Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратно-компьютерным системокомплексам, которые используют биоинформационные индикаторы в виде сигналов мозга и мышц человека в робототехнических средствах реабилитации людей с нарушениями функции мозга и центральной нервной системы. Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека содержит электроды для снятия мышечных сигналов, подключенные через восемь энцефалограммных каналов к блоку усиления мышечных сигналов, электроды для снятия мозговых сигналов, подключенные через четыре миографических канала к блоку усиления мозговых сигналов и закрепленные на шлеме для фиксации электродов для снятия мозговых сигналов, при этом блок усиления мышечных сигналов и блок усиления мозговых сигналов выполнены с возможностью передачи сигнала по асинхронному последовательному протоколу в вычислительную систему, выполненную на кристалле для цифровой обработки сигнала и снабженную блоком беспроводной связи с внешним исполнительным устройством робототехнического средства реабилитации человека. Использование изобретения позволяет расширить арсенал средств для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области нейромедицины, а именно к аппаратно-компьютерным системокомплексам, которые используют биоинформационные индикаторы в виде сигналов мозга и мышц человека в робототехнических средствах реабилитации людей с нарушениями функции мозга и центральной нервной системы.

Разработка эффективных систем управления исполнительными устройствами, использующих интеллектуальные функции человека, безусловно, относится к наиболее актуальным и динамично развивающимся прикладным направлениям нейронаук, в первую очередь нейрореабилитологии.

На сегодняшний день в этой области основным направлением является разработка робототехнических средств, в которых задачи управления исполнительным устройством решаются с помощью интерфейсов, использующих биоинформационные индикаторы (например, сигналы мышечной активности или данные регистрации активности мозга).

Измеряя степень активации мышечной системы пациента, биоэлектрические устройства для управления робототехническими средствами реабилитации человека позволяют адаптировать интенсивность механической роботизированной ассистенции движениям пользователя, одновременно активируя механизмы биологической обратной связи, что способствует более продуктивному процессу реабилитации.

На настоящий момент известны инвазивные интерфейсы, вживляемые в мозг и тело человека и непосредственно взаимодействующие с нейронами и мышцами.

Самый очевидный недостаток «инвазивных подходов» состоит в том, что при использовании «контактного» варианта интерфейса существует медицинская проблема - большая вероятность инфицирования.

Кроме того, электроды, внедренные в мозг, повреждают ткани, причем разрушение происходит не только в момент введения электрода, но и при его нахождении в мозге, а в месте его внедрения образуется рубцовая ткань, которая ухудшает контакт и, как следствие, техническую эффективность самого интерфейса.

Известны также не инвазивные системы, использующие в своей работе сигналы, снятые внешними электродами и позволяющие измерять степень активации мышечной системы пациента и адаптировать интенсивность механической роботизированной ассистенции движениям пользователя (например, «Муо» (https://www.myo.com/).

Данная система, представляющая собой программно-аппаратный комплекс для регистрации биоэлектрической сигналов от мышц предплечья человека, позволяет осуществлять трансляцию набора движений рукой и передачу их в виде управляющих команд по беспроводному интерфейсу семейства Bluetooth.

Недостатком указанной системы являются ее ограниченные функциональные возможности с точки зрения системной реабилитации неврологического больного.

Известны также биоэлектрические системы для управления робототехническими средствами (получившие название «социальные роботы») расширенного направления реабилитации человека, которые представляют собой робототехническую платформу (зачастую антропоморфную), предназначенную для удовлетворения потребностей человека в общении, социализации, выполнения удаленной работы.

Эти системы технически обеспечивают возможность трансляция управляющих и информационных сигналов различных модальностей (визуальной, аудиальной, тактильной и др.) по направлению от пациента к удаленным объектам.

При этом решается задача социальной реабилитации пациента в плане самообслуживания, однако эти устройства, как правило, решают узкую конкретную задачу и являются только одним из аспектов реабилитационного процесса.

Для решения задачи повышения системности реабилитации людей с ограниченными возможностями необходимо обеспечить не только детектирование, распознавание и усиление биоэлектрических сигналов человеческого организма от мышц и головного мозга, но и трансляцию этих сигналов, в виде управляющих команд, на внешние исполнительные устройства.

Данному требованию частично отвечает система «Мицар-ЭЭГ-Порто» (http://www.mitsar-eeg.ru/page.php?id=portable), основанная на регистрации, измерении и хранении биоэлектрических сигналов от мозга человека в энергонезависимой памяти ЭВМ.

Недостатком указанной системы является то, что она не содержит составной части, выполняющей распознавание биоэлектрических сигналов от мышц человека.

