DE102023130047A1

DE102023130047A1 - Berührungslose körper- und kopfbasierte überwachung der elektrischen aktivität des gehirns

Info

Publication number: DE102023130047A1
Application number: DE102023130047.4A
Authority: DE
Inventors: Peter A. Freer; Gwen K. Freer
Original assignee: Freer Logic Inc
Current assignee: Freer Logic Inc
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2023-10-31
Publication date: 2024-05-02
Also published as: KR20240063037A

Abstract

Gerät und Verfahren zum Überwachen der elektrischen Aktivität innerhalb des Gehirns einer Person („Gehirnwellen“), die Elektroden oder anderen Sensoren einsetzen, die in der Nähe von Abschnitten des Körpers unterhalb des Kopfes platziert sind, um Rohsignale zu entwickeln, ohne den Körper physisch zu berühren und Haare und Kleidung zu durchdringen. Darüber hinaus ein Gerät und Verfahren zum Überwachen der elektrischen Aktivität innerhalb des Gehirns einer Person („Gerhirnwellen“), die berührungslose Sensoren einsetzen, die in der Nähe von Abschnitten des Kopfes angebracht sind, um Rohsignale zu entwickeln. Die Rohsignale werden gefiltert, um Analysesignale zu produzieren, die Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind, während nicht in Beziehung stehende Frequenzkomponenten gedämpft werden. Das Gerät und die Verfahren können für Biofeedback-basiertes Aufmerksamkeitstraining, menschliches Leistungstraining, Spiele, Biometrie, Detektion kognitiver Zustände und Entspannungstraining verwendet werden. Es werden entweder drahtgebundene oder drahtlose Signalverbindungen zu elektronischen Schaltkreisen hergestellt, die typischerweise einen digitalen Computer einschließen, um Signalverarbeitungs- und Analysefunktionen durchzuführen.

Description

EINBEZIEHUNG DURCH BEZUGNAHME
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der am 26. April 2017 eingereichten US-Anmeldung Nr. 15/497,734 , die die Vorteile der am 29. April 2016 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/329,259 „Non-Contact Body and Head-Based Monitoring of Brain Electrical Activity“ beansprucht, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten sind.
HINTERGRUND
Die hierin bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient zu dem Zweck, den Kontext der Offenbarung allgemein zu präsentieren. Arbeiten der gegenwärtig genannten Erfinder, soweit die Arbeit in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Einreichung möglicherweise nicht als Stand der Technik gelten, werden weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung anerkannt.
Der Begriff Elektroenzephalographie (EEG) bezieht sich im Allgemeinen auf die Messung der vom Gehirn produzierten elektrischen Aktivität, die über auf der Kopfhaut einer Person angebrachte Elektroden gemessen oder aufgezeichnet wird. Die resultierenden elektrischen Signale von den Elektroden werden entsprechend als EEG-Signale bezeichnet und basieren auf der elektrischen Aktivität innerhalb des Gehirns einer Person. Solche elektrische Aktivität wird gemeinhin als „Hirnwellen-“ Aktivität bezeichnet. Ein verwandter Begriff, Elektroenzephalogramm, bezieht sich auf eine grafische Aufzeichnung, die von einem EEG produziert wird.
Es wurde ein System zur Benennung von Punkten auf der Kopfhaut oder dem Kopf entwickelt, an denen EEG-Elektroden angebracht sind. So wird das internationale „10-20“ -System häufig verwendet, um die Lage der EEG-Kopfhautelektroden für die Standardisierung zu beschreiben. Das 10-20-System basiert auf der Oberflächenplatzierung der Elektrode und ihrer Beziehung zu dem darunter liegenden Bereich der Großhirnrinde. Die „10“ und „20“ beziehen sich auf die tatsächlichen Entfernungen zwischen benachbarten Elektroden als entweder 10 % oder 20 % des gesamten vorderen-hinteren oder rechten-linken Abstands des Schädels. Weiter werden die Buchstaben F, T, C, P und O, die für Frontal, Temporal, Central, Parietal und Occipital stehen, zum Identifizieren des Lappens verwendet, über dem der Sensor platziert ist. Weiter wird eine Zahl verwendet, um die Lage der Hemisphäre zu identifizieren. Gerade Zahlen (2, 4, 6, 8) beziehen sich auf Elektrodenpositionen auf der rechten Hemisphäre, ungerade Zahlen (1, 3, 5, 7) beziehen sich auf Elektrodenpositionen auf der linken Hemisphäre.
ZUSAMMENFASSUNG
Aspekte der Offenbarung beziehen sich auf die Überwachung der elektrischen Aktivität innerhalb eines Gehirns oder Körpers einer Person, die in einer Entfernung ohne Berührung mit dem Gehirn oder dem Körper der Person zu Zwecken wie z. B., aber nicht beschränkt auf, Biofeedback-basiertes Aufmerksamkeitstraining, Überwachung des kognitiven Zustands, Überwachung von Emotionen, Überwachung von Schläfrigkeit, Überwachung von Stress, Überwachung der kognitiven Belastung, menschliches Leistungstraining, Spiele und Entspannungstraining erfasst wird.
Ein Aspekt der Offenbarung kann eine berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Aktivität bereitstellen, die von einem Gehirn einer Person erzeugt wird. Die Vorrichtung kann einen berührungslosen Sensor einschließen, der konfiguriert sein kann, um elektrische Signale zu detektieren, die elektrische Signale einschließen, die vom Gehirn der Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu treten. Die Vorrichtung kann weiter eine mit dem berührungslosen Sensor gekoppelte Verstärkungsvorrichtung einschließen, die konfiguriert ist, um Analysesignale zu erzeugen, die der vom Gehirn der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors erzeugten elektrischen Aktivität entsprechen, indem sie Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale dämpft, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, während sie Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale verstärkt, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen. Die berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung kann auch einen Prozessor einschließen, der konfiguriert ist, um das Analysesignal zu analysieren, um Muster in dem Analysesignal zu detektieren, die einem Zustand der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors entsprechen.
In weiteren Aspekten der Offenbarung kann die berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung einen Zustand der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors detektieren, der mindestens einen von einem emotionalen Zustand, einem kognitiven Belastungszustand und einem Wachheitszustand der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors einschließt. Weiter, wenn der Prozessor ein Muster detektiert, das einem vorbestimmten Zustand der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors entspricht, kann der Prozessor ein Aktionssignal an eine andere Vorrichtung übertragen, um eine nachfolgende Aktion durchzuführen.
Die berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung gemäß der Offenbarung kann einen Prozessor einschließen, der konfiguriert ist, um das Analysesignal zu analysieren, um Muster in dem Analysesignal zu detektieren, die einer Aktivität der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors entsprechen. Die Aktivität der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors kann das Bewegen eines Kopfes einer Person in einer bejahenden oder verneinenden Geste einschließen. Weiter kann die Aktivität der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors das Bewegen eines Kopfes oder eines Körpers einer Person in oder aus der Nähe des berührungslosen Sensors einschließen, so dass die berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung detektiert, ob ein von dem berührungslosen Sensor überwachter Raum von der Person entsprechend besetzt oder unbesetzt ist. Wenn der Prozessor ein Muster detektiert, das einer Aktivität der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors entspricht, kann der Prozessor außerdem ein Aktionssignal an eine andere Vorrichtung übertragen, um eine nachfolgende Aktion durchzuführen.
Ein Aspekt der Offenbarung kann auch eine berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung einschließen, bei der der berührungslose Sensor in mindestens eine Kopfstütze, einen Sitz, einen Ständer oder ein Visier integriert ist. Weiter kann der berührungslose Sensor entfernt von einem Kopf der Person und in der Nähe von mindestens einem aus Hals, Rücken und Gesäß der Person angeordnet sein. Der berührungslose Sensor kann in einer Stabarray-Konfiguration oder einer konzentrischen Ringarray-Konfiguration konfiguriert werden.
