Устройство для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к магнитомиографической регистрации сигналов биоэлектрической активности человека. Устройство для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности содержит два измерительных канала, каждый из которых включает высокочувствительный магниторезистивный датчик, отличающееся тем, что в каждом из измерительных каналов к высокочувствительному магниторезистивному датчику последовательно подключены фильтр верхних частот с частотой среза 10 Гц, малошумящий прецизионный усилитель и фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц, при этом фильтр нижних частот одного канала подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а фильтр нижних частот другого канала - к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя. Использование изобретения позволяет расширить арсенал средств для регистрации мышечной активности. 2 ил.

 

Устройство для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности

Изобретение относится к области магнитомиографической регистрации сигналов биоэлектрической активности человека и может использоваться для неинвазивной регистрации слабых магнитных полей, порождаемых электрическими токами в мышечных тканях при напряжении мышц в системах детектирования биоэлектрических сигналов, а также для исследований в области биомедицины и создания экзоскелетных систем управления на основе данных мышечной активности.

Магнитомиография, основанная на измерении биомагнитных полей мышц, является актуальной отраслью сложившегося в настоящее время научно-практического направления - биомагнетизма.

В регуляторных процессах организма принимают участие электрические токи и электромагнитные поля биологического происхождения. Благодаря успехам современной техники стало возможным регистрировать очень слабые магнитные поля, характеризующие определенный биологический процесс. Область науки на стыке биологии и физики, изучающая магнитные поля биологического происхождения, получила название биомагнетизм.

Основной ветвью современного биомагнетизма можно считать направление, связанное с регистрацией магнитных полей, порождаемых переменными биотоками. Почти все зарегистрированные в этом направлении биомагнитные феномены имеют аналоги в биоэлектрических явлениях - кардиография, миография, энцефалография и т.п. (см., например, книгу авторов Холодова Ю.А., Козлова А.Н. и Горбача A.M. «Магнитные поля биологических объектов». М., «Наука», 1987).

Главным преимуществом неинвазивной регистрации биомагнитных явлений в сравнении с биоэлектрическими является отсутствие необходимости в контакте с кожей человека. Данная особенность позволяет, в частности, проводить измерения биомагнитных полей сердца, мышц, мозга плода при беременности.

Уровень техники в области измерения магнитных полей скелетных мышц характеризуется ограниченным количеством научных публикаций. Измерение магнитных полей активно применяется при исследовании активности мозга и сердца, но значительно более редко в регистрации мышечной активности (см., например, статью на англ. яз. авторов Garcia М., Baffa О. «Magnetic fields from skeletal muscles: a valuable physiological measurement? » - Frontiers in physiology. 2015, v. 6, p. 228).

Регистрация мышечной активности, основанная на неинвазивном измерении электрической составляющей биоэлектрических сигналов в мышечной ткани с помощью бесконтактных емкостных датчиков (см., например, описание изобретения ((Differential non-contact biopotential sensor» по заявке US 20140249397, А61В 5/0492, 2014), в настоящем описании не рассматривается как выходящая за его рамки в связи с ограничением технической задачи предлагаемой группы изобретений методикой измерения магнитной составляющей биоэлектрических сигналов в мышечной ткани.

Известны метод и оборудование для его реализации, изложенные в описании изобретения на англ. яз. «agnetic study of bioelectric phenomena» по патенту US 3557777, A61B 5/04, A61B 5/10, H05K 9/00, G01R 33/02, 1971.

Этот метод основан на использовании для неинвазивного измерения магнитной составляющей биоэлектрических сигналов в мышечной ткани в качестве магнитного датчика сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (СКВИДа - см., например, описание изобретения по патенту РФ 2133525, H01L 39/22, H01L 39/24, G01R 33/035, 1999), погруженного для повышения чувствительности и достижения состояния сверхпроводимости в жидкий гелий. Необходимость использования жидкого гелия и проведения измерений в магнитоэкранированной комнате являются недостатками данных метода и оборудования.

