Устройство мозг-машинного интерфейса для дистанционного управления экзоскелетными конструкциями


G06F3/01 - Вводные устройства для передачи данных, подлежащих преобразованию в форму, пригодную для обработки в вычислительной машине; выводные устройства для передачи данных из устройств обработки в устройства вывода, например интерфейсы (пишущие машинки B41J; преобразование физических переменных величин F15B 5/00,G01; получение изображений G06T 1/00,G06T 9/00; кодирование, декодирование или преобразование кодов вообще H03M; передача цифровой информации H04L)

Владельцы патента RU 2661756:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (RU)

Изобретение относится к информационным технологиям и нейрофизиологии и может быть использовано для мозг-машинного интерфейса. Устройство выполнено в виде носимого беспроводного устройства с возможностью регистрации электрофизиологических и биометрических параметров оператора. Устройство содержит модуль регистрации электроэнцефалограммы, модуль регистрации электроокулограммы, модуль регистрации электромиограммы, модуль регистрации двигательной активности, модуль обработки, выполненный с возможностью обработки измеряемых сигналов методом слияния и сопоставления двигательной активности с электрофизиологическими параметрами оператора. Устройство выполнено также с возможностью формирования и беспроводной передачи управляющих сигналов на экзоскелетные конструкции о предполагаемом движении в режиме реального времени. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики устройства мозг-машинного интерфейса, обеспечить мобильность и повысить точность управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к информационным технологиям и нейрофизиологии. Изобретение может быть использовано для обеспечения человека нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, восполняющими и дополняющими двигательные функции.

Известно изобретение «Мозг-компьютерный интерфейс» (JP4876988, опубликовано 25.09.2008 г.). Устройство осуществляет запись сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для управления компьютером.

Однако использование только ЭЭГ сигналов ограничивает функциональные возможности системы, поскольку существует целый ряд проблем, связанных с извлечением характерных свойств из необработанного ЭЭГ сигнала, и с корректной классификацией этих свойств на их основе. Одним из вариантов преодоления указанных недостатков может стать использование гибридного мозг-компьютерного интерфейса (МКИ), в котором сигналы головного мозга дополняются иными биологическими сигналами. Использование всех доступных пользователю биологических каналов позволит улучшить точность и эффективность управления, особенно для пациентов с нейромускулярными заболеваниями.

Недостатками устройства являются неудобство использования из-за отсутствия мобильности устройства, а также недостаточная точность управления из-за отсутствия сопоставления сигналов ЭЭГ с сигналами электромиограммы (ЭМГ) и электроокулограммы (ЭОГ), и сигналами двигательной активности (пульсовой волны и температуры).

Известно «Настраивающееся устройство для идентификации мозговых волн, настраивающийся метод и компьютерная программа» (Патент РФ № 2410026, опубликован 27.01.2011 г.). Недостатками устройства являются неудобство использования из-за отсутствия мобильности устройства, а также недостаточная точность управления из-за отсутствия сопоставления сигналов ЭЭГ с сигналами ЭМГ и ЭОГ, и сигналами двигательной активности (пульсовой волны и температуры).

Известен «Способ и устройство для мозг-компьютерного интерфейса», выбранные в качестве прототипа (патент на изобретение США №9211078, опубликован 15.12.2015 г.). Изобретение содержит устройство для снятия ЭЭГ и алгоритм распознавания команд ЭЭГ и передачи в виде функциональных команд. Недостатками устройства являются неудобство использования из-за отсутствия мобильности устройства и недостаточная точность управления из-за отсутствия сопоставления сигналов ЭЭГ с сигналами ЭМГ и ЭОГ, и сигналами двигательной активности (пульсовой волны и температуры).

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет обеспечения мобильности и повышения точности управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, восполняющими и дополняющими двигательные функции человека, за счет реализации в носимом устройстве возможности, обеспечения регистрации и обработки электрофизиологических и биометрических параметров, а также возможности управления и организации мультимодальной обратной связи.

Технический результат достигается в носимом беспроводном устройстве, выполненном с возможностью регистрации электрофизиологических и биометрических параметров оператора, содержащем модуль регистрации ЭЭГ, модуль регистрации ЭОГ, модуль регистрации ЭМГ, модуль регистрации двигательной активности, содержащий гироскоп и акселерометр, модуль определения поверхностной температуры и модуль регистрации фотоплетизмограммы (ФПГ), энергонезависимую память для хранения информации, аккумулятор для работы устройства без использования проводов, модуль обработки, выполненный с возможностью обработки измеряемых сигналов методом слияния и сопоставления двигательной активности с электрофизиологическими параметрами оператора, выполненный также с возможностью формирования управляющих сигналов для экзоскелетных конструкций, а также модуль для беспроводной передачи управляющей информации на экзоскелетные конструкции о предполагаемом движении в режиме реального времени.

Устройство работает следующим образом.