Zusätzliche Aspekte der Offenbarung können eine berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung bereitstellen, bei der die Verstärkungsvorrichtung weiterhin einen Hochpassfilter einschließen kann, der mit dem berührungslosen Sensor gekoppelt ist und der konfiguriert ist, um ein erstes gefiltertes Signal durch Dämpfen von Niederfrequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale zu erzeugen. Die Verstärkungsvorrichtung kann auch einen ersten Verstärker einschließen, der mit dem Hochpassfilter gekoppelt ist und der konfiguriert ist, um ein erstes verstärktes Signal zu erzeugen, indem Komponenten des ersten gefilterten Signals verstärkt werden, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen. Die Verstärkungsvorrichtung kann weiter einen zweiten Verstärker einschließen, der mit dem ersten Verstärker gekoppelt ist und der konfiguriert ist, um ein zweites verstärktes Signal durch Verstärken von Komponenten des ersten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen. Die Verstärkungsvorrichtung kann auch einen Tiefpassfilter einschließen, der mit dem zweiten Verstärker gekoppelt ist und der konfiguriert ist, um ein zweites gefiltertes Signal durch Dämpfen von Hochfrequenzkomponenten des zweiten verstärkten Signals zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen kann die Verstärkungsvorrichtung einen dritten Verstärker einschließen, der mit dem Tiefpassfilter gekoppelt ist und der konfiguriert ist, um das Analysesignal durch Verstärken von Komponenten des zweiten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen.
Weitere Aspekte der Offenbarung stellen eine Vorrichtung zum Überwachen einer elektrischen Aktivität bereit, die von einem Gehirn einer Person erzeugt wird. Die Vorrichtung schließt ein Array aus einer Vielzahl von berührungslosen Sensoren ein, wobei jeder der berührungslosen Sensoren konfiguriert ist, um elektrische Signale bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW) zu detektieren, die vom Gehirn der Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu kommen, wobei jeder der berührungslosen Sensoren an einem externen Objekt angebracht ist, das konfiguriert ist, um berührungslos zu sein, und während der Verwendung von der Person getrennt ist, wobei jeder der berührungslosen Sensoren mindestens eine Trockenelektrode oder ein berührungsloser Biopotentialsensor in Form einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ist, und wobei jeder der berührungslosen Sensoren innerhalb des Arrays angeordnet ist, um eine Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen eines Kopfes der Person aufzunehmen. Jeder der Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array ist konfiguriert, um die elektrischen Signale innerhalb verschiedener Frequenzbänder zu detektieren, und das Array aus der Vielzahl von berührungslosen Sensoren ist konfiguriert, um die elektrischen Signale in einem Abstand von 10 bis 36 Inches von der Person zu detektieren. Die Vorrichtung schließt weiter eine Verstärkungsvorrichtung ein, die mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelt ist, die konfiguriert ist, um Analysesignale zu erzeugen, die den elektrischen Signalen entsprechen, die vom Gehirn der Person produziert werden, indem Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale gedämpft werden, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, während Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale verstärkt werden, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts weisen die verschiedenen Frequenzbänder ein Delta-Band mit einer Frequenz von bis zu 3 Hz, ein Theta-Band mit einer Frequenz zwischen 4 Hz und 8 Hz, ein Alpha-Band mit einer Frequenz zwischen 12 Hz und 30 Hz und ein Gamma-Band mit einer Frequenz zwischen 26 Hz und 100 Hz auf.
Weiterhin kann in der Vorrichtung des obigen Aspekts die Verstärkungsvorrichtung Folgendes einschließen: einen Hochpassfilter, der mit dem Array aus der Vielzahl der berührungslosen Sensoren gekoppelt ist, wobei der Hochpassfilter konfiguriert ist, um ein erstes gefiltertes Signal zu erzeugen; einen ersten Verstärker, der konfiguriert ist, um das erste gefilterte Signal von dem Hochpassfilter zu empfangen und ein erstes verstärktes Signal zu erzeugen; einen zweiten Verstärker, der konfiguriert ist, um das erste verstärkte Signal von dem ersten Verstärker zu empfangen und ein zweites verstärktes Signal zu erzeugen; einen Tiefpassfilter, der konfiguriert ist, um das zweite verstärkte Signal von dem zweiten Verstärker zu empfangen und ein zweites gefiltertes Signal zu erzeugen; einen dritten Verstärker, der konfiguriert ist, um das zweite gefilterte Signal von dem Tiefpassfilter zu empfangen und die Analysesignale zu erzeugen; und einen Analog-Digital-Wandler, der konfiguriert ist, um die Analysesignale von dem dritten Verstärker zu empfangen und die Analysesignale zu digitalisieren.
Weiterhin schließt die Vorrichtung des obigen Aspekts einen Prozessor ein, der konfiguriert ist, um einen Algorithmus auf die Analysesignale anzuwenden, um Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die einem Zustand der Person entsprechen.
Weiter, in der Vorrichtung des obigen Aspekts, schließt der Zustand der Person mindestens einen von einem emotionalen Zustand, einem kognitiven Belastungszustand, einem Ermüdungsgrad, einem Schläfrigkeitsgrad, einem Aufmerksamkeitsgrad und einem Wachheitszustand der Person ein, und der Prozessor ist konfiguriert, um den Zustand der Person basierend auf den detektierten elektrischen Signalen innerhalb der verschiedenen Frequenzbänder zu bestimmen, indem der Algorithmus für jeden Zustand der Person ausgeführt wird.
Weiter, in der Vorrichtung des obigen Aspekts, wenn der Prozessor ein Muster detektiert, das einem vorbestimmten Zustand der Person entspricht, überträgt der Prozessor ein Aktionssignal an eine andere Vorrichtung, um eine nachfolgende Aktion durchzuführen.
Weiter schließt die Vorrichtung des obigen Aspekts auch einen gleichen oder anderen Prozessor ein, der konfiguriert ist, um die Analysesignale zu analysieren, um Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die einer Aktivität der Person entsprechen.
Weiter schließt im obigen Aspekt die Aktivität der Person ein, das Bewegen des Kopfes der Person in einer bejahenden Geste oder einer verneinenden Geste ein. Die Aktivität der Person schließt auch das Bewegen des Kopfes oder eines Körpers der Person ein, so dass die Vorrichtung detektiert, ob ein von den berührungslosen Sensoren überwachter Raum von der Person entsprechend besetzt oder unbesetzt ist.
Wenn der Prozessor im obigen Aspekt die Muster detektiert, die der Aktivität der Person entsprechen, überträgt der Prozessor ein Aktionssignal an eine andere Vorrichtung, um eine nachfolgende Aktion durchzuführen.
Weiter sind in der Vorrichtung des obigen Aspekts die berührungslosen Sensoren vom Kopf der Person entfernt, aber in der Nähe von mindestens einem von Hals, Rücken und Gesäß der Person lokalisiert. Die berührungslosen Sensoren können konfiguriert sein, um mindestens eine von einer Stabkonfiguration und einer konzentrischen Ringkonfiguration zu haben.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann der Hochpassfilter konfiguriert sein, um das erste gefilterte Signal durch Dämpfen von Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale zu erzeugen, wobei die gedämpften Frequenzkomponenten niedriger als eine erste Grenzfrequenz sind. Außerdem ist der erste Verstärker konfiguriert, um das erste verstärkte Signal durch Verstärken von Komponenten des ersten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen; der zweite Verstärker kann konfiguriert sein, um das zweite verstärkte Signal durch Verstärken der Komponenten des ersten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen; der Tiefpassfilter kann konfiguriert sein, um das zweite gefilterte Signal durch Dämpfen von Frequenzkomponenten des zweiten verstärkten Signals zu erzeugen, wobei die gedämpften Frequenzkomponenten höher als eine zweite Grenzfrequenz sind; und der dritte Verstärker kann konfiguriert sein, um die Analysesignale durch Verstärken von Komponenten des zweiten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen.