В качестве прототипа заявляемого устройства для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности выбрано лишенное указанных недостатков предыдущего аналога известное устройство, включающее измерительные каналы, каждый из которых включает высокочувствительный магниторезистивный датчик, усилитель, фильтр и дифференциальный датчик, изложенные в описании изобретения на англ. яз. «Systems, articles, and methods for gesture indentification in wearable electromyuography devaces» по патенту US 9367139, G06F 3/01, G06F 3/0346, 2016 (US 2015/169074 A1).

При этом актуальна разработка новых и эффективных устройств для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности на основе магниторазностного определения мышечной активности, обеспечивающего повышение технологичности способа и доступности устройства за счет использования удобных в эксплуатации двух высокочувствительных магниторезистивных датчиков, снижающих габариты и стоимость устройства.

Поэтому техническим результатом предлагаемого изобретения послужило расширение арсенала средств регистрации мышечной активности.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности, содержащем два измерительных канала, каждый из которых включает высокочувствительный магниторезистивный датчик, в каждом из измерительных каналов к высокочувствительному магниторезистивному датчику последовательно подключены фильтр верхних частот с частотой среза 10 Гц, малошумящий прецизионный усилитель и фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц, при этом фильтр нижних частот одного канала подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а фильтр нижних частот другого канала - к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, осуществляющего метод магниторазностного определения регистрации мышечной активности; на фиг. 2 - пример записи мышечной активности, полученной в виде осциллограммы.

Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) содержит образующие первый измерительный канал магниторезистивный датчик (далее сенсор) 1, подключенный через фильтр верхних частот 2 с частотой среза 10 Гц к входу операционного усилителя 3, подсоединенного своим выходом к входу фильтра нижних частот 4 с частотой среза 500 Гц, который (на выходе первого измерительного канала) своим выходом подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя 5, и образующие второй измерительный канал магниторезистивный датчик (далее сенсор) 6, подключенный через фильтр верхних частот 7 с частотой среза 10 Гц к входу операционного усилителя 8, подсоединенного своим выходом к входу фильтра нижних частот 9 с частотой среза 500 Гц, который (на выходе второго измерительного канала) подключен к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя 5, выход которого является выходом предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

Магнитное поле скелетных мышц, создаваемое протекающими по мышечным волокнам ионными токами при сокращении мышц, детектируется магниторезистивными сенсорами 1 и 6, каждый из которых состоит из двух независимых резисторных мостов, а также имеет два дифференциальных выхода.

Причем магнитная ось моста В находится в плоскости корпуса микросхемы и направлена вдоль контактных ног микросхемы. Магнитная ось моста А также лежит в плоскости корпуса, но направлена под углом 45 градусов к оси моста В. Так как по особенностям устройства сенсора необходима только ось, лежащая вдоль контактных ног микросхемы, необходимости в использовании моста А нет.

На выходе магниторезистивных сенсоров 1 и 6 появляется зависимость напряжения от интенсивности поля вдоль магнитной оси моста, которая содержит в себе информацию о магнитном поле мышечных волокон, геомагнитном поле земли и электромагнитных помехах.

Сигнал с выхода магниторезистивных сенсоров 1 и 6 поступает на входы фильтров верхних частот 2 и 7 (с частотой среза 10 Гц), соответственно, которые удаляют из сигнала постоянную составляющую, обусловленную постоянным магнитным полем земли, и низкочастотные компоненты, вызванные смещением датчика относительно мышц.

Сигнал с выходов фильтров верхних частот 2 и 7 поступает на входы малошумящих прецизионных усилителей 3 и 8, соответственно, основная задача которых - предусиление сигналов. Сигнал с выходов малошумящих прецизионных усилителей 3 и 8 поступает на входы фильтров нижних частот 4 и 9 (с частотой среза 500 Гц) соответственно, основная задача которых состоит в уменьшении общего уровня шума на входах инструментального прецизионного усилителя (дифференциального операционного усилителя) 5. Сигнал с выхода фильтра нижних частот 4 поступает на неинвертирующий вход, а с выхода фильтра нижних частот 9 - на инвертирующий вход инструментального прецизионного усилителя 5, который усиливает разность между сигналами на своих входах. За счет вычисления разности из сигналов удаляется одинаковая компонента, содержащая информацию о магнитных полях, порожденных далекими источниками электромагнитного поля.