Для снятия ЭЭГ используются чашечные электроды, выполненные из серебра (Ag/AgCl), размещаются при помощи шапочки. Электроды для ЭЭГ закрепляют на голове оператора по схеме с биполярным отведением, электроды закрепляют на затылке, референтные электроды закрепляют на мочках ушей, и используются следующие режимы получения сигнала ЭЭГ:

фильтр низких частот 30 Гц;

фильтр высоких частот 0,5 Гц;

режекторный фильтр 50 Гц;

развертка по оси Х 30 мм/с;

развертка по оси Y 50 мкВ/мм;

сигнал ЭЭГ регистрируют в виде частот ритмов (альфа — 8—13 Гц, бета — 14—40 Гц, тета — 4—8 Гц, дельта — 0,5—3 Гц, гамма — выше 40 Гц), например альфа-ритмы;

Электроды для ЭОГ (пластинчатые электроды из Ag/AgCl) закрепляют на висках, около правого глаза и на лбу по схеме с биполярным отведением, и для получения сигналов ЭОГ используют следующие параметры:

фильтр низких частот 40 Гц;

фильтр высоких частот 1 Гц;

режекторный фильтр 50 Гц;

развертка по оси Х 15 мм/с;

развертка по оси Y 50 мкВ/мм;

сигнал ЭОГ регистрируют путем регистрации движения глаз;

Электроды для ЭМГ (пластинчатые электроды из Ag/AgCl) закрепляют около мышцы, с которой необходимо получить сигнал, например мышца бедра, по схеме с биполярным отведением;

расстояние между электродами составляет 5 см;

используют следующие режимы получения сигнала ЭМГ:

фильтр низких частот 100 Гц;

фильтр высоких частот 1 Гц;

режекторный фильтр 50 Гц;

развертка по оси Х 120 мм/с;

развертка по оси Y 10 мкВ/мм;

сигнал ЭМГ регистрируют путем регистрации сокращения мышцы.

Для измерения ЭКГ используют датчик ФПГ, в котором поверхность кожи оператора вблизи кровеносных сосудов освещается светодиодом, и в зависимости от отраженного света, меняется ток на фототранзисторе, входящем в состав датчика ФПГ. Поскольку значение тока меняется в режиме реального времени, строят функцию зависимости напряжения от времени U(t), график которой представляет собой пульсовую волну. Для удаления шумов и сглаживания кривой данные напряжения фильтруют аппаратно с помощью фильтра низких частот. Методом скользящей средней проводят математическую обработку графика пульсовой волны для сглаживания и последующего удобства визуализации, кроме этого, функцию U(t) возводят в квадрат и дифференцируют. В итоге, получают график ФПГ, который имеет ту же форму, что и график электрокардиограммы (ЭКГ), по которому можно проводить медицинские исследования и диагностику.

Данные с модуля регистрации двигательной активности поступают на процессор для численной обработки данных осей координат с акселерометра, по изменению углов Эйлера определяется положение частей тела оператора в пространстве.

С помощью модуля регистрации ЭЭГ измеряется электрическая активность головного мозга оператора, отводимая с кожи головы оператора. С помощью модуля регистрации ЭМГ измеряются биоэлектрические потенциалы, возникающие в скелетных мышцах оператора. С помощью модуля регистрации ЭОГ измеряются биопотенциалы во время движения глазного яблока оператора. С помощью модуля определения поверхностной температуры определяется температура тела оператора. С помощью модуля регистрации двигательной активности, включающего гироскоп и акселерометр, определяется двигательная активность оператора по изменению углов Эйлера. Методом ФПГ измеряется пульс и ЭКГ оператора. Полученные данные регистрируются в графическом виде и в цифровом виде, что позволяет организовать в устройстве мультимодальную обратную связь. Для увеличения точности передаваемых намерений оператора электромеханическому устройству, в устройство предварительно загружена программа, обеспечивающая обработку сигналов методом слияния с возможностью выбора весов всех полученных в устройстве электрофизиологических и биометрических параметров оператора.

Таким образом, в устройстве обеспечивается мобильность и повышение точности управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, за счет реализации в носимом устройстве возможности, обеспечения регистрации и сопоставления большого числа электрофизиологических и биометрических параметров оператора, а также возможности управления и организации мультимодальной обратной связи.

1. Устройство мозг-машинного интерфейса, характеризующееся тем, что выполнено в виде носимого беспроводного устройства, выполненного с возможностью регистрации электрофизиологических и биометрических параметров оператора, содержащего модуль регистрации электроэнцефалограммы, модуль регистрации электроокулограммы, модуль регистрации электромиограммы, модуль регистрации двигательной активности, модуль обработки, выполненный с возможностью обработки измеряемых сигналов методом слияния и сопоставления двигательной активности с электрофизиологическими параметрами оператора, выполненный также с возможностью формирования и беспроводной передачи управляющих сигналов на экзоскелетные конструкции о предполагаемом движении в режиме реального времени.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что модуль регистрации двигательной активности содержит гироскоп и акселерометр.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит энергонезависимую память для хранения информации, а также модуль определения поверхностной температуры и модуль регистрации фотоплетизмограммы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит аккумулятор для работы устройства без использования проводов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронным устройствам. Технический результат заключается в повышении точности распознавания непреднамеренных касаний экрана.

Изобретение относится к области информационных технологий. Технический результат направлен на сокращение количественного повторения push-информации в случае идентичности их контента на панели управления.