Weiter kann der Prozessor in der Vorrichtung des obigen Aspekts auch konfiguriert sein, um die Person aufzufordern, eine Kopfstütze auf eine maximale schützende Position einzustellen, basierend auf einer Variation der Signalstärke der elektrischen Signale, die von dem Array gemäß einer Position des Kopfes der Person detektiert werden, über ein auditives, visuelles oder haptisches Feedback. Der Prozessor kann weiter konfiguriert sein, um die Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array mechanisch einzustellen, um eine größte Signalstärke der elektrischen Signale zu erfassen, und um digitale und analoge Prozesse zu modifizieren, um die größte Signalstärke der elektrischen Signale in verschiedenen Abständen von der Kopfstütze zu erfassen.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann der Prozessor weiter konfiguriert sein, um das Rauschen der detektierten elektrischen Signale zu reduzieren, indem mindestens eine erste Welle einer Vielzahl von Wellen der detektierten elektrischen Signale um genau eine halbe Wellenlänge verzögert wird, Wellentäler mit Wellenbergen mindestens einer zweiten Welle der Vielzahl von Wellen in einem Neuro-Frequenzband abgeglichen werden, und eine Differenz zwischen einer Amplitude der ersten Welle und einer Amplitude der zweiten Welle berechnet wird.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren Schichten von symmetrischen oder asymmetrischen Leiterplatten mit Antenne einschließen, um Neuro-Signale aus größeren Entfernungen aufgrund einer vergrößerten Oberfläche zu erfassen. Die Verstärkungsvorrichtung, die mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelt ist, kann konfiguriert sein, um die Schichten der symmetrischen oder asymmetrischen Leiterplatten zu verstärken, um Neuro-Signale aus größeren Entfernungen zu erfassen.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann der Prozessor weiter konfiguriert sein, um die Analysesignale zu analysieren, um die Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die einem Zustand der Person über künstliche Intelligenz (KI) und/oder maschinelles Lernen entsprechen, und um Erfassen von Emotionen zu nutzen, um Inhalt und Betrieb des Fahrzeugs zu personalisieren, die die Leistung des Fahrzeugs basierend auf dem Zustand der Person verändern würden. Der Prozessor kann weiter konfiguriert sein, um mindestens einen Ermüdungsgrad oder einen Schläfrigkeitsgrad der Person über die Kl und/oder das maschinelle Lernen zu bestimmen und einen Alarm für die Person basierend auf dem mindestens einen Ermüdungsgrad oder dem Schläfrigkeitsgrad der Person bereitzustellen, wobei der Alarm mindestens eines aus einem haptischer Alarm, einem akustischen Alarm oder einem visuellen Alarm ist. Der Prozessor kann weiter konfiguriert sein, um zu bestimmen, dass sich mindestens eines aus dem Ermüdungsgrad oder dem Schläfrigkeitsgrad der Person nicht geändert hat, nachdem der Alarm für die Person bereitgestellt wurde, und um das Fahrzeug so zu steuern, dass es in einen sicheren Bereich anhält.
Weiter kann in der Vorrichtung des obigen Aspekts der Prozessor konfiguriert sein, um andere Vorrichtungen basierend auf dem bestimmten Zustand der Person zu steuern.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann der Tiefpassfilter ein Antialiasing-Filter sein, der ein Tiefpassfilter 8. Ordnung ist, der mit einer monolithischen Vorrichtung mit geschalteten Kondensatoren implementiert ist.
Auch kann die Vorrichtung des obigen Aspekts fünf oder sechs Arrays der Vielzahl von berührungslosen Sensoren einschließen.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann der erste Verstärker ein einstufiger Verstärker mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 73 sein, der zweite Verstärker kann ein Operationsverstärker mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 101 sein, und der dritte Verstärker kann ein Verstärker mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 2 sein.
Weiter kann in der Vorrichtung des obigen Aspekts der Prozessor konfiguriert sein, um eine Richtung des Kopfes der Person basierend auf einer Variation der Signalstärke, die von dem Array gemäß einer Position des Kopfes der Person detektiert wird, zu bestimmen.
In der Vorrichtung des obigen Aspekts kann der Prozessor auch konfiguriert sein, um den Algorithmus zu verwenden, um den Zustand der Person zu bestimmen, und den Algorithmus basierend auf dem Zustand der Person automatisch zu kalibrieren.
Aspekte der Offenbarung können auch ein Verfahren zum Überwachen elektrischer Aktivität bereitstellen, die von einem Gehirn erzeugt wird. Das Verfahren schließt ein: Detektieren, durch ein Array aus einer Vielzahl von berührungslosen Sensoren, von elektrischen Signalen bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW), die vom Gehirn einer Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu kommen, wobei die berührungslosen Sensoren an einem externen Objekt angebracht sind, das konfiguriert ist, um berührungslos zu sein, und während der Verwendung von der Person getrennt ist, wobei jeder der berührungslosen Sensoren mindestens einer von einer Trockenelektrode oder einem berührungslosen Biopotentialsensor in Form einer gedruckten Schalterplatte (PCB) ist, und wobei jeder der berührungslosen Sensoren innerhalb des Arrays angeordnet ist, um eine Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen eines Kopfes der Person aufzunehmen; Detektieren, durch jeden der Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array, der elektrischen Signale innerhalb verschiedener Frequenzbänder; Detektieren, durch das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren, der elektrischen Signale in einem Abstand von 10 bis 36 Inches von der Person; und Erzeugen, durch eine mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelte Verstärkungsvorrichtung, von Analysesignalen, die den vom Gehirn der Person produzierten elektrischen Signalen entsprechen, indem Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, gedämpft werden, während Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, verstärkt werden.
Weitere Aspekte der Offenbarung können auch ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium bereitstellen, das computerlesbare Anweisungen darauf speichert, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Verfahren zum Überwachen eines physiologischen Zustands einer Person mit einem Körper einschließlich eines Kopfes durchzuführen. Das Verfahren kann Folgendes einschließen: Detektieren, durch ein Array aus einer Vielzahl von berührungslosen Sensoren, von elektrischen Signalen bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW), die vom Gehirn einer Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu kommen, wobei die berührungslosen Sensoren an einem externen Objekt angebracht sind, das konfiguriert ist, um berührungslos zu sein, und während der Verwendung von der Person getrennt ist, wobei jeder der berührungslosen Sensoren mindestens einer von einer Trockenelektrode oder einem berührungslosen Biopotentialsensor in Form einer gedruckten Schalterplatte (PCB) ist, und wobei jeder der berührungslosen Sensoren innerhalb des Arrays angeordnet ist, um eine Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen eines Kopfes der Person aufzunehmen; Detektieren, durch jeden der Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array, der elektrischen Signale innerhalb verschiedener Frequenzbänder; Detektieren, durch das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren, der elektrischen Signale in einem Abstand von 10 bis 36 Inches von der Person; und Erzeugen, durch eine mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelte Verstärkungsvorrichtung, von Analysesignalen, die den vom Gehirn der Person produzierten elektrischen Signalen entsprechen, indem Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, gedämpft werden, während Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, verstärkt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen dieser Offenbarung, die als Beispiele vorgeschlagen werden, werden im Detail unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei gleiche Ziffern auf gleiche Elemente verweisen und wobei:

1 eine schematische Darstellung einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung ist;
2 eine schematische Darstellung einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung ist;
3 eine schematische Darstellung einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung ist;
4 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die auf den Hinterkopf einer Person gerichtet ist;
5 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die von einer Kopfstütze aus auf den Hinterkopf einer Person gerichtet ist;
6 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die von einer Sitzlehne auf den Rücken einer Person gerichtet ist;
7 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die auf die Hinterseite eines Halses einer Person gerichtet ist, ohne die Haut der Person zu berühren;
8 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die von einem Automobilvisier auf die Stirn einer Person gerichtet ist, ohne die Haut der Person zu berühren;
9 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die von einem Autodach aus auf die Oberseite eines Kopfes einer Person gerichtet ist, ohne die Haut der Person zu berühren;
10 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die auf das Gesäß einer Person gerichtet ist, ohne die Haut der Person von einem Sitzboden aus zu berühren;
11 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die auf eine Seite einer Person gerichtet ist, ohne die Haut der Person von einer Stütze aus zu berühren;
12 eine berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung illustriert, die von einer tragbaren Vorrichtung aus auf eine beliebige Stelle am Körper oder Kopf einer Person gerichtet ist, ohne die Haut der Person zu berühren;
13 A eine beispielhafte Stabarray-Sensorkonfiguration zur Verwendung mit einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gemäß der Offenbarung illustriert;
13 B eine beispielhafte konzentrische Ringarray-Sensorkonfiguration zur Verwendung mit einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gemäß der Offenbarung illustriert;
14 A eine beispielhafte berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung, die in der Nähe eines Benutzers positioniert ist, illustriert;
14 B ein beispielhaftes Signal illustriert, das von einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung detektiert werden kann, die in der Nähe eines Benutzers positioniert ist;
15 A eine beispielhafte berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung illustriert, die in der Nähe einer Person positioniert ist;
15 B ein beispielhaftes Signal illustriert, das von einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung detektiert werden kann, die in der Nähe eines Benutzers positioniert ist;
16 A beispielhafte Signale zeigt, die von einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung detektiert werden, wenn sich eine Person in der Nähe der Vorrichtung befindet; und
16 B beispielhafte Signale zeigt, die von einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung detektiert werden, wenn sich eine Person nicht in der Nähe der Vorrichtung befindet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Gerät und die Verfahren, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, können die Gehirnwellenaktivität eines Individuums überwachen, ohne dass Elektroden am Kopf oder Körper des Individuums angebracht werden. Wie in dieser Offenbarung beschrieben, können berührungslose Sensoren in der Nähe von Abschnitten des Kopfes oder des Körpers angebracht werden, ohne die Haut des Kopfes oder des Körpers zu berühren. Zum Beispiel können die berührungslosen Sensoren in einem Abstand von sechs oder mehr Inches vom Körper verwendet werden und ein EEG-Signal durch verschiedene Materialien wie Haare, Kleidung, Polsterung und dergleichen erhalten. Das Gerät und die Verfahren zum Überwachen von Gehirnwellen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, erfordern darüber hinaus keine Signalinjektion in ein Subjekt. Das Gerät und die Verfahren zum Überwachen von Gehirnwellen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, können weiter überall am Körper verwendet werden, um EEG-Signale zu erfassen, ähnlich wie der berühmte „Tricorder“ aus den Star Trek Fernsehserien.
In Ausführungsformen kann das Gerät in eine einzelne Vorrichtung oder in mehrere Vorrichtungen integriert werden, wobei die Sensoren drahtgebunden oder drahtlos mit elektronischen Schaltkreisen gekoppelt sein können, die typischerweise einen Prozessor einschließen, der konfiguriert ist, um Signalverarbeitungs- und Analysefunktionen durchzuführen. In einer solchen Ausführungsform kann eine auf den Körper ausgerichtete Halterung, die Sensoren einschließt, auf den Kopf oder den Körper eines Individuums gerichtet sein und mit einem separaten Prozessor in Kommunikation stehen, der konfiguriert ist, um eine Analyse, wie z. B. eine Signalverarbeitung, durchzuführen. Alternative Ausführungsformen können eine einzelne, in sich geschlossene Einheit einsetzen, die auf den Kopf oder Körper gerichtet ist, die alle Funktionen der Datensammlung, Signalverarbeitung und Analyse durchführt. Eine andere Ausführungsform setzt eine auf den Körper gerichtete Halterung, die auf den Kopf gerichtet ist, in Kommunikation mit einem separaten Analysecomputer ein. Eine andere Ausführungsform setzt eine einzelne, in sich geschlossene Einheit, die auf den Körper unterhalb des Kopfes gerichtet ist, ein, die alle Funktionen der Datensammlung, Signalverarbeitung und Analyse durchführt. Wie hierin beschrieben, kommt keine der Ausführungsformen mit der Haut des Körpers oder des Kopfes einer zu überwachenden Person in Berührung.
Untersuchungen des Gehirns haben ergeben, dass EEG-Signale eine Anzahl von Komponenten einschließen, einschließlich Signale, die aus rhythmischer Aktivität resultieren und innerhalb einer Anzahl von Frequenzbändern liegen. Die allgemein anerkannte Terminologie für Signale innerhalb dieser verschiedenen Frequenzbänder schließt Delta (bis zu 3 Hz), Theta (4 Hz bis 8 Hz), Alpha (8 Hz bis 12 Hz), Beta (12 Hz bis etwa 30 Hz) und Gamma (etwa 26 Hz bis 100 Hz) ein. Obwohl diese verschiedenen Gehirnwellensignale gleichzeitig und in Kombination produziert werden, ist das Frequenzband, innerhalb dessen die Signale zu einem beliebigen Zeitpunkt dominant (am stärksten) sind, ein Hinweis auf den Bewusstseinszustand einer Person oder auf ihren physiologischen Zustand der Person.
Als Beispiele produziert das Gehirn im Schlaf dominante langsame Deltawellen mit einem Frequenzbereich von bis zu 3 Hz. Diese haben in der Regel die höchste Amplitude und sind die langsamsten Wellen. Thetawellen im Frequenzbereich von 4 Hz bis 8 Hz werden üblicherweise mit Tagträumen, Dämmerschlaf oder Schläfrigkeit assoziiert. Alphawellen im Frequenzbereich von 8 Hz bis 12 Hz sind ein Zeichen für Entspannung. Beta-Wellen im Frequenzbereich von 12 Hz bis etwa 30 Hz werden mit aktivem Denken oder Wachheit assoziiert. Gamma-Wellen im Frequenzbereich von etwa 26 Hz bis 100 Hz repräsentieren der Theorie nach den Zusammenhalt verschiedener Populationen von Neuronen, die zusammenarbeiten, um ein Netzwerk zu bilden, zum Zweck des Ausführens einer bestimmten kognitiven oder motorischen Funktion. Aufgrund der Filtereigenschaften des Schädels und der Kopfhaut werden Gammawellen im Allgemeinen durch Verwenden von Elektroden aufgezeichnet, die direkt auf der freiliegenden Oberfläche des Gehirns durch ein invasives Verfahren, das als Elektrokortikographie (EKoG) bekannt ist und eine Kraniotomie erfordert, angebracht werden.
Die Signalerfassung zum Überwachen der elektrischen Aktivität innerhalb des Gehirns ist aus einer Vielzahl von Gründen auf die Verwendung von Elektroden beschränkt, die am menschlichen Kopf, und typischerweise an der Kopfhaut, angebracht sind. Die Elektrodenplatzierung auf dem Kopf kann aus einer Vielzahl von Gründen einschränkend sein. Falls eine Person zum Beispiel in einem Sport oder einer Bewegung aktiv ist, kann die elektrische Aktivität innerhalb des Gehirns unter Verwendung von kopfgebundenen EEG-Elektroden nicht genau überwacht werden, da die Bewegung des Kopfes während der Aktivität die Signalerfassung selbst stört, indem sie Artefakte kreiert. Bewegte Elektroden können die Signaleingabe/-ausgabe stören. Falls eine Person eine Kopfverletzung oder ein Schädel-Hirn-Trauma (TBI) aufweist, kann es auch sein, dass die Person aufgrund von Gewebeschäden nicht in der Lage ist, die am Kopf angebrachten Sensoren zu tragen. Für die Verwendung in einem Fahrzeug wurde die Anbringung von Elektroden am Kopf von der Öffentlichkeit abgelehnt. Der Berührung oder sogar die unmittelbare Nähe zur Kopfhaut, wie sie bei herkömmlichen kabelgebundenen EEG-Erfassungssensoren und modernen Kopfhörern für Verbraucher gegeben ist, hat dazu geführt, dass die Verwendung von EEG auf dem Verbrauchermarkt eher unattraktiv ist. Zum Beispiel können sie ein negatives Science-Fiction-Stereotyp verstärken, das eine einschüchternde oder beängstigende Wirkung suggeriert, die auf sichtbare Drähte am Kopf zurückzuführen ist.
Das hierin offenbarte Gerät kann insbesondere in den Bereichen der Überwachung von EEG-basiertem Biofeedback, der Detektion des kognitiven Zustands, der Detektion menschlicher Emotionen, der Detektion kognitiver Belastungszustände und der Detektion von Schläfrigkeit und Schlaf nützlich sein. Dies sind jedoch nur Beispiele und keine Beschränkungen. Dementsprechend können Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden, um Signale basierend auf der elektrischen Aktivität innerhalb des Gehirns einer Person für eine Vielzahl von Zwecken zu erfassen und zu analysieren.
