УСТРОЙСТВО НИЗКОЛАТЕНТНОЙ НЕЙРООБРАТНОЙ СВЯЗИ

Настоящее устройство относится к системам биологической обратной связи, а именно к системам нейрообратной связи.
Из уровня техники известны различные устройства для исследования активности головного мозга, например, шлем электроэнцефалографический, эластичная шапочка для установки электродов и электрод для съема биопотенциалов мозга (см. RU 31944U1, опубл. 10.09.2003). Шлем электроэнцефалографический, содержащий эластичную шапочку и электродное устройство, в котором электродное устройство выполнено съемным и состоит из двух жгутов, устанавливаемых на эластичной шапочке симметрично сагиттальной плоскости, при этом гнезда, в которые устанавливаются электроды, выполнены в виде цилиндрических люверсов, основания которых с высотой, превышающей толщину волосяного покрова, размещены внутри эластичной шапочки, а вкладыши - снаружи, и снабжены фиксирующей электроды цангой. Эластичная шапочка для установки электродов, выполненная из высокопрочной и химически устойчивой полимерной ткани, например, поликапролактамной ткани типа нейлон, в эластичной шапочке выполнены круглые отверстия с взаимным расположением, соответствующим стандартной системе отведений электроэнцефалограмм, в отверстиях закреплены установочные гнезда, выполненные из электроизоляционного материала, каждое из установочных гнезд содержит полое основание и полый вкладыш, края круглого отверстия в эластичной шапочке зажаты между внешней поверхностью вкладыша и внутренней поверхностью основания, при этом вкладыш размещен с внешней стороны эластичной шапочки, а основание - с внутренней стороны, и имеет высоту, превышающую толщину волосяного покрова. Электрод для съема биопотенциалов мозга, содержащий плоский токосъемник, заключенный в корпус с полостью для заполнения электропроводящим гелем, обеспечивающим контакт, как минимум, одной поверхности токосъемника с поверхностью головы, при этом токосъемник имеет отверстие, через которое электропроводящий гель подается в полость между токосъемником и поверхностью головы, в котором корпус выполнен цилиндрическим и охватывает токосъемник по периметру, в корпусе имеется вторая полость, открывающая вторую полость токосъемника, соединяющаяся через отверстие в токосъемнике с полостью для заполнения электропроводящим гелем и имеющая входное отверстие с диаметром, равным диаметру штуцера одноразового шприца.
Указанное устройство, хотя и является схожим по конструкции, не является однородным по назначению, то есть не является устройством низколатентной нейрообратной связи.
Также из уровня техники известна, выбранная в качестве ближайшего аналога система и метод мониторинга, анализа и стимулирования пиковых психических состояний (см. US11013449B2, опубл. 25.05.2021). Датчики мозговых волн помещаются на кожу головы пользователя для измерения психического состояния пользователя. Модель машинного обучения может интерпретировать измеренные сигналы мозговых волн в психическое состояние пользователя, такое как расслабленное, сосредоточенное, напряженное, счастливое, грустное и т.д. Система может получить желаемое психическое состояние пользователя, например расслабленное и т.д. Система может измерять разницу между желаемым психическим состоянием и измеренным психическим состоянием пользователя и предоставлять пользователю звуковую и визуальную обратную связь, указывающую, насколько далеко пользователь от желаемого психического состояния. Кроме того, система может обеспечивать звуковую и визуальную обратную связь, чтобы помочь или побудить пользователя достичь желаемого психического состояния. Визуальная и звуковая обратная связь может быть предоставлена с использованием продукта виртуальной и / или дополненной реальности.
Недостатком ближайшего аналога является то, что система не является мобильной, так как привязана к полноразмерному блоку обработки информации. Система является многомодульной, увеличивает время круговой обработки. В системе не используются алгоритмы низколатентного (характеризующегося малой задержкой) выделения параметров ритмической активности мозга. Система не предоставляет средств для мониторинга величины полной задержки сигнала обратной связи по отношению к нейрональной активности. Как следствие, система не формирует петлю обратной связи с характеристической постоянной времени, сопоставимой с таковыми естественных нейронных сетей головного мозга. Как следствие, использование данной системы не способно повысить эффективность тренировки в парадигме нейрообратной связи за счет использования нативных адаптационных свойств головного мозга, что в свою очередь может быть обеспечено сокращением задержки в предъявлении сигнала обратной связи.
Техническим результатом заявленной полезной модели является устранение наличия задержки между сигналом активности мозга и передачей информации об этом сигнале пользователю при обеспечении мобильности и портативности устройства.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении эффективности тренировок с использованием систем биообратной связи и расширении соответствующего арсенала технических средств, реализованных в форме интегральных высокоэргономичных устройств.
Заявленный технический результат достигается посредством создания устройства низколатентной нейрообратной связи, содержащего эластичный носитель, в котором размещены электроды, фиксирующие сигналы электроэнцефалографии, при этом эластичный носитель соединен с ободом, на котором размещен блок многоканального аналого-цифрового преобразователя для оцифровки многоканальной электроэнцефалограммы, регистрируемой при помощи электродов, и компактный высокоскоростной монитор для предъявления нейрообратной связи, оборудованный системой мониторинга полной задержки предъявления сигнала нейрообратной связи, блок многоканального аналого-цифрового преобразователя для оцифровки многоканальной электроэнцефалограммы содержит бортовой вычислитель, реализованный на микропроцессоре, управляющие кнопки для задания параметров нейрообратной связи, таких как отведение электроэнцефалограммы, полоса частот электроэнцефалограммы, по которой рассчитывается сигнал обратной связи и желаемая задержка электроэнцефалограммы, индикаторы состояния, кнопку включения и микро-USB разъем для связи с персональным компьютером для перепрограммирования вычислителя, батарею питания и соединен с наушниками для предъявления нейрообратной связи по акустическому каналу.
В частном варианте выполнения используют компактный высокоскоростной монитор малого разрешения с минимальным временем отклика для предъявления нейрообратной связи, закрепленный на ободе эластичного носителя посредством штатива с возможностью перемещения для размещения видеоканала напротив глаз пациента.
В частном варианте выполнения используют встроенную систему мониторинга величины задержки (латентности) предъявления сигнала нейрообратной связи.
В еще одном из частных вариантов выполнения бортовой компьютер реализует быстрые алгоритмы расчета параметров электроэнцефалограммы с минимальной задержкой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - зависимость степени сохранности эффекта тренировки (одного из показателей эффективности) от задержки в предъявлении сигнала нейрообратной связи;
Фиг. 2 - внешний вид предлагаемого технического решения.
На Фиг. 2 позиции обозначают следующее:
1 - блок, содержащий многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для оцифровки многоканальной ЭЭГ и бортовой компьютер;
2 - индикаторы состояния;
3 - кнопка включения;
4 - USB разъем для связи с компьютером или зарядным устройством;
5 - электроды;
6 - наушники для предъявления нейрообратной связи по акустическому каналу;
7 - компактный высокоскоростной монитор для предъявления нейрообратной связи;
8 - пример видеостимула, отражающего текущие параметры ритмической активности;
9 - фотодиод для мониторинга величины полной задержки сигнала обратной связи по отношению к нейрональной активности;
10 - кнопка для задания параметра нейрообратной связи полоса частот;
11 - кнопка для задания параметра нейрообратной связи ЭЭГ отведение, по которому рассчитывается сигнал обратной связи;
12 - кнопка для задания параметров нейрообратной связи, желаемая задержка.
Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.
Устройство низколатентной нейрообратной связи включает эластичный носитель с ободом. На эластичном носителе размещен набор сухих или традиционных электродов, которые преимущественно размещены на одинаковом расстоянии друг от друга. На ободе размещены блок многоканального аналого-цифрового преобразователя для оцифровки многоканальной электроэнцефалограммы, регистрируемой при помощи электродов, и компактный высокоскоростной монитор для предъявления нейрообратной связи по видеоканалу. Блок многоканального аналого-цифрового преобразователя содержит выполненные в едином корпусе бортовой вычислитель, реализованный на современном микропроцессоре, индикаторы состояния, кнопку включения и микро-USB разъем для связи с персональным компьютером для перепрограммирования вычислителя, управляющие кнопки для задания параметров нейрообратной связи, таких как ЭЭГ отведение, по которому рассчитывается сигнал обратной связи, полоса частот и желаемая задержка, батарею питания и соединен с наушниками для предъявления нейрообратной связи по акустическому каналу. Компактный высокоскоростной монитор для предъявления нейрообратной связи, преимущественно закреплен на ободе эластичного носителя посредством штатива с возможностью перемещения для размещения видеоканала напротив глаз пациента и имеет в своей нижней части выемку для удобства размещения носа пациента.
На фиг. 1 изображена зависимость степени сохранности эффекта тренировки (одного из показателей эффективности) от задержки в предъявлении сигнала нейрообратной связи. Как видно из приведенного графика, сравнительная мощность затылочного альфа-ритма, измеренная после тренировки по отношению к мощности до тренировки, оказывается максимальной при минимальной задержке. Наблюдается статистически значимый тренд.
На фиг. 2 изображен блок, содержащий многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП)(1), для оцифровки многоканальной ЭЭГ, регистрируемой при помощи электродов (5), и бортовой вычислитель, реализованный на современном микропроцессоре, управляющие кнопки для задания параметров нейрообратной связи таких как: полоса частот (10), ЭЭГ отведение, по которому рассчитывается сигнал обратной связи (11), и желаемая задержка (12), индикаторы состояния (2), кнопку включения (3) и микро-USB разъем для связи с персональным компьютером для перепрограммирования вычислителя, наушники для предъявления нейрообратной связи по акустическому каналу (6), компактный высокоскоростной монитор (7) для предъявления нейрообратной связи по видеоканалу (8) и фотодиод, являющийся частью системы мониторинга полной задержки предъявления сигнала нейрообратной связи.
Устройство работает следующим образом. На пользователя надевается устройство, налаживается контакт ЭЭГ электродов со скальпом пользователя, при помощи бортового пользовательского интерфейса производится установка параметров расчета и предъявления сигнала обратной связи. Далее начинается тренировка, во время которой пользователю предъявляются звуковые или зрительные стимулы, отражающие состояние его мозговой активности с малой задержкой. Причем предъявляемые стимулы рассчитываются бортовым вычислителем, получающим вектора ЭЭГ сигнала в реальном времени (с задержкой меньше интервала дискретизации) и использующем оптимальные алгоритмы обработки сигнала и выделения амплитуды и фазы ритмической активности мозга с минимальной задержкой. Стимулы затем предъявляются пользователю при помощи наушников или высокоскоростного монитора. Устройство мониторинга полной задержки осуществляет расчет полной задержки в каждый момент времени и сохраняет информацию в бортовом вычислительном модуле.
Таким образом, в соответствии с фиг. 1 применение устройства обеспечивает повышение эффективности тренировки в парадигме нейрообратной связи, измеряемое как величина перепада мощности ритмической активности пользователя до и после тренировки, а так же как крутизна кривой обучения, что достигается за счет низколатентного (задержка менее 100 мс) предъявления сигнала обратной связи, реализуемого при помощи описываемого устройства со встроенным модулем оцифровки ЭЭГ сигнала и бортовым вычислителем, реализующим оптимальные алгоритмы обработки сигнала и выделения информативных компонент ритмической активности, используемых для расчета сигнала обратной связи.