Система также не предусматривает возможности распознавания паттернов мозговой активности и их трансляции в управляющие команды внешнему исполнительному устройству.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению задачи управления робототехническими средствами реабилитации человека и достигаемому результату является система для регистрации и усиления сигналов биоэлектрической активности от мышц и мозга человека («RHD2000-Series Amplifier Evaluation System») (http://www.intantech.corn/RHD2000_evaluation system.html).

Известная система «RHD2000-Series Amplifier Evaluation System» (прототип) состоит из 1) интерфейсной платы для передачи на персональный компьютер по USB-интерфейсу данных после вторичной цифровой обработки сигналов от мышц и мозга человека; 2) кабеля для передачи по последовательному синхронному интерфейсу цифровых данных с плат усиления мышечных и мозговых сигналов; 3) набора плат для детектирования и усиления сигналов мышечной мозговой активности. Интерфейсная плата способна подключить до 4-х плат усиления.

Недостатками прототипа является то, что данная система обладает низкой вероятностью правильного распознавания паттернов мышечной и мозговой активности человека и низкой эффективностью цифровой фильтрации артефактов, что приводит к некорректной интерпретации сигналов биоэлектрической активности человека.

Кроме того, основным недостатком данной системы является отсутствие средств и функции обеспечения автоматического управления робототехническим средством реабилитации человека.

Задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является разработка системы для автоматического биоэлектрического управления робототехническими средствами реабилитации человека с физическими, интеллектуальными и социальными ограниченными возможностями.

Поставленная задача решается тем, что в системе для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека, включающей комплекс для детектирования и усиления биоэлектрических сигналов от мышц и от мозга человека; бортовое вычислительное устройство для сохранения и преобразования биоэлектрических сигналов в цифровой код, передаваемый по интерфейсу, и устройство для отображения полученной информации, комплекс для детектирования и усиления биоэлектрических сигналов содержит встроенный микроконтроллер и последовательный асинхронный интерфейс; бортовое вычислительное устройство для сохранения и преобразования биоэлектрических сигналов использует систему на кристалле и содержит процессоры общего назначения и цифровой обработки сигнала; устройство для отображения полученной информации соединено с внешним исполнительным устройством блоком беспроводной связи.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является способность системы к распознаванию индивидуальных паттернов мышечной и мозговой активности человека и реконфигурированию для автоматического формирования управляющей команды на внешнее устройство управления робототехническим средством реабилитации человека.

Новизна заявляемого изобретения подтверждается тем, что по доступной научной и практической информации для решения поставленной задачи предлагаемое техническое решение не использовалось, а так как предлагаемое решение обеспечивает наличие свойств, не совпадающих со свойствами известных решений, то оно обладает изобретательским уровнем.

Упомянутые признаки являются существенными, т.к. они необходимы и достаточны для решения поставленной задачи - разработать систему для автоматического управления робототехническими средствами реабилитации человека с физическими, интеллектуальными и социальными ограниченными возможностями.

Существенность отличительных признаков изобретения состоит в том, что достигается новый положительный эффект, а именно в системе для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека:

- Биоэлектрическое устройство для управления робототехническими средствами реабилитации человека для динамического управления в дискретном или пропорциональном режимах связано с внешним исполнительным устройством с применением биологической обратной связи и одновременно способно формировать управляющие команды посредством сигналов от мышц и от мозга человека.

- Предлагаемая система способна к реконфигурированию для управления одним и тем же внешним исполнительным устройством посредством сигналов от мышц и от мозга, а также наоборот, и способна обучиться и настроиться под конкретного человека, с учетом его анатомических особенностей.

Для этого оптимальное расположение электродов для детектирования сигналов от мышц человека выбирают посредством программной настройки.

- Предлагаемая система также способна параллельно детектировать, усиливать в 4-х каналах сигналы от мышц человека и в 8-ми каналах от мозга человека распознавать по ним не менее 6 типов паттернов мышечной активности с вероятностью не менее 70% и 4 типов паттернов мышечной активности с вероятностью не менее 80%.

- Устройство для обработки биоэлектрических сигналов способно адаптивно устанавливать порог детектирования на основе статистики сигнала от мышц человека в каждом канале и сравнение паттернов, в том числе по частотному профилю и вейвлет коэффициентам осциллограммы.

- За счет программного используемого обеспечения система способна выполнять пространственно-временную фильтрацию и идентификацию всплесков активности мозга, а также ослабление глазных артефактов не менее чем на 20 дБ и миографических артефактов не менее чем на 10 дБ.