При этом:

В обоих каналах измерения фильтр верхних частот (2 и 7) предназначен для удаления из сигнала постоянной составляющей, возникающей в связи с особенностями конструкции магниточувствительного элемента, уменьшения влияния на схему постоянного магнитного поля земли, а так же артефактов движения (низкочастотных импульсов), обусловленных изменением геометрических размеров мышцы в результате ее сокращения, является фильтром верхних частот 2-го порядка и представляет собой две последовательно включенных Г-образных CR цепочки, причем данный фильтр имеет, как было указано, частоту среза 10 Гц по уровню -3 дБ;

В обоих каналах измерения фильтр нижних частот (4 и 9) предназначен для частичного ограничения полосы пропускания устройства (что необходимо для выделения полезного сигнала на фоне высокочастотных электромагнитных помех, обусловленных работой окружающей бытовой техникой, а также сигналами радиоэфира), является фильтром нижних частот 2-го порядка и представляет собой две последовательно включенных Г-образных RC цепочки, причем данный фильтр имеет, как было указано, частоту среза 500 Гц по уровню -3 дБ.

В результате применения указанных фильтров верхних и нижних частот полоса пропускания устройства составляет от 10 Гц до 500 Гц и соотношение сигнал/шум на выходе дифференциального операционного усилителя 5 составляет 6 дБ, что является достаточным для анализа и дальнейшего использования полезного сигнала. Частоты среза фильтров выбраны исходя из экспериментальных данных, представленных в статье на англ. яз. авторов Cohen D., Givler Е. «Magnetomyography: magnetic fields around the human body produced by skeletal muscles» - Appl. Phys. Lett. 1972, v. 21, №3, p. 116, fig.3.

Таким образом на выходе усилителя 5 содержится информация о магнитном поле скелетных мышц в виде напряжения, пропорционального величине магнитного поля, которое в свою очередь пропорционально силе ионных токов, вызванных сокращением мышечных волокон.

Осциллограмма, полученная в результате записи мышечной активности (см. фиг. 2) с помощью оборудования: осциллографа цифрового Tektronix DPO 4054 и лабораторного источника питания Matrix MPS-3005LK-3, хорошо согласуется с примером записи в статье на англ. яз. авторов Cohen D., Givler Е. «Magnetomyography: magnetic fields around the human body produced by skeletal muscles» - Appl. Phys. Lett. 1972, v. 21, №3, p. 115, fig. 2 и подтверждает работоспособность предлагаемого устройства, осуществляющего метод магниторазностного определения мышечной активности.

Устройство для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности, содержащее два измерительных канала, каждый из которых включает высокочувствительный магниторезистивный датчик, отличающееся тем, что в каждом из измерительных каналов к высокочувствительному магниторезистивному датчику последовательно подключены фильтр верхних частот с частотой среза 10 Гц, малошумящий прецизионный усилитель и фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц, при этом фильтр нижних частот одного канала подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а фильтр нижних частот другого канала - к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к медицине, а именно к наркологии, анестезиологии и психотерапии, и может быть использовано для лечения метадоновой зависимости. Для этого проводят премедикацию, анестезию, детоксикацию и введение антагониста наркотика.

Изобретение относится к медицинской технике. Радиоканальная система кардиомониторинга и предупреждения критических ситуаций содержит носимые дисплей, блок звукового оповещения, клавиатуру и радиомодем мегагерцового диапазона, а также носимый телеметрический прибор.

Изобретение относится к области медицины, а именно к физиологии и гигиене труда. Регистрируют электрофизиологические показатели и определяют: мощность тета-колебаний ЭЭГ в отведении F3 в мкВ2/с2, частоту кросскорреляционной функции ЭЭГ в отведении F3-F4, межпиковую амплитуду N2P3 когнитивного вызванного потенциала Р300 в Cz в мкВ, амплитуду условно-негативного отклонения (УНВ) в Cz в мкВ и среднее квадратичное отклонение вариабельности сердечного ритма в мс.

Изобретение относится к области медицины, а именно к физиологии и гигиене труда. Регистрируют электрофизиологические показатели и определяют: мощность тета-колебаний ЭЭГ в отведении F3 в мкВ2/с2, частоту кросскорреляционной функции ЭЭГ в отведении F3-F4, межпиковую амплитуду N2P3 когнитивного вызванного потенциала Р300 в Cz в мкВ, амплитуду условно-негативного отклонения (УНВ) в Cz в мкВ и среднее квадратичное отклонение вариабельности сердечного ритма в мс.

Изобретение относится к области медицины, а именно к физиологии и гигиене труда. Регистрируют электрофизиологические показатели и определяют: мощность тета-колебаний ЭЭГ в отведении F3 в мкВ2/с2, частоту кросскорреляционной функции ЭЭГ в отведении F3-F4, межпиковую амплитуду N2P3 когнитивного вызванного потенциала Р300 в Cz в мкВ, амплитуду условно-негативного отклонения (УНВ) в Cz в мкВ и среднее квадратичное отклонение вариабельности сердечного ритма в мс.

Изобретение относится к медицине, а именно к способу выбора метода оказания экстренной кардиологической помощи. Способ включает определение: электрокардиосигнала (ЭКС): стандартное отклонение средних значений кардиоциклов (SDANN), отношение волн низкой и высокой частоты (LF/HF), вариабельность интервала QT (varQT) и фракции выброса (ФВ) в течение суток, с расчетом коэффициента К прогноза степени тяжести аритмического синдрома по формуле: К=-4,518+0,02ФВ+0,037SDANN+0,049LF/HF-0,019varQT.

Изобретение относится к медицине, а именно к способу выбора метода оказания экстренной кардиологической помощи. Способ включает определение: электрокардиосигнала (ЭКС): стандартное отклонение средних значений кардиоциклов (SDANN), отношение волн низкой и высокой частоты (LF/HF), вариабельность интервала QT (varQT) и фракции выброса (ФВ) в течение суток, с расчетом коэффициента К прогноза степени тяжести аритмического синдрома по формуле: К=-4,518+0,02ФВ+0,037SDANN+0,049LF/HF-0,019varQT.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам управления реабилитационными механотренажерами. Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека заключается в закреплении конечности в механотренажере, измерении электромиографического сигнала на поверхности конечности при ненапряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей и при напряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей, усилении и преобразовании аналогового сигнала в цифровой, и формировании для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам управления реабилитационными механотренажерами. Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека заключается в закреплении конечности в механотренажере, измерении электромиографического сигнала на поверхности конечности при ненапряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей и при напряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей, усилении и преобразовании аналогового сигнала в цифровой, и формировании для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к нейрореабилитационным тренажерам. Устройство управления нейрореабилитационным тренажером верхней конечности человека содержит сенсорные датчики измерения электромиографического сигнала, расположенные на сгибательных и разгибательных поверхностях плеча и предплечья и подключенные через последовательно установленные блок регистрации и обработки электромиографического сигнала и блок фильтрации шумов электромиографического сигнала к входу блока выделения частоты электромиографического сигнала, блок принятия решения о движении в соответствии с зарегистрированным электромиографическим сигналом, подключенный через блок управления приводами к приводам верхней конечности, при этом блок выделения частоты электромиографического сигнала связан с блоком принятия решения через параллельно подключенные блоки определения фоновой мощности электромиографического сигнала и определения активной мощности электромиографического сигнала.
Изобретение относится медицине. Проводят исследование микроциркуляторного русла с помощью инфракрасного термометра и спектрокапилляроскопа в режиме объемной визуализации с последующим 3D-моделированием микрососудистого русла.

