Бесконтактный датчик и устройство регистрации биоэлектрической активности головного мозга
CONTACTLESS SENSOR AND DEVICE FOR RECORDING BIOELECTRIC ACTIVITY OF BRAIN

Область техники
Изобретение относится к области электроэнцефалографии, а, более точно, к датчикам и устройствам, предназначенным для электроэнцефалографии.
Предшествующий уровень техники
При регистрации биоэлектрической активности головного мозга (электроэнцефалографических сигналов) бесконтактным электрометрическим датчиком, основной проблемой является устранение индустриальных помех в виде переменных электрических полей, поскольку полезный электроэнцефалографический сигнал очень мал (порядка 10 мкВ). Для решения данной проблемы необходимо снизить чувствительность бесконтактного датчика к внешним электромагнитным помехам и, тем самым, улучшить отношение сигнал/шум.
Известен, раскрытый в патентной заявке Китая CN106880355 от 23.06.2017, бесконтактный электрод для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающий гибкий диэлектрический слой, гибкий электрод (решетку из металлических электродов) и гибкий защитный слой. Вместе с тем, не раскрывается, каким образом обеспечивается удержание этого известного электрода прилегающим к поверхности головы. Также не раскрывается, каким образом снимается сигнал с этого электрода и обеспечивается его помехозащищенность.
Известен также, раскрытый в патенте США US9588146 от 07.03.2017, бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающий соединенные изолирующим материалом гибкий измерительный электрод, предварительный усилитель, расположенный с внешней стороны измерительного электрода, и нейтрализующий электрод, расположенный с внешней стороны предварительного усилителя.
Этот известный бесконтактный датчик является ближайшим аналогом заявленного технического решения. Вместе с тем, в этом известном техническом решении не раскрывается, каким образом обеспечивается удержание этого известного датчика прилегающим к поверхности головы. Также не раскрывается, каким образом снимается сигнал с этого датчика.
Известно устройство регистрации электроэнцефалографических сигналов, устанавливаемое на голове посредством эластичной шапочки, раскрытое в патенте РФ 2230483 от 20.06.2004. Этот известное устройство является ближайшим аналогом заявленного технического решения. Однако это устройство предполагает установку в шапочке только жестких электродов, контактирующих с небольшими участками поверхностью головы.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявленных датчика для регистрации электроэнцефалографических сигналов и устройства регистрации, заключается в повышении помехозащищенности от внешних электромагнитных помех при измерении полезного сигнала за счет того, что измерительный электрод и охватывающий его сверху и с торцов нейтрализующий электрод вместе со слоями изолирующего материала между ними, а также, с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода, образуют гибкий упругий элемент, который прижимается к поверхности головы. Таким образом, минимизируются зазоры и, соответственно, уменьшается электрическое поле, проникающее к измерительному электроду в зазор между краями охватывающего измерительный электрод нейтрализующего электрода и поверхностью головы. Дополнительное повышение помехозащищенности от внешних электромагнитных помех достигается включением в гибкий упругий элемент экрана от электромагнитных помех, охватывающего нейтрализующий и измерительный электроды.
Указанный технический результат достигается в бесконтактном датчике для регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающем:
держатель, выполненный из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски,
предварительный усилитель, расположенный в углублении упругой пластины держателя,
подключенные ко входу предварительного усилителя гибкие измерительный и нейтрализующий электроды, образующие со слоями изолирующего материала между ними, а также, с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода единый упругий гибкий элемент с вогнутой контактной поверхностью, вытянутый вдоль держателя и соединенный частью внешней поверхности с предварительным усилителем, при этом упругая пластина держателя поджимает с внешней стороны упругий элемент с вогнутой контактной поверхностью, а края упругой пластины держателя используются для фиксации положения упругого элемента с вогнутой контактной поверхностью на голове пользователя.
Нейтрализующий электрод расположен между измерительным электродом и предварительным усилителем и облегает края измерительного электрода с целью уменьшения зазора между краями нейтрализующего электрода и кожей головы пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к измерительному электроду.
Гибкий упругий элемент может дополнительно включать гибкий экран от электромагнитных помех, расположенный поверх измерительного и нейтрализующего электродов, поверх предварительного усилителя и между предварительным усилителем и держателем, и механически соединенный изолирующим материалом с единым упругим гибким элементом, предварительным усилителем и держателем. При этом экран от электромагнитных помех изгибается и облегает единый гибкий упругий элемент по всему краю с целью уменьшения зазора между краями экрана от электромагнитных помех и кожей головы пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к нейтрализующему и измерительному электродам. Экран от электромагнитных помех может быть выполнен упругим.
Предварительный усилитель может быть выполнен на печатной плате с корпусом, установленным в углублении упругой пластины держателя. При этом печатная плата может быть выполнена съемной, вставляемой в корпус и извлекаемой из корпуса, при необходимости ее замены.
Предварительный усилитель может быть выполнен на печатной плате и снабжен экраном от электромагнитных помех, охватывающим печатную плату, и расположенным между печатной платой и держателем.
Предварительный усилитель может занимать часть углубления в пластине держателя, а оставшаяся свободная часть углубления может использоваться для размещения кабеля, соединяющего предварительный усилитель с внешним устройством (регистратором).
Измерительный и нейтрализующий электроды и экран от электромагнитных помех могут быть выполнены из гибкого токопроводящего силикона или другого токопроводящего композитного материала.