Предлагаемая система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека отражена на блок-схеме на Фиг. 1, где

1 - набор электродов для снятия мышечных сигналов,

2 - набор электродов для снятия мозговых сигналов,

3 - блок усиления мозговых сигналов,

4 - блок усиления мышечных сигналов,

5 - бортовая вычислительная система (с блоком связи и устройством для отображения полученной информации в виде интерфейса),

6 - шлем для фиксации набора электродов для снятия мозговых сигналов.

Систему для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека используют следующим образом.

На одно из предплечий человека крепят набор электродов (1) в составе 12 штук. Эти 12 электродов формируют 4 миографических канала. Электромиографические сигналы, принятые электродами (1), по проводам передают в блок (4) для усиления, оцифровки, первичной цифровой обработки сигналов и преобразования в необходимый формат для передачи по асинхронному последовательному протоколу в бортовую вычислительную систему (5).

Для приема электроэнцефалограммных сигналов от мозга человека на голову человека надевают шлем (6), размер которого настраивают под конкретного человека. На шлем крепят набор электродов (2) в составе 10 штук. Эти 10 электродов формируют 8 энцефалограммных каналов. Сигналы, принятые электродами (2), по проводам передают в блок (3) для усиления, оцифровки, первичной цифровой обработки сигналов и преобразования в необходимый формат для передачи по асинхронному последовательному протоколу в бортовую вычислительную систему (5). Бортовая вычислительная система (5) предназначена для вторичной обработки и электромиографических сигналов и электроэнцефалограммных сигналов в составе: обучение устройства под конкретного человека, распознавание до 6-ти паттернов мышечной активности, распознавание до 4-х паттернов мозговой активности, формирование управляющих команд для выбранного числа внешних исполнительных устройств.

После установки всех необходимых электродов и соединения всех блоков нового устройства прилагаемыми кабелями включают питание на каждом из блоков нового устройства.

1. Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека, содержащая электроды для снятия мышечных сигналов, подключенные через восемь энцефалограммных каналов к блоку усиления мышечных сигналов, электроды для снятия мозговых сигналов, подключенные через четыре миографических канала к блоку усиления мозговых сигналов и закрепленные на шлеме для фиксации электродов для снятия мозговых сигналов, при этом блок усиления мышечных сигналов и блок усиления мозговых сигналов выполнены с возможностью передачи сигнала по асинхронному последовательному протоколу в вычислительную систему, выполненную на кристалле для цифровой обработки сигнала и снабженную блоком беспроводной связи с внешним исполнительным устройством робототехнического средства реабилитации человека.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что включает 12 электродов для снятия мышечной активности.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что включает 10 электродов для снятия мозговой активности.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вычислительная система соединена с устройством для отображения информации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии, интервенционной аритмологии и кардиохирургии. Способ определения электроанатомического субстрата при контактном картировании высокой плотности эндокардиальной поверхности левого предсердия для стратификации риска рецидива фибрилляции предсердий после циркулярной изоляции легочных вен у пациентов с пароксизмальной и персистирующей фибрилляцией предсердий включает контактное картирование высокой плотности и трехмерную реконструкцию левого предсердия.

Изобретение относится к области медицины, а именно к эндокринологии. Для неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови человека по электрическим характеристикам кожи и ткани проводят определение действительного значения концентрации глюкозы крови по калибровочной глюкосименсграмме (ГСГ), тождественной экспериментальному эквиваленту за счет оптимизации ее предельных параметров: глюкозы и проводимости структуры, - нормированными значениями границ адаптивного диапазона известных пациентов: глюкозы и диффузионными проводимостями с кратным отношением, вольтамперных характеристик (ВАХ) с оптимальными параметрами: диффузионным напряжением и диффузионным током, которые калибруют по измеренным токам, заданным двумя напряжениями и бинарным, по которым находят диффузионные проводимости пациентов как отношение диффузионных параметров их вольтамперных характеристик.

Изобретения относятся к медицинской технике. Носимое пользователем портативное устройство содержит датчик проводимости кожи для измерения проводимости кожи пользователя и устройство оценки уровня кортизола.

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии, кардиохирургии, функциональной диагностике. Для определения ударного объема сердца проводят наложение двух электродов на участки тела, регистрацию сопротивления R между электродами при снятии реограммы (РГ), измерение гемоглобина крови Hb.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для улучшения качества сна содержит измеритель электродермальной активности субъекта (14) с выделением фаз сна по величине электрического сопротивления и сигналов кожно-гальванической реакции (КГР), подключенный к паре накожных электродов (241) генератор стимулирующих электрических импульсов (24), измеритель мышечного тонуса (16), подключенный к монитору (211) блок видеостимуляции (21), подключенный к электроакустическому преобразователю (222) блок аудиостимуляции (22) и блок пробуждающей стимуляции (23).