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской экологии, гигиенической диагностике. Изобретение может быть использовано для прогнозирования риска развития синдрома вегето-сосудистой дисфункции (СВД) у детей школьного возраста 7-17 лет.

Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии, аллергологии, функциональной диагностике, и может быть использовано для ранней диагностики бронхиальной астмы у лиц старше 18 лет.

Изобретение относится к области психофизиологии и предназначено для определения непроизвольного внимания с помощью дискриминационной чувствительности у детей младшего школьного возраста с нарушениями речи.

Изобретение относится к медицине, а именно к педиатрии, эндокринологии и токсикологии, и может быть использовано для диагностики нарушений физического развития детей, проживающих в условиях комплексного низкоуровневого загрязнения среды обитания тяжелыми металлами.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно для измерения частоты пульса пациента. Микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу содержит микроконтроллер, светодиод, фотоприемник, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника, катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера, второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, выход RC-фильтра подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму выводу первого резистора подключен выход первого широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания микроконтроллера, при этом датчик пульса дополнительно содержит конденсатор, подключенный к светодиоду параллельно, второй широтно-импульсный модулятор микроконтроллера, подключенный выходом к входу радиопередатчика с двухуровневой амплитудной манипуляцией.

Изобретение относится к медицинской технике. Радиоканальная система кардиомониторинга и предупреждения критических ситуаций содержит носимые дисплей, блок звукового оповещения, клавиатуру и радиомодем мегагерцового диапазона, а также носимый телеметрический прибор.
Изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии, предназначено для использования при оценке регионарного кровотока в тканях пародонта. Осуществляют исследования с помощью индивидуальной капы и фиксированными в гибком кабеле измерительными электродами и соединенными пайкой и расположенными кзади от них токовыми проводами тетраполярной системы, для чего с исследуемого участка челюсти пациента снимают альгинатный оттиск для изготовления индивидуальной капы.

Изобретение относится к медицине, а именно к педиатрии, пульмонологии и аллергологии. Определяют частоту острого респираторного заболевания (ЧОРЗ).

Группа изобретений относится к медицине и может быть использована для неинвазивного определения концентраций, содержащихся в крови гемоглобина и кислорода. Облучают биологическую ткань поочередно в любой последовательности оптическим излучением первого диапазона длин волн, включающего значение 700 нм, второго диапазона длин волн, включающего значение 880 нм, и третьего диапазона длин волн, включающего значение 960 нм.

Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии. Больному с низкой фракцией выброса левого желудочка (СНнФВ) в стабильной фазе заболевания на фоне оптимальной медикаментозной терапии определяют частоту дыхательных движений, уровень систолического артериального давления, измеренного на 3-5 минуте ортостаза, содержание лимфоцитов и ширину распределения эритроцитов по объему в сыворотке крови и возраст пациента, в котором дебютировала клиника СНнФВ. Вычисляют Z по оригинальной формуле. При Z>-1,7 прогнозируют выживаемость менее 1 года, при Z≤-1,7 - более 1 года. Способ позволяет на амбулаторном этапе медицинской помощи прогнозировать с высокой точностью выживаемость больных СНнФВ. Способ может применяться у пациентов с СНнФВ неклапанной этиологии в возрасте от 18 до 70 лет. 2 пр., 1 табл.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к магнитомиографической регистрации сигналов биоэлектрической активности человека. Устройство для измерения магнитного поля скелетных мышц при определении мышечной активности содержит два измерительных канала, каждый из которых включает высокочувствительный магниторезистивный датчик, отличающееся тем, что в каждом из измерительных каналов к высокочувствительному магниторезистивному датчику последовательно подключены фильтр верхних частот с частотой среза 10 Гц, малошумящий прецизионный усилитель и фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц, при этом фильтр нижних частот одного канала подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а фильтр нижних частот другого канала - к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя. Использование изобретения позволяет расширить арсенал средств для регистрации мышечной активности. 2 ил.

Наверх