блок первичной обработки сигнала, включающий в себя последовательно соединенные фильтр высокой частоты 7 и фильтр низкой частоты 8;
блок 9 дополнительного динамического усиления выходного сигнала, обратная связь которого образована цифровым потенциометром 10, в качестве цифрового потенциометра может использоваться микросхема МСР4161;
блок 11 аналого-цифрового преобразования, который может быть выполнен на микросхеме аналого-цифрового преобразователя ADS8866. Выход АЦП и шина данных цифрового потенциометра модуля соединены общей шиной данных SPI, причем АЦП может быть выполнен с возможностью подключения к внешнему микроконтроллеру.
Устройство размещается на внутренней стороне ладони, или на предплечье, плече либо спине пользователя и работает следующим образом.
Сигналы от контактных элементов 1 и 2 сначала поступают в блок буферизации на буферы 3, которые обеспечивают высокое значение величины входного сопротивления. Выходные сигналы буферов 3 одновременно поступают на входы блока 6 предварительного усиления сигнала и на вход блока 4 инверсии сигнала синфазной помехи. Инвертированный сигнал с блока 4 поступает на контактный элемент 5 и замыкается обратно на тело пользователя, увеличивая эффективность подавления синфазной помехи. Выходной сигнал инструментального усилителя (блока 6) представляет собой разность потенциалов между контактными элементами 1 положительного и 2 отрицательного сигналов, умноженную на величину коэффициента усиления
INA
где RG - сопротивление в цепи обратной связи и равно 2000 Ом. K=26.
Затем разностный сигнал фильтруется в полосе частот 10-2000 Гц на блоках фильтров высокой 7 и низкой частоты 8. Полоса фильтра увеличена до 2000 Гц для сохранения исходных форм сигнала ЭМГ в окрестностях пиковых значений.
Выходной сигнал дополнительно усиливается на блоке 9, в обратной связи которого установлен цифровой потенциометр 10. Загрузка управляющих слов в цифровой потенциометр изменяет сопротивления двух отведений, которые, в свою очередь, изменяют величину коэффициента усиления. Коэффициент усиления выходного усилителя определяется как
где CMD - управляющее слово, задающее сопротивление потенциометра, диапазон значений от 0 до 256.
Итоговый коэффициент усиления модуля регистрации биопотенциалов зависит от значения управляющего слова и выражается как
динамический диапазон усиления составляет от 0.1016 до 6656 раз. Итоговый сигнал поступает на вход микросхемы аналого-цифрового преобразования (например, ADS8866). Выходной сигнал АЦП считывается посредством интерфейса SPI и поступает во внешнее устройство. В предлагаемом устройстве тем, что в отличие от прототипа:
оцифровка разностного сигнала производится непосредственно внутри модуля регистрации биопотенциалов и передается внешним устройствам при помощи цифрового интерфейса - обеспечивается дополнительная защита от электромагнитных наводок;
оцифровка осуществляется при помощи отдельной микросхемы АЦП - обеспечивается возможность объединения нескольких модулей регистрации и первичной обработки биопотенциалов и подключения их к общему внешнему микроконтроллеру (модули могут группироваться на одной печатной плате в необходимом количестве для обеспечения многоканальной работы), что способствует существенному снижению энергопотребления и стоимости устройства;
высокое входное сопротивление обеспечивает согласование сопротивлений входных линий и компенсирует различие в амплитудах синфазной помехи на каждом из входов - обеспечивается надежная регистрация биосигналов даже при некоторой погрешности контакта «кожа-электрод»;
исключена необходимость фильтрации разностного сигнала при помощи режекторного фильтра - снижается собственный шум модуля регистрации биопотенциалов и повышается соотношение сигнал/шум.
Техническое решение может быть реализовано в виде электронного модуля, устанавливаемого внутри корпуса (Фиг. 2), контактные элементы 1, 2 для регистрации электрической активности мышц и 5 для передачи инвертированного сигнала расположены на корпусе; подключение к внешним устройствам может осуществляться плоским кабелем при помощи разъема 13 (как вариант соединение с внешними устройствами может осуществляться при помощи гибкого печатного кабеля).
Пример осуществления технического решения.
Был изготовлен экспериментальный образец модуля регистрации и первичной обработки биопотенциалов, пример сигнала ЭМГ, зарегистрированный с предплечья испытуемого в результате экспериментальных исследований представлен на фиг. 3. Модуль размещается на руке пользователя так, чтобы обеспечить прикосновение контактных элементов к поверхности кожи. Модуль регистрации и первичной обработки биопотенциалов регистрирует разность потенциалов на поверхности кожи, возникающую при возбуждении мышечного волокна, сигнал буферизируется для обеспечения высокого входного сопротивления и инвариантности к степени увлажнения участка кожи, далее производится предварительное усиление в 26 раз, фильтрация в полосе 10-2000 Гц, выходной сигнал дополнительно усиливается в соответствии с запрограммированным коэффициентом усиления и оцифровывается на АЦП. Далее сигнал по цифровому интерфейсу SPI может быть считан модулем обработки. Цифровой потенциометр и АЦП подключены к общему интерфейсу.SPI. Коэффициент усиления настраивается посредством передачи команд в цифровой потенциометр через интерфейс SPI.