Изобретение относится к области медицины, а именно к области проведения психофизиологических исследований, например анализа психофизиологических реакций человека, и может быть использовано в медицинских целях, функциональной диагностике, педагогике, психологии, судебной практике и криминалистике.

Изобретение относится к области медицины. Для определения составляющих импеданса биологического объекта осуществляют подачу на биообъект импульса стабилизированного тока I и измерение напряжения u.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для мониторинга уровня стресса у пациента. Проводят регистрацию, измерение и анализ показателей кожной проводимости.

Изобретение относится к медицине и нефрологии и может быть использовано для определения наполненности мочевого пузыря. Накладывают электроды на кожу в области нахождения мочевого пузыря.

Изобретение относится к сенсорному устройству. Сенсорное устройство содержит ремешок, включающий в себя по меньшей мере один датчик для измерения физиологического параметра на внутренней стороне запястья тела человека или животного и блок обработки сигналов для обработки выходных данных измерения, полученного от упомянутого по меньшей мере одного датчика.
Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и может быть использовано для лечения амблиопии у детей. Для этого проводят электроэнцефалографию с определением амплитуды альфа-ритма.
Изобретение относится к области медицины, а именно к офтальмологии. Регистрируют электроэнцефалограмму (ЭЭГ) до лечения и определяют показатель спектральной мощности тета-активности в отведениях F8 и F7 относительно референтного объединенного ушного электрода.
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 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 неонатологии и неврологии. Методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) проводят исследование головного мозга во время спокойного естественного дневного сна у доношенных детей в возрасте 7-14-ти дней или у недоношенных в скорректированном возрасте 40-42-й недели.

Изобретение относится к области медицины, а именно к неврологии. Регистрируют показатели: спектрального анализа электроэнцефалограмм (ЭЭГ), кросскорреляционной функции ЭЭГ, зрительных и слуховых вызванных потенциалов, когнитивных вызванных потенциалов, амплитуду волны условно-негативного отклонения, среднее время простой зрительно-моторной реакции, среднее время межударного интервала теппинг-теста, амплитуду максимального F-ответа, отношение максимального F-ответа к М-ответу, латентность максимального F-ответа, показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР), характеристики усредненного значения легочной вентиляции, частоты дыхания, уровня кислорода в выдыхаемом воздухе, парциального давления углекислоты в выдыхаемом воздухе, уровня энерготрат.

Изобретение относится к области медицины, а именно к неврологии. Определяют показатели частоты альфа-колебаний электроэнцефалограммы (ЭЭГ), межпиковой амплитуды когнитивного вызванного потенциала P300, средней частоты тэппинг-тестА, среднего квадратичного отклонения вариабельности сердечного ритма (ВСР).

Изобретение относится к области медицины, а именно к неврологии. Определяют показатели: частоты альфа-колебаний и кросскорреляционной функции электроэнцефалограммы, межпиковой амплитуды N75P100 зрительного вызванного потенциала, межпиковой амплитуды N2P3 когнитивного вызванного потенциала Р300, а также показатели времени простой зрительно-моторной реакции и среднего квадратичного отклонения вариабельности сердечного ритма, зарегистрированных у пациентов с эпилепсией при стандартных условиях.

Предлагаемое изобретение относятся к медицине, а именно к анестезиологии и реаниматологии. Выполняют сочетанную анестезию.

Изобретение относится к медицине, а именно к восстановительной медицине, онкологии, физиотерапии. Предварительно регистрируют электроэнцефалограмму (ЭЭГ).

Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии, и может быть использовано как электрокардиографический способ диагностики состояния сердца. Устанавливают электроды, регистрируют электрокардиосигналы.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратно-компьютерным системокомплексам, которые используют биоинформационные индикаторы в виде сигналов мозга и мышц человека в робототехнических средствах реабилитации людей с нарушениями функции мозга и центральной нервной системы. Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека содержит электроды для снятия мышечных сигналов, подключенные через восемь энцефалограммных каналов к блоку усиления мышечных сигналов, электроды для снятия мозговых сигналов, подключенные через четыре миографических канала к блоку усиления мозговых сигналов и закрепленные на шлеме для фиксации электродов для снятия мозговых сигналов, при этом блок усиления мышечных сигналов и блок усиления мозговых сигналов выполнены с возможностью передачи сигнала по асинхронному последовательному протоколу в вычислительную систему, выполненную на кристалле для цифровой обработки сигнала и снабженную блоком беспроводной связи с внешним исполнительным устройством робототехнического средства реабилитации человека. Использование изобретения позволяет расширить арсенал средств для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх