УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ НА КОЖЕ ГОЛОВЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
DEVICE FOR POSITIONING ELECTRODES ON USER'S HEAD SKIN

Настоящее изобретение относится к области измерения электрической активности головного мозга, конкретнее к расположению электродов на коже головы пользователя для этой цели.
Для измерения электрической активности головного мозга требуется устройство, имеющее электроды, расположенные в соприкосновении с головой пользователя. Такие устройства хорошо известны для проведения медицинской диагностики, например для проведения электроэнцефалографии (ЭЭГ). Основная проблема при наложении ЭЭГ-электродов - обеспечение низкого контактного сопротивления с кожей головы. При проведении клинических измерений обычно это достигается с помощью эластичного шлема с интегрированными металлическими чашечками, имеющими Ag/AgCl-покрытие. Кожа под чашечками обычно подготавливается путем обезжиривания и часто дополнительной абразивной обработки, т.е. удаления сухого верхнего слоя кожи головы. Далее чашечки заполняются гелем. Это обеспечивает низкое омическое сопротивление при контакте с более глубоким слоем кожи, а также «преобразование» ионного тока в организме в электронный ток в измерительной системе. Использование проводящего геля также частично решает проблему переменного расстояния между металлическим контактом и кожей вследствие различия толщины волосяного покрова между людьми.
В областях немедицинского применения, например, в товарах для спорта и активного образа жизни, непрактично использовать такого рода «влажные» электроды и проводить подготовку кожи, необходимую для их функционирования. Имеется ряд решений по применению «сухих» электродов и проводятся исследования в этом направлении.
В публикации WO 00/45701 раскрыто такое решение по использованию сухих электродов. В ней описана головная гарнитура, в состав которой входят передняя лобная накладка, основной ременный узел, соединенный с передней лобной накладкой, множество элементов позиционирования ЭЭГ-электродов для приема ЭЭГ-электродов, а также множество ремешков элементов позиционирования, соединенных с передней накладкой, основным ременным узлом и с множеством элементов позиционирования ЭЭГ-электродов для точного позиционирования множества элементов позиционирования ЭЭГ-электродов относительно кожи головы пользователя. К передней накладке может крепиться защитный козырек, а основной ременный узел может включать в себя затылочное устройство позиционирования. Предусмотрен также плунжерный блок, имеющий разводимые пальцы для возможного разделения волос на коже головы пользователя, вводимый в элементы позиционирования электродов для возможной подготовки кожи головы пользователя и для установки электродов. Однако головная гарнитура согласно этой публикации требует, чтобы пользователь приводил каждый плунжерный блок в соприкосновение с кожей головы. Таким образом, пользователю требуется переустанавливать плунжерные блоки в начальное положение всякий раз, когда головная гарнитура одевается и снимается.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предпочтительно создать устройство для позиционирования электродов на коже головы пользователя, которое было бы более простым в использовании.
Проблема решается с помощью устройства по п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Для решения этой проблемы, согласно одному аспекту изобретения, предложено устройство для позиционирования множества сухих электродов на коже головы пользователя с целью измерения электрической активности головного мозга, содержащее:
- множество сухих электродов;
- блок, выполненный с возможностью расположения, по меньшей мере, частично вокруг головы пользователя; а также
- по меньшей мере, один упругий элемент на внутренней стороне блока.
Упругий элемент представляет собой упругую ленту. Для описания блока может быть также использован термин «корпус», не подразумевая каких-либо ограничений в отношении конструкции устройства.
Устройство дополнительно содержит конструкцию для позиционирования, выполненную с возможностью позиционирования упругого элемента и электродов, так что когда корпус располагают вокруг головы пользователя, упругий элемент, по меньшей мере, частично следует кривизне головы пользователя. Напряжения в упругом элементе, вызванные его растяжением, которое, в свою очередь, обусловлено расположением корпуса вокруг головы пользователя, приводят к тому, что упругий элемент оказывает давление, по меньшей мере, на некоторые из множества электродов в направлении кожи головы, тем самым способствуя эффективному контакту множества электродов с кожей головы. Таким образом, нет необходимости в ручной регулировке со стороны пользователя устройства или в каком-либо внешнем механизме с целью оказания необходимого давления для обеспечения эффективного контакта электродов с кожей головы.
Множество электродов может составлять часть устройства, либо они могут обеспечиваться в качестве внешних элементов, которые должны устанавливаться пользователем устройства.