Zum Beispiel kann das Gerät in Fahrzeugen, wie z. B. einem Auto oder Flugzeug, verwendet werden, um die Aufmerksamkeit/Ablenkung eines Fahrzeugführers zu detektieren. Darüber hinaus kann das Gerät verwendet werden, um den kognitiven Belastungszustand eines Fahrzeugführers zu messen, wie z. B. das Gleichgewicht zwischen dem Kurzzeitgedächtnis, das Informationen kurzzeitig speichert, und dem Arbeitsgedächtnis, das Informationen minimal verarbeitet, bevor sie im Langzeitgedächtnis abgelegt werden. Bei einem zu hohen kognitiven Belastungszustand, d. h. bei einer zu großen Menge an zu verarbeitenden Informationen, kann die Leistung des Fahrzeugführers beeinträchtigt werden. Dies kann die Fähigkeit des Fahrers einschließen, sicherheitskritische Ereignisse zu detektieren. Beitragende zur kognitiven Überlastung sind häufig in moderne Fahrzeuge eingeplant und können Infotainmentsysteme, Navigationssystem Telekommunikation und dergleichen einschließen. Diese Vorrichtungen können tödlich sein, wenn sie mit Ablenkung gekoppelt sind, die dadurch verursacht wird, dass man den Blick von der Straße abwendet, um mit solchen Vorrichtungen zu interagieren.
Das Gerät kann auch in Fahrzeugen verwendet werden, um die Schläfrigkeit des Betreibers zu detektieren. Herkömmliche Augendetektions- oder Okular-Techniken überwachen das Herabhängen der Augen und das Blinzeln der Augen, um Schläfrigkeit zu detektieren. Die Detektion durch diese Techniken kann oft zu spät erfolgen, da der Fahrer zu dem Zeitpunkt, an dem die Schläfrigkeit tatsächlich detektiert wird, dem Einschlafen sehr nahe ist. Das in dieser Offenbarung beschriebene Gerät weist das Potenzial auf, um Schläfrigkeit viel früher zu detektieren als die herkömmliche Okulartechnologie.
Weiter kann das Gerät verwendet werden, um Vorrichtungen zu steuern. Zum Beispiel kann das Gerät basierend auf einer detektierten Gehirnaktivität dazu verwendet werden, die Musik, die in einem Fahrzeug gespielt wird, basierend auf dem emotionalem Zustand des Fahrers zu ändern, die Lufttemperatur durch Überwachen des Stressgrades des Fahrers zu ändern, oder sogar die digitalen Anzeigen zu vereinfachen, sollte der kognitive Belastungszustand des Fahrers zu groß werden.
In einer Ausführungsform kann das Gerät in alles eingebaut werden, was in die Nähe einer zu überwachenden Person kommt, wie z. B. eine Kopfstütze eines Sitzes. Das Gerät ist in der Lage, ein berührungsloses Überwachen einer Person durchzuführen, die sich in einer gewissen Entfernung von dem Gerät befindet, zum Beispiel in einem Abstand von 10 Inches. Weiter weisen Materialien wie z. B. Turbane, Hüte, Haare und dergleichen kaum Auswirkungen auf die Signaldetektion auf. Wenn in eine Kopfstütze eingebaut, können relevante Abschnitte der Kopfstütze aus einem Material ausgewählt werden, das minimale elektromagnetische Interferenzen (EMI) verursacht.
In noch anderen Ausführungsformen kann das Gerät verwendet werden, um Gehirnwellenaktivitäten zu messen, die auf eine beliebige Aktivität hinweisen. Sobald eine Aktivität erfasst wird, kann das Gerät weitere Aktion auslösen. Zum Beispiel kann das Gerät in Kopfstützen platziert werden, um die Reaktionen auf ein Publikum zu überwachen, das ein neues Produkt sieht, wie z. B. während einer Produktpräsentation. Das Gerät kann auch in Kopfstützen von Casinos mit Videospielen platziert werden, zum Beispiel so, dass das Gerät Desinteresse detektieren kann, was dem Spiel erlaubt, sich selbst zu modifizieren und den Spieler länger auf dem Stuhl zu halten. Außerdem kann das Gerät in Matratzen platziert werden, wo es den Schlaf des Schläfers überwachen kann (passives Überwachen), und falls der Schläfer Schlaflosigkeit erfährt, kann es ihm erlauben, eine App zu steuern, zum Beispiel auf einem Tablet, PC oder Telefon, die helfen wird, das Schlafgehirnmuster zu induzieren, wodurch ihm/ihr erlaubt wird, einzuschlafen oder weiterzuschlafen. Weiter kann das Gerät in Möbeln (sowie in einigen Matratzen) platziert werden, wo es dem Sessel erlaubt, sich vollständig zurückzulehnen, falls es feststellt, dass der Benutzer einschläft. In einer intelligenten Heim- oder Büroumgebung kann das Gerät mit intelligenten Vorrichtungen interagieren. Falls das Gerät zum Beispiel detektiert, dass eine Person einschläft, kann das Gerät dann anderen Vorrichtungen signalisieren, das Licht auszuschalten, die Türen zu verriegeln, den Fernseher auszuschalten und einen Thermostat auf eine bevorzugte Schlaftemperatur einzustellen.
Spezifische Beispiele für EEG-basiertes Biofeedback, das beim Aufmerksamkeitstraining und in computergestützten Trainingsgeräten eingesetzt wird, sind in Freer U.S. Pat. Nr. 6,097,981 mit dem Titel „Electroencephalograph Based Biofeedback System and Method“; in Freer U.S. Pat. Nrn. 6,402,520 und 6,626,676 mit dem Titel „Electroencephalograph Based Biofeedback System For Improving Learning Skills“; und in Freer U.S. Pat. Anm. Veröff. Nr. 2004/0230549 mit dem Titel „Systems and Methods for Behavioral Modification and Behavioral Task Training Integrated with Biofeedback and Cognitive Skills Training“ offenbart. Spezifische Beispiele für EEG-basiertes Biofeedback, das im menschlichen Leistungstraining eingesetzt wird, sind in Freer U.S. Pat. Anm. Nr. 12/112,528 , eingereicht am 30. April 2008, mit dem Titel „Training Method and Apparatus Employing Brainwave Monitoring“ offenbart. Alle obigen Angaben werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Im Allgemeinen werden einzelne Neuronen nicht durch ein EEG gemessen, da das elektrische Feld, das durch die Ionisierung von Neurotransmittern im synaptischen Spalt produziert wird, zu klein sein kann, um detektiert zu werden. Stattdessen ist ein EEG-Signal das Ergebnis der Zündung von Hunderttausenden bis Millionen von Neuronen. Es wird vermutet, dass pyramidale Neuronen ein EEG-Signal produzieren, da sie sich nahe an der Oberfläche des Kortex befinden und räumlich ausgerichtet sind. Somit ist das EEG eine Summierung von mindestens Hunderttausenden bis Millionen von Neuronen, die ein Energiefeld produzieren, das auch als Volumenleitung bezeichnet wird. Das winzige EEG-Signal, das von Zellen in der Nähe der Kortexoberfläche produziert wird, muss mehrere Medien (Liquor, Hirnhäute, Schädel und Lederhaut) durchqueren, bevor es die Oberfläche der Lederhaut erreicht, wo es von den Sensoren detektiert wird. Daher können sie selbst unter den besten Umständen verunreinigt, verschmiert oder anderweitig verzerrt sein. Tatsächlich misst ein EEG die neuronale Aktivität, die unter den oberen Schichten des Gehirns (der Hirnrinde) stattfindet, nur unzureichend. Weiter erfordert ein EEG im Gegensatz zu einer funktionellen Magnetresonanztomographie oder funktionellen MRT (fMRI), die aktive Hirnregionen sichtbar machen kann, eine langwierige Analyse, um auch nur anzudeuten, welche Bereiche durch eine bestimmte Reaktion aktiviert werden.
Ein EEG ist also ein Energiefeld, das einen großen Bereich über den Neuronen, die das Signal produzieren, abdeckt. Herkömmlich können diese winzigen Signale überwacht werden, indem Sensorplatten direkt über dem Feld oder Millimeter davon entfernt platziert werden, wie z. B. in einer von einer Person getragenen Schädelkappe. Dieses Verfahren verzichtet im Wesentlichen auf die Fähigkeit zur Betrachtung des gesamten Feldes, sondern fokussiert stattdessen auf den absichtlichen Versuch, spezifische, lokalisierte Datenpunkte zu überwachen. Für die klinische Verwendung ist dies hoch funktional, da man davon ausgeht, dass bestimmte lokale Stellen bestimmte Informationen über das Gehirn bereitstellen, die zur Diagnose und Behandlung von Anomalien, Funktionsstörungen oder Dysregulationen benötigt werden. In einem klinischen EEG besteht die Elektronik typischerweise aus mehreren Stufen mit geringer Verstärkung auf jeder Stufe. Jede der mehreren Stufen, zum Beispiel 6 bis 10 Verstärkerstufen, stellt sowohl eine Verstärkung als auch einen zweipoligen Filter zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bereit. Zum Beispiel würde ein 2-poliger Filter auf sechs Stufen einem 12-poligen Filter entsprechen.
Eine solche konventionelle EEG-Erfassung, d. h. die Stapelung von Verstärker-Filter, Verstärker-Filter, stellt die beste Lösung für die klinische Verwendung beim Überwachen der lokalen Feldenergie dar. Im Gegensatz zu den in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Techniken erfasst die herkömmliche EEG-Erfassung jedoch kein EEG-Signal vom Körper unterhalb des Kopfes und auch nicht mehr als ein paar Millimeter vom Kopf entfernt, bevor das Signal verloren geht. Dies ist auf den inhärenten Signalverlust und das erhöhte Signal-Rausch-Verhältnis des Verstärker-Filter- und Verstärker-Filter-Stapel-Verfahrens zurückzuführen, das in herkömmlichen klinischen EEG-Vorrichtungen angetroffen wird. Falls man versucht, das EEG abseits des Kopfes zu messen, würde man bei Verwendung des Verstärker-Filter-, Verstärker-Filter-Stapel-Verfahrens im Grunde nur das Rauschen verstärken. Daher sind herkömmliche klinische EEG-Vorrichtungen nicht in der Lage, EEG-Signale vom Körper unterhalb des Kopfes zu unterscheiden oder EEG-Signale vom Kopf zu messen, falls ihre Sensorplatte mehr als einen Millimeter oder so entfernt ist. Dies ist auch ein Grund dafür, dass es für unmöglich gehalten wurde, EEG-Signale vom Körper unterhalb des Kopfes oder aus größeren Entfernungen vom Kopf zu messen.
1 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung 22 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie gezeigt, kann die Vorrichtung 22 einen Hochpassfilter 60 einschließen, der mit drei Verstärkern 50, 51 und 53 gekoppelt ist. Weiter kann ein Antialiasing-Filter 62 zwischen den beiden Anfangsverstärkern 50, 51 und dem Endverstärker 53 angeordnet sein. Der Ausgang des Endverstärkers 53 wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 64 empfangen und anschließend an eine Steuerung/einen drahtlosen Sender 70 übertragen. Die obigen Komponenten sind in gesammelt in eine Einheit mit Verstärker und drahtlosem Sender 24 der berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung 22 zusammengefasst.
Die Vorrichtung 22 kann weiterhin berührungslose Sensoren 26 und 28 einschließen, die EEG-Daten von einer Person sammeln und mit dem Hochpassfilter (HPF) 60 gekoppelt sind. Weiterhin kann eine Masse- oder Referenzelektrode 30 als Teil des Sensorarrays eingeschlossen sein. Die berührungslosen Sensoren 26 und 28 können mit dem Hochpassfilter 60 gekoppelt werden, um die Möglichkeit eines Gleichstroms, der in das menschliche Subjekt fließt, zu reduzieren oder zu verhindern und um zu verhindern, dass ein Gleichstrom-Eingangsoffset im Verstärker die nachfolgende Stufe übersteuert. Zum Beispiel kann der HPF 60 den Gleichstrom-Offset blockieren, der in einem Raum zwischen Elektroden und Haut aufgrund einer elektrochemischen Reaktion auftreten kann. Die Grenzfrequenz in diesem System kann auf 1 Hz eingestellt werden, so dass jedes Signal, das höher als 1 Hz ist, den Filter passiert, während Signale unter 1 Hz um 60 dB/Dekade gedämpft werden. Ein solches Verfahren kann das gesamte Rauschen, einschließlich 60 Hz, erheblich verstärken.
Im Betrieb und nach Durchlaufen des Hochpassfilters 60 kann ein erstes gefiltertes Signal, das das gedämpfte EEG-Rohsignal einer Person einschließt, durch den ersten einstufigen Verstärker 50 stark verstärkt werden, um ein erstes verstärktes Signal zu erzeugen. Die erste Verstärkungsstufe 50 kann zum Beispiel ein Instrumentendifferenzverstärker mit einer Verstärkung von 73 sein, der mit einer zweiten Verstärkungsstufe gekoppelt werden kann, anstatt mit einem Filter, wie es in herkömmlichen Systemen getan wird.
Die zweite Verstärkungsstufe 51 kann das erste verstärkte Signal empfangen und zum Beispiel ein unsymmetrischer invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 101 sein, der mit der ersten Stufe 50 wechselstromgekoppelt werden kann. Im Betrieb kann die zweite Stufe 51 ein zweites verstärktes Signal ausgeben, das auf einen elliptischen Tiefpassfilter 8. Ordnung übertragen werden kann, wie z. B. einen Antialiasing-Filter 62, der implementiert sein kann, eine monolithische integrierte Schaltung mit geschalteten Kondensatoren aufweisen kann. Die -3db- oder Eckfrequenz des Filters kann auf 40 Hz eingestellt werden, was auch die obere Grenze für das Beta-Frequenzband darstellt. Diese Frequenzeinstellung liegt unter 75 Hz (Abtastrate = 150 Abtastungen/Sekunde), was es erlaubt, als ein Antialiasing-Filter 62 zu dienen, wodurch das größte Störsignal aus 50/60 Hz Wechselstromleitungsrauschen und Komponenten oberhalb der Nyquist-Frequenz von 75 Hz vor der ADC-Abtastung entfernt wird.
Im Betrieb kann der Antialiasing-Filter 62 konfiguriert werden, um Signalfrequenzkomponenten zu dämpfen oder zu minimieren, die oberhalb eines Frequenzbandes von Interesse liegen und die nicht in Beziehung zur elektrischen Aktivität innerhalb des Gehirns einer Person stehen. Eine mögliche Frequenzkomponente, die nicht in Beziehung zu der elektrischen Aktivität des Gehirns steht und nicht relevant ist, ist ein von 50- oder 60-Hz-Wechselstromleitungen gekoppeltes Signal. Als ein Beispiel kann ein Tiefpassfilter geeignet sein, der eine Grenzfrequenz innerhalb des Bereichs von 20 bis 40 Hz aufweist. In einem spezielleren Beispiel ist der Tiefpassfilter 62 ein geschalteter Kondensator-Tiefpassfilter fünfter Ordnung, der eine Grenzfrequenz von 22 Hz aufweist. In der Ausführungsform von 1 liegen die Gehirnwellen-Signalkomponenten von Interesse deutlich unter 50 Hz oder 60 Hz, und ein Tiefpassfilter von 22 Hz kann einfach und effektiv sein. Bei Anwendungen, bei denen die Frequenzbereiche der Gehirnwellen-Signalkomponenten von Interesse 50 Hz oder 60 Hz einschließen, kann anstelle des Tiefpassfilters ein Kerbfilter eingesetzt werden.
Das Antialiasing-Filter 62 gibt ein zweites gefiltertes Signal aus, das dann an eine dritte Verstärkungsstufe 53 weitergeleitet werden kann, die zum Beispiel ein unsymmetrischen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 2 sein kann, der mit dem Antialiasing-Filter 62 wechselstromgekoppelt ist. Die dritte Verstärkungsstufe 53 kann ein Analysesignal an den ADC 64 übertragen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der verwendete ADC 64 12 Bit haben, und eine 12-Bit-Binärzahl kann einen Bereich von 0 bis 2 hoch 12 minus 1 aufweisen und erlaubt daher eine Ausgabe von 0 bis 4095. Der ADC 64 (12 Bit) kann einen Bereich aufweisen: 2,7 Volt mit einer Genauigkeit von 670 microV. Die Gesamtverstärkung des Systems kann 14.746 abzüglich der Dämpfung der Filterstufe betragen. Dies stellt die Detektion von EEG-Signalen bis zu 50 Nanovolt (nV) an der Oberfläche des Sensorarrays bereit („Nano“ repräsentiert einen Faktor von 10^-9, also 1 Nanovolt = 10^-9 Volt). Dies stellt auch die Detektion von EEG-Signalen bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW) an der Oberfläche des Sensorarrays bereit („nano“ repräsentiert einen Faktor von 10^-9, also 1 Nanowatt = 10^-9 Watt).
Dies ist ein signifikanter Unterschied zur herkömmlichen EEG-Erfassungstechnologie, die nur Millivolt (mV; eine Einheit der Potentialdifferenz, die einem Tausendstel oder einfach 10^-3 eines Volt entspricht) detektieren kann. Dies kann eine Frage der Bequemlichkeit sein, da die Verwendung von Sensoren, die direkt am Kopf oder in unmittelbarer Nähe des Kopfes angebracht sind, eine weitaus geringere Verstärkung erfordern, um die Leistungen des Leistungsspektrums zu detektieren, die in Einheiten wie z. B. Volt-Quadrat pro Hz (V²/Hz) angegeben werden. Millivolt werden verwendet, weil die Sensoren sehr nahe an der zu detektierenden Energie sind. Dies ist bei klinischen Anmeldungen notwendig, um lokalisierte Energie in bestimmten Bereichen des Gehirns zu sehen.
Der Ausgang des ADC 64 kann eine digitale Version des Analysesignals sein und kann mit einer Mikrosteuerung 70 und einem drahtlosen Sender, wie z. B. einer Bluetooth^® Vorrichtung 32, gekoppelt werden. Im Betrieb kann die Mikroteuerung 70 das Analysesignal analysieren, um Muster in dem Signal zu erkennen, die einer bestimmten Gehirnwellenaktivität entsprechen. Zum Beispiel kann die Mikrosteuerung 70 Muster im Analysesignal identifizieren, die mentalen Zuständen eines Individuums entsprechen, wie z. B. einem emotionalen Zustand, einem kognitiven Belastungszustand, einem Ermüdungsgrad, einem Schläfrigkeitsgrad, einem Aufmerksamkeitsgrad und einem Wachsamkeitszustand einer überwachten Person. Zusätzlich kann die Mikrosteuerung 70 im Analysesignal Muster identifizieren, die einer Aktivität der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors entsprechen, einschließlich zum Beispiel wenn diese Person ihren Kopf in einer bejahenden oder verneinenden Bewegung bewegt. Außerdem kann die Mikrosteuerung 70 Muster im Analysesignal identifizieren, die der Aktivität der Person in der Nähe des berührungslosen Sensors entsprechen, einschließlich wenn die Person ihren Kopf oder Körper in oder aus der Nähe des berührungslosen Sensors bewegt, so dass die berührungslose Elektroenzephalographie- (EEG) -Vorrichtung detektiert, ob ein von dem berührungslosen Sensor überwachter Raum besetzt oder unbesetzt ist. Weiterhin kann die Mikrosteuerung konfiguriert sein, um einen Algorithmus auf den Analysesignalen auszuführen/laufen zu lassen, um die Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die dem Zustand der Person entsprechen. Das heißt, die Mikrosteuerung 70 kann konfiguriert sein, um den Zustand der Person basierend auf den detektierten elektrischen Signalen innerhalb der verschiedenen Frequenzbänder zu bestimmen, indem der Algorithmus für jeden Zustand der Person ausgeführt wird.
Außerdem kann die Mikrosteuerung 70 konfiguriert sein, um die Analysesignale zu analysieren, um die Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die dem Zustand der Person über künstliche Intelligenz (KI) und/oder maschinelles Lernen entsprechen, und um die Erfassung von Emotionen zu nutzen, um den Inhalt und Betrieb des Fahrzeugs zu personalisieren, der die Leistung des Fahrzeugs basierend auf dem Zustand der Person verändern würde. Zum Beispiel kann die Mikrosteuerung 70 konfiguriert sein, um einen Ermüdungsgrad und/oder einen Schläfrigkeitsgrad der Person über die Kl und/oder das maschinelle Lernen zu bestimmen und einen Alarm für die Person basierend auf dem Ermüdungsgrad und/oder dem Schläfrigkeitsgrad der Person bereitzustellen. Der Alarm kann mindestens eines aus einem haptischen Alarm, einem akustischen Alarm, einem visuellen Alarm oder einer Kombination sein. Die Mikrosteuerung 70 kann auch konfiguriert sein, um zu bestimmen, dass sich der mindestens eine aus Ermüdungsgrad oder Schläfrigkeitsgrad der Person nicht geändert hat, nachdem der Alarm für die Person bereitgestellt wurde, und das Fahrzeug so zu steuern, dass es in einen sicheren Bereich anhält.
Die Mikrosteuerung 70 kann auch konfiguriert sein, um den Algorithmus zu verwenden, um den Zustand der Person zu bestimmen, und den Algorithmus basierend auf dem Zustand der Person automatisch zu kalibrieren. Zum Beispiel, wenn der Algorithmus ausgeführt wird, um zu bestimmen, in welchem Grad eines Zustands sich eine Person befindet (z. B. kein Stress, leichter Stress, mäßiger Stress oder hoher Stress), kalibriert sich der Algorithmus automatisch auf das Individuum, anstatt eine Grundlinie über einen bestimmten Zeitraum festzulegen. Dieses Merkmal ist für die Verbraucher sehr wichtig, da sie in der Regel nicht warten wollen, bis die Software kalibriert ist, bevor sie funktioniert oder wissen, in welchem Zustand sie sich befindet. Zweitens kann das zeitsparende Autokalibrierungsmerkmal Leben retten, da es Zeit spart. Zum Beispiel ist es sehr vorteilhaft zu wissen, in welchem Zustand der Ermüdung sich eine Person befindet, wenn sie beginnt, das Fahrzeug zu bewegen, im Gegensatz zu 5 bis 10 Minuten, nachdem sie mit dem Fahren begonnen hat.
Weiter kann die Mikrosteuerung 70 konfiguriert werden, um die Komponenten des Verstärkers und der drahtlosen Sendeeinheit 24 zu steuern, um die detektierten EEG-Daten zu verarbeiten und die EEG-Daten drahtlos an andere Vorrichtungen zu übertragen, falls erforderlich. Zusätzlich können die detektierten EEG-Daten unter der Steuerung des Mikrosteuerung 70 an andere Vorrichtungen zur weiteren Verarbeitung und/oder Steuerung anderer Vorrichtungen übertragen werden.
Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 22 ermöglicht es diesem System, EEG-Signale vom Körper unterhalb des Kopfes ohne Berührung des Kopfes oder des Körpers aus einer Entfernung von 10 Inches oder mehr von einem Individuum zu erhalten (z. B. aus einem Abstand von 10 bis 36 Inches von dem Individuum). Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 22 erfordert keine unmittelbare Nähe oder Berührung des Kopfes oder des Körpers unterhalb des Kopfes, um ein EEG-Signal zu erfassen. Die deutlich andere Technik erfordert die Überwachung der gesamten verfügbaren Feldenergie, die vom Gehirn ausgeht, in Echtzeit. Verglichen mit herkömmlichen Systemen kann dies als ein Unterschied wie zwischen Ölbohren und Goldschürfen betrachtet werden. Mit anderen Worten kann das vorgeschlagene System, anstatt einen Sensor anzubringen, um lokalisierte Informationen aus dem Gehirn zu gewinnen, kontinuierlich alle verfügbaren elektrischen Felddaten von Gehirninformationen für eine umfassende Verarbeitung heranziehen, um die Daten in verwendbare EEG-Daten zu zerlegen.
Darüber hinaus ist die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 22 in der Lage, die unglaublich geringe Menge an detektierter Nanowatt- und/oder Nanovolt-Energie in verwendbare Informationen umzuwandeln. Zum Beispiel können die ermittelten Werte unter Verwendung von zweistelligen Zahlen zur Basis 64 in die Basis 10 umgewandelt werden, wobei 2048 abgezogen wird, um die Informationen in eine vorzeichenbehaftete Wellenform zwischen - 2048 und +2047 umzuwandeln. Dies ist eine Gleichstrom-Wellenform, die um 0 zentriert ist. Die verwendbaren Informationen können dann einen digitalen Filteralgorithmus, einen RMS-Algorithmus (Root Mean Square) sowie andere Algorithmen durchlaufen, wie z. B. solche, die die Gehirnwelleninformationen in Aufmerksamkeit, Angstgrad, Schläfrigkeit oder ein anderes Maß für den Gehirnzustand umwandeln. Daher gibt es, im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die Werte wurden einer Reihe komplizierter Transformationen und Skalierungsoperationen von den ursprünglichen Spannungsmessungen unterzogen, also keine einfache lineare Korrelation zu Einheiten von Volt mehr.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung 22 ist die Verwendung von berührungslosen Sensorarrays, um EEG-Feldenergie zu erfassen, die von der Volumenleitung ausgeht. Herkömmliche Systeme nutzen einzelne Sensoren für die örtliche Erfassung eines EEG-Signals. Diese Sensoren müssen sich sehr nahe am Kopf befinden oder direkt am Kopf angebracht sein, um ein Signal zu erfassen. Wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben, können berührungslose Arrays als einkanaliges System zur Detektion elektrischer Felder verwendet werden. Dieses Verfahren kann deutliche Vorteile gegenüber anderen Systemen bereitstellen, da das Sensorarray nicht nur das Gehirnsignal aus einer Entfernung von bis zu 10 Inches oder mehr detektieren kann, sondern auch die Position eines Kopfes. Zum Beispiel kann das Array, falls es in einer Kopfstütze montiert ist, detektieren, ob der Sitzinsasse nach links, rechts, unten oder oben schaut.
Zusätzlich kann die Verwendung eines Arrays auch die Detektion von Bewegung des Kopfes des Insassen ermöglichen. Falls als ein nicht einschränkendes Beispiel der Kopf einer Person beim universellen Zeichen für „Nein“ von links nach rechts schüttelt, kreiert die Bewegung ein ausgeprägtes Wellenmuster, während sich der Kopf über das Array von links nach rechts oder von rechts nach links bewegt. Außerdem, falls der Insasse mit dem Kopf nickt, um „Ja“ anzuzeigen, produziert diese Bewegung ein eigenes bestimmtes Muster. So sind in einem Fahrzeug die Befehle „Ja“ und „Nein“ erkennbar, ohne dass die Hände des Fahrers jemals das Lenkrad oder die Augen die Straße verlassen.
Eine weitere Verwendung für die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 22 kann die Verwendung von Arrays als Screening-Vorrichtung an einem Flughafen oder in einem Hotel einschließen. Zum Beispiel, falls die Arrays in Ständern in einem Eingangsbereich platziert werden können, kann das Gerät verwendet werden, um Angst, Stress und/oder Temperament von Individuen zu messen, die passieren. Gleichfalls, falls die Arrays in einer Kopfstütze oder in der Rückenlehne eines Sitzes verwendet werden, könnten die Arrays auch die Flugbesatzung auf das Temperament eines Sitzinsassen oder die Wachsamkeit eines Piloten aufmerksam machen. Weiter können die Arrays verwendet werden, um einfach zu bestimmen, ob ein Sitz besetzt oder unbesetzt ist, was in Situationen des automatisierten Fahrens nützlich sein kann.
In 1 können die berührungslosen Sensoren 26 und 28 jede Art von berührungslosen Elektroden sein, wie z. B. „trockene“ Elektroden, die kein leitfähiges Gel oder keine Paste erfordern und die nicht in physischer Berührung mit dem Körper stehen, sowie berührungslose Biopotentialsensoren oder solche ohne Berührung. Als aktive Sensoren können die Sensoren 26 und 28 in verschiedenen Arrays konfiguriert sein oder unterschiedliche Größen und Formen von Elektroden aufzuweisen. Zum Beispiel können mehrere Sensoren in verschiedenen Mustern und Größen, wie z. B. einem konzentrischen Ring oder einem parallelen Stabmuster, je nach Designüberlegungen sowie ihrem Verwendungszweck designt werden.
Außerdem können jeder oder mehrere der vielen Sensoren auch in Form einer gedruckten Leiterplatte (PCB) vorliegen. Zum Beispiel kann ein Array der vielen Sensoren Lagen von symmetrischen oder asymmetrischen Leiterplatten mit Antenne einschließen, um Neuro-Signale aus größeren Entfernungen aufgrund einer vergrößerten Oberfläche zu erfassen. Eine Verstärkungsvorrichtung, die mit dem Array der vielen Sensoren gekoppelt ist, kann konfiguriert sein, um die Schichten der symmetrischen oder asymmetrischen Leiterplatten zu verstärken, um Neuro-Signale aus größeren Entfernungen zu erfassen.
Das Array der symmetrischen und/oder asymmetrischen Sensoren kann das elektromagnetische Feld einfangen, das sich über die Oberfläche des Kortex des Gehirns, durch biologisches Gewebe und im Raum weg vom Kopf ausbreitet.
Symmetrische Arrays sind elektrisch mehrschichtige kleine Antennen. Jede Schicht ist symmetrisch und typischerweise in einem Stapel angeordnet. Der Stapel erhöht die Strahlungseffektivität der Antenne, indem er bei einer Grundfrequenz der Gehirnleistung von 1 Hz bis 300 Hz in Resonanz tritt. Durch die Stapelung der symmetrischen Arrays, unter Verwendung einer wirksamen Filterung, Verstärkung, Abschirmung und eines geeigneten Substrats können die Entfernungen, in denen das elektromagnetische Feld des Gehirns eingefangen werden kann, vergrößert und gleichzeitig das Rauschen in jeder Schicht reduziert werden. Das Gehirn dient als Sendeantenne. Das symmetrische Array ist die Empfangsantenne. Die Wellenausbreitung ist ein häufiges Problem, das zwischen einer symmetrischen Sende- und Empfangsantenne angetroffen wird. Die Wellenausbreitung verursacht destruktive Mehrweginterferenzen, ein Phänomen, das dazu führt, dass Funksignale die Empfangsantenne auf zwei oder mehr Wegen erreichen. Zwei oder mehr Wege können zu Demodulationsproblemen und überlappenden Bits führen, die als Intersymbolinterferenz (ISI) bekannt sind. Die ISI führt zu einer schlechteren Signalqualität aufgrund von Datenverfälschungen. Die Verwendung eines symmetrischen Arrays verringert die ISI und erhöht die Signalqualität, da das Wesen der symmetrischen Designschichtung die destruktive Mehrweginterferenz inhärent auslöscht.
Falls man das Gehirn ähnlich wie einen Funkturm betrachtet, kann ein asymmetrisches Antennenarray als drahtlose Empfangsantenne verwendet werden, da sein Design unigerichtet ist, um Funkrauschen (Watt) zu absorbieren. Das Array fungiert effektiv als Plattform zur Absorption von Funkrauschen. Durch Stapeln der asymmetrischen Arrays, unter Verwendung einer wirksamen Filterung, Verstärkung, Abschirmung und eines geeigneten Substrats können die Entfernungen, in denen das elektromagnetische Feld des Gehirns erfasst werden kann, vergrößert und gleichzeitig das Rauschen in jeder Schicht reduziert werden. Jedes asymmetrische Array