Указанный технический результат достигается также в устройстве регистрации электроэнцефалографических сигналов, включающим:
- эластичный материал, охватывающий голову (эластичную повязку или шапочку),
- регистратор электроэнцефалографических сигналов, закрепляемую на эластичном материале,
- по меньшей мере, один, соединенный кабелем с регистратором, бесконтактный датчик с держателем, выполненным из упругой пластины в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски, предварительным усилителем, установленным в углублении упругой пластины держателя, и вытянутым вдоль держателя упругим гибким элементом с вогнутой, прилегающей к голове, поверхностью, включающим измерительный и нейтрализующий электроды с изолирующим материалом между ними, с внутренней стороны измерительного электрода и с наружной стороны нейтрализующего электрода, и соединенный частью внешней поверхности с предварительным усилителем, при этом упругая пластина держателя, при установке на голову, поджимает с внешней стороны упругий элемент с вогнутой поверхностью к поверхности головы, а края упругой пластины держателя каждого бесконтактного датчика вдеты во внутренние карманы охватывающего голову эластичного материала, фиксирующего положение бесконтактного датчика на голове пользователя.
Устройство может включать контактный электрод, электрически соединенный с регистратором и установленный жестко на внутренней стороне регистратора, прилегающий к коже головы в области лба.
Устройство может включать контактный электрод, электрически соединенный с регистратором и установленный на внутренней поверхности шапочки, прилегающий к коже головы в области лба или ушей.
Устройство может включать два и более бесконтактных датчиков.
Устройство может включать два и более контактных электродов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан продольный разрез бесконтактного датчика для регистрации электроэнцефалографических сигналов.
На фиг. 2 показан вид сверху бесконтактного датчика для регистрации электроэнцефалографических сигналов в составе устройства регистрации электроэнцефалографических сигналов.
На фиг. 3 показана фотография устройства регистрации электроэнцефалографических сигналов.
Осуществление изобретения
Бесконтактный датчик для регистрации электроэнцефалографических сигналов, показанный на фиг. 1, включает держатель 1, выполненный из упругого пластика в виде полоски с двумя поперечными уступами, образующими углубление в средней части полоски, предварительный усилитель 2, расположенный в углублении держателя 1, подключенные к входу предварительного усилителя 2 гибкий измерительный электрод 3 и гибкий нейтрализующий электрод 4, образующие вместе с гибким экраном 5 от электромагнитных помех, охватывающим предварительный усилитель 2, и изолирующим материалом 6, находящимся между электродами 3, 4 и экраном 5, с внутренней стороны измерительного электрода 3 и с наружной стороны гибкого экрана 5, единый упругий гибкий элемент с вогнутой контактной поверхностью, вытянутый вдоль держателя 1. Предварительный усилитель 2, таким образом, окружен изолирующим материалом 6, например, силиконом. Измерительный и нейтрализующий электроды и экран от электромагнитных помех выполнены из гибкого токопроводящего силикона или другого токопроводящего композитного материала.
При этом упругая полоска держателя 1 контактирует в месте, показанном стрелкой, с внешней стороной единого упругого элемента и поджимает его к поверхности 7 головы, а края 8 и 9 упругой пластины держателя вдеты в карманы показанного пунктиром эластичного материала, охватывающего голову (повязки или шапочки) 10, и, таким образом, используются для фиксации положения упругого элемента с вогнутой контактной поверхностью на голове пользователя.
Нейтрализующий электрод 4 расположен между измерительным электродом 3 и предварительным усилителем 2 и облегает края измерительного электрода 3 с целью уменьшения зазора между краями нейтрализующего электрода и кожей головы пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к измерительному электроду.
Экран 5 от электромагнитных помех изгибается в едином гибком упругом элементе по всему краю с целью уменьшения зазора между краями экрана 5 от электромагнитных помех и кожей головы 7 пользователя, обеспечивая, таким образом, уменьшение проникновения внешнего электрического поля к нейтрализующему 4 и измерительному 3 электродам.
Предварительный усилитель 2 занимает часть углубления в пластине держателя 1, а оставшаяся свободная часть углубления используется для размещения кабеля, соединяющего предварительный усилитель 2 с внешним устройством (регистратором).
Предварительный усилитель 2 может быть выполнен на печатной плате с корпусом (не показан), установленным в углублении упругой пластины держателя. При этом печатная плата может быть выполнена съемной, вставляемой в корпус и извлекаемой из корпуса, при необходимости ее замены. В этом случае, корпус усилителя 2 экранирует печатную плату от внешних электромагнитных помех, а экран 5 не охватывает корпус усилителя 2 и не препятствует смене печатной платы.
Устройство регистрации электроэнцефалографических сигналов, устанавливаемое на голове с использованием эластичной повязки или шапочки 10 и показанное на фиг. 2 состоит из 4-х датчиков 11, 12, 13 и 14, раскрытых выше, и регистратора 15. Регистратор 15 включает аналого-цифровой преобразователь, подключаемый к предварительному усилителю 2 датчика, процессор с памятью и может включать приемопередатчик (трансивер) для передачи данных внешнему устройству и приема управляющих команд.
На фиг. 3 показана фотография устройства с регистратором 15 и датчиками 16, установленными на эластичной повязке (шапочке), одеваемой на голову. Контактный электрод (не показан) установлен на регистраторе 15 так, чтобы контактировать с кожей на лбу пользователя. Контактные электроды (не показаны) установлены на повязке или шапочке 17 так, чтобы контактировать с кожей на ушах пользователя.