Группа изобретений относится к средствам отображения информации. Технический результат – одновременное отображение разнесенных на расстоянии элементов информации документа.

Изобретение относится к области вывода синхронизированного содержимого на дисплей. Техническим результатом является повышение точности вывода синхронизированного содержимого на дисплей в соответствии с близостью или прикосновением пользователя.

Изобретение относится к средствам визуализации совмещенной реальности. Технический результат заключается в обеспечении точного формирования изображений совмещенной реальности.

Изобретение относится к изменяющемуся светодиодному дисплейному экрану, который содержит множество светодиодных модулей и множество монтажных узлов, расположенных между соседними светодиодными модулями и выполненных с возможностью соединения светодиодных модулей вместе для образования дисплейного экрана.

Изобретение относится к области выбора устройства интерфейса пациента с использованием 3-D моделей. Технический результат – повышение точности выбора подходящего устройства интерфейса пациента для пациента.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в обеспечении перемещения содержимого страницы.

Изобретение относится к указательным устройствам. Технический результат заключается в обеспечении приспосабливаемости "мыши" под требования пользователя, максимальной ремонтопригодности и быстрой и легкой модернизируемости, обеспечении естественного положения кисти руки пользователя, надежности функционирования, снижении габаритов и веса.

Изобретение относится к устройству обработки изображений. Технический результат заключается в повышении точности формирования описания изображения.

Изобретение относится к области средств и методов опытных, испытательных и экспериментальных исследований по определению параметров эффективности биомеханических антропоморфных средств перераспределения массы носимого груза (пассивных экзоскелетов), технический результат которого направлен на снижение числа экспериментальных опытов, с одновременным получением объективных и достоверных данных, характеризующих работу конструкции экзоскелета по перераспределению массы носимого груза с оператора экзоскелета на его опорную часть.
Изобретение относится к спортивной медицине, физической культуре и спорту и предназначено для тренировки взаимодействия группы спортсменов. Световым излучателем программно-аппаратного комплекса (ПАК), в состав которого входит система контроля местоположения тренирующихся, формируют светодинамические зоны (СДЗ), которые являются обязательным местом пребывания тренирующихся.

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике в стоматологии, и может быть использовано перед проведением и/или в ходе проведения стоматологического вмешательства.
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии. Мобильный телефон устанавливают в области передней поверхности крыла подвздошной кости.

Изобретение относится к медицине, а именно к терапии и пульмонологии, и может быть использовано при проведении прогнозирования обострений бронхиальной астмы (БА) у больных с ожирением.
Способ диагностики и развития координационных способностей человека, включающий использование программно-аппаратного комплекса (ПАК), содержащего средства видеоконтроля действий человека и средства визуализации контента на поле его действий, отличающийся тем, что на плоском или с заданным рельефом горизонтальном поле проекционными средствами визуализируют в заданном месте, заданной конфигурации и размера световую координационную лестницу.

Изобретение относится к области медицинской диагностики и может быть использовано при проведении физиологического и психофизиологического мониторинга работоспособности и надежности специалистов опасных профессий.

Изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии и ортодонтии, и может быть использовано при определении формы зубной дуги по индивидуальным морфометрическим параметрам лица, и при диагностике и определении тактики ортодонтического лечения пациентов в период прикуса постоянных зубов.
Изобретение относится к способам тренировки технико-тактических действий спортсменов в игровых видах спорта. Технический результат достигается тем, что тренер или спортсмен выбирает программу, задающую режим игры-тренировки на поле со светодинамической подсветкой.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам для извлечения физиологической информации из дистанционно детектируемого электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного объектом изучения.
Изобретение относится к области медицины и представляет собой способ прогнозирования делирия после проведения обширных абдоминальных операций, включающий определение уровня постоянного потенциала (ПП), отличающийся тем, что уровень ПП определяют в послеоперационном периоде непосредственно после окончания центрального действия анестетиков, восстановления сознания и нейромышечной проводимости, и при его значении от -15,0 мВ до -29,9 мВ определяют низкий риск частоты возникновения послеоперационного гипо- или гиперактивного делирия; при уровне ПП -30 мВ и ниже прогнозируют средний риск гиперактивного делирия; а при значениях ПП от -14,9 мВ и выше – высокий риск возникновения гипоактивного делирия.

Изобретение относится к информационным технологиям и нейрофизиологии и может быть использовано для мозг-машинного интерфейса. Устройство выполнено в виде носимого беспроводного устройства с возможностью регистрации электрофизиологических и биометрических параметров оператора. Устройство содержит модуль регистрации электроэнцефалограммы, модуль регистрации электроокулограммы, модуль регистрации электромиограммы, модуль регистрации двигательной активности, модуль обработки, выполненный с возможностью обработки измеряемых сигналов методом слияния и сопоставления двигательной активности с электрофизиологическими параметрами оператора. Устройство выполнено также с возможностью формирования и беспроводной передачи управляющих сигналов на экзоскелетные конструкции о предполагаемом движении в режиме реального времени. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики устройства мозг-машинного интерфейса, обеспечить мобильность и повысить точность управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями. 3 з.п. ф-лы.

Наверх