Множество электродов устанавливается на гибких поверхностях. Это позволяет отдельным электродам гибко перемещаться в различных направлениях. В том случае, когда множество электродов поделено на множество матриц, электроды приобретают способность следовать кривизне черепа, чтобы создать необходимый контакт с кожей головы с вовлечением максимально возможного количества электродов.
Корпус может иметь форму головной повязки и может быть выполнен из твердого материала. Например, он может представлять собой часть шлемофонного устройства.
Конструкция для позиционирования дополнительно содержит позиционирующую полоску на внутренней стороне упругой ленты, крепящуюся к множеству гибких поверхностей. Позиционирующая полоска содержит отверстия, через которые выступают электроды, когда упругая лента (упругие ленты) оказывает (оказывают) давление на электроды при расположении корпуса вокруг головы пользователя. В результате положения электродов на коже головы надежно определены и могут находиться насколько возможно близко к положениям, определяемым Международной системой «10-20», известной в данной области техники в качества стандарта для позиционирования ЭЭГ-электродов. Вес корпуса в значительной степени определяет «напряжения» в позиционирующей полоске, но не оказывает влияния на давление электродов на коже головы. Данное усилие устанавливается на комфортном уровне с помощью отдельной упругой ленты, проходящей по гибким поверхностям, на которых установлены электроды.
Если корпус представляет собой шлем шлемофонного устройства, конструкция для позиционирования может содержать два выступающих элемента для выступания концов позиционирующей полоски по отношению к ушным раковинам пользователя, когда корпус располагается вокруг головы пользователя. Таким образом, уши можно использовать в качестве механического ориентира посредством наушников.
Для учета многообразия размеров и форм головы позиционирующая полоска может быть поделена на множество частей, взаимно соединенных одним или несколькими упругими соединителями.
По альтернативному варианту осуществления конструкция для позиционирования дополнительно содержит для каждой из гибких поверхностей отдельный выступающий блок, присоединенный к внутренней стороне корпуса. В результате создана простая конструкция для позиционирования множества электродов в правильных местоположениях на коже головы.
Гибкие поверхности, в которые встроены электроды, могут представлять собой резиновые прокладки низкой вязкости, что является весьма приемлемой опцией в данном случае. Для электрического соединения электродов матриц может использоваться металлическая фольга. Альтернативное решение для электрического соединения - использование электропроводящей резины.
Согласно еще одному варианту осуществления электроды представляют собой металлические штыри с закругленными концами для соприкосновения с кожей головы. Закругленные концы способствуют легкому прохождению штырей через пряди волос до кожи (кожи головы) и способствуют тому, что волосы в промежутке между штырем и кожей могут быть свободно отодвинуты. При такой форме не происходит также раздражения, которое может наблюдаться при острых кромках, используемых в устройствах с сухими электродами предшествующего уровня техники. Благодаря (малому) давлению штырей на относительно мягкую кожу контактная область вокруг концов увеличивается. Это позволяет дополнительно снизить контактное сопротивление.
Согласно еще одному дополнительному варианту осуществления длина электродов составляет более 4 мм, но менее 7 мм. Таким образом, конструкция в значительной степени нечувствительна к толщине волосяного покрова. Здесь воплощен принцип гребня или расчески.
Металлические штыревые электроды могут быть позолочены для обеспечения инертной границы раздела с кожей, чтобы исключить возможные проблемы коррозии, связанные с наличием соли при потоотделении, и к тому же хорошо поддаются очистке. Золото (также как, например, платина) не вызывает аллергии. Другие контактные материалы, пригодные для контакта с кожей, - углерод и некоторые проводящие полимеры. Другие металлы, такие как никель, хром и медь, менее пригодны, поскольку несут в себе риск здоровью. Используемые в настоящее время контактные материалы для электродов, предназначенных для измерения активности головного мозга, такие как серебро с покрытием из хлорида серебра или олово, которые в принципе можно использовать для этих целей, со временем могут подвергаться коррозии. Материалы, подобные нержавеющей стали или алюминию, имеют естественный оксидный слой, который снижает электропроводность. Ионосодержащие полимеры или керамики, которые в принципе можно использовать для этих целей, могут терять проводимость с течением времени и вследствие чистки.
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из вариантов осуществления, описанных далее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение станет понятнее, а его многочисленные задачи и преимущества станут более очевидны специалистам в данной области техники из следующих чертежей в сочетании с прилагаемым описанием.
На Фигуре 1 показано устройство по первому примеру варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фигуре 2 показан вид спереди некоторых матриц электродов, позиционирующей полоски и упругой ленты устройства, представленного на Фигуре 1.
На Фигуре 3 показан вид сверху позиционирующей полоски и упругой ленты устройства, представленного на Фигуре 1.
На Фигуре 4 показан вид спереди матрицы электродов, встроенных в резиновую прокладку, используемую в устройстве, представленном на Фигуре 1.
На Фигуре 5 показана матрица электродов, представленных на Фигуре 4, находящихся в соприкосновении с кожей головы пользователя.
На Фигуре 6 показан вид сверху резиновой прокладки и электродов, представленных на Фигуре 4.
На Фигуре 7 показано электрическое соединение матрицы электродов, представленных на Фигуре 4.
На Фигуре 8 показано устройство по второму примеру варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фигуре 9 в увеличенном виде показан принцип установки матриц электродов в устройстве, представленном на Фигуре 8.
На всех Фигурах одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым элементам.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фигуре 1 показано устройство 1 для позиционирования электродов на коже головы пользователя с целью измерения электрической активности головного мозга по первому примеру варианта осуществления настоящего изобретения. Устройство представляет собой шлемофон, содержащий шлем 3 (который в настоящем описании также упоминается как «блок» или «корпус»), выполненный из твердого, но гибкого материала, имеющий форму головной повязки, а также наушники 5. Устройство дополнительно содержит конструкцию для позиционирования, состоящую из двух выступающих элементов 7 и позиционирующей полоски 13. Выступающие элементы 7 используются для позиционирования множества матриц 9 электродов (которые в настоящем описании также упоминаются как «конструкция на основе сухих электродов»), встроенных в гибкие поверхности 10, упругие элементы (ленты) 11 и позиционирующую полоску 13 на внутренней стороне корпуса 3. Два выступающих элемента 7 выступают на концах позиционирующей полоски 13 от ушных раковин 14 пользователя, когда корпус расположен вокруг головы пользователя. На внутренней стороне позиционирующей полоски размещены малые пружины 16. Концы упругих лент 11 также крепятся к выступающим элементам 7 рядом с точками, в которых концы позиционирующей полоски 13 крепятся к выступающим элементам 7. Позиционирующая полоска 13 используется для позиционирования матриц электродов в заданных положениях на коже головы. Она крепится к множеству гибких поверхностей 10 посредством фиксаторов 15, как показано на Фигурах 2 и 3. Она содержит отверстия 17 диаметром примерно 15 мм, через которые выступают электроды матриц 9, когда упругие ленты 11 оказывают на электроды давление. Для того чтобы учесть многообразие размеров и форм головы, позиционирующая полоска 13 разделена на две половины, между которыми находится соединительная упругая лента 19 для обеспечения хорошего механического контакта с кожей головы по всей окружности. Расположение контрольных электродов двух матриц электродов устанавливается с помощью подпружиненных точек крепления двух половин позиционирующей полоски как можно ближе к местоположениям T3/T4 по Международной системе «10-20». Две половины позиционирующей полоски используют уши в качестве механических ориентиров посредством крепежной скобы наушников. Матрицы сенсорных электродов, расположенные в местоположениях C3-C4 по Международной системе «10-20» (согласно которой C3-C4 относятся к центральным участкам для регистрации активности в задних областях головы), закреплены на других концах обеих частей позиционирующей полоски. Таким образом, все матрицы электродов располагаются на своих местах одним простым движением, когда пользователь обычным способом надевает наушники.
Благодаря напряжению в упругих лентах, вызванному их растягиванием, что, в свою очередь, вызвано введением головы пользователя в корпус (что приводит к проталкиванию позиционирующей полоски 13 и упругих лент 11 вверх), упругие ленты 11 поджимают матрицы электродов к коже головы пользователя, что приводит к эффективному контакту электродов с кожей головы.
Дополнительный (активный) заземляющий электрод, обычно запястный электрод, может быть добавлен по центру верхней части головы (в позиции Cz при выполнении ЭЭГ). Заземляющий электрод обычно используют в усилителях для измерения биосигналов с целью повышения качества сигнала.
Провода и электронные компоненты, которые могут быть интегрированы в наушники или во внешнее устройство, на Фигурах 1-3 не показаны.
Обратимся к Фигурам 4-7, на которых описан пример варианта осуществления матриц 9 электродов. Электроды 20 представляют собой позолоченные металлические штыри диаметром примерно 1 мм, расположенные так, что расстояние между их центральными осями составляет 2,5 мм. Штыри имеют закругленные (полусферические) концы 21. Они встроены в гибкую поверхность, резиновую прокладку, выполненную из обладающей низкой вязкостью силиконовой резины толщиной 2 мм. Это позволяет конструкции следовать кривизне черепа 23, чтобы обеспечить необходимый контакт с кожей, вовлекая максимально возможное число штырей, как показано на Фигуре 5. Длина штырей того участка штырей, который не встроен в резиновую прокладку, составляет примерно 5 мм. Штыри электрически соединены между собой и с кабелем 25, обеспечивающим соединение с электронной схемой с помощью тонкой металлической фольги 27, например из меди. Вся конструкция матрицы имеет покрытие из тонкой металлической фольги 29, соединенной с активной защитой кабеля 10. По альтернативному варианту в качестве основания для электродов может использоваться проводящая резина.
Результаты испытаний устройства, представленного на Фигурах 1-7, показали, что сухие электроды способны измерять:
- различие альфа-ритма при открытых глазах и закрытых глазах, а также
- различие между состоянием покоя и ментальной активностью (альфа-десинхронизация).
На Фигурах 8-9 описан второй пример варианта осуществления устройства 1 для позиционирования электродов на коже головы пользователя с целью измерения электрической активности головного мозга. Второй пример варианта осуществления предполагает независимую установку матриц электродов 9 на шлеме. На Фигуре 8 показано расположение четырех матриц электродов 9. Установочная схема 30 одной из них подробно показана в увеличенном виде на Фигуре 9. В качестве опоры используется твердый (пластиковый) корпус 3 в форме головной повязки, схожей с типовой конструкцией шлема для обычного шлемофонного устройства. На внутренней стороне корпуса 3 для каждой матрицы 9 электродов установлен выступающий блок, состоящий из двух выступающих элементов 7, поддерживающих электроды.
Возможны альтернативные способы установки матриц электродов, например, с использованием двух дополнительных выступающих элементов, поперечных тем, что показаны на Фигуре 8, либо с использованием цилиндрического выступающего элемента, поддерживаемого шлемом 3.
Гибкая конструкция сухих электродов крепится к выступающим элементам посредством упругих лент, которые могут быть выполнены, например, из резины или ткани. Гибкая поверхность, используемая для установки электродов, может представлять собой упругую прокладку, на которой расположена гибкая конструкция сухих электродов, по аналогии с вариантом осуществления, представленным на Фигурах 1-3. Эта упругая прокладка закреплена на упругой ленте, соединенной с двумя выступающими элементами 7. В другом варианте осуществления монтаж реализуется посредством двух упругих лент 31, каждая из которых соединяет одну сторону гибкой конструкции сухих электродов с выступающими элементами 7, как показано на Фигуре 9. Таким образом, в данном случае гибкая поверхность 10 (упругая прокладка) установлена между двумя упругими лентами 31. Если используется другая пара выступающих элементов, установка второй упругой ленты (пары упругих лент) может быть выполнена тем же способом, что и в случае первой пары.
В варианте осуществления, который включает в себя цилиндрический выступающий элемент, имеются радиальные упругие ленты, поддерживающие конструкцию сухих электродов. Кроме того, для удерживания конструкции сухих электродов вместо упругих лент может использоваться упругий элемент эллиптической формы, установленный на нижней части цилиндрического вступающего элемента.
В то время как изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в предшествующем описании, такое представление и описание следует рассматривать лишь как иллюстративное и приведенное в качестве примера, но не ограничивающее; само изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.
В этой связи следует отметить, что вместо матриц электродов могут использоваться индивидуальные электроды, установленные на упругой ленте. Кроме того, устройство может представлять собой нечто отличное от шлемофона, например ленту Alice, шапочку, шлем, очки и т.д. Электроды могут также использоваться для измерения ЭКГ, ЭМГ и ЭОГ.
Изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения, специалисты в данной области техники смогут внести изменения в раскрытые варианты осуществления. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного числа. Тот факт, что определенные мероприятия приведены в разных зависимых пунктах формулы изобретения, не говорит о том, что сочетание этих мероприятий не может быть использовано с выгодой. Ни одна из ссылочных позиций в формуле изобретения не должна рассматриваться как ограничивающая объем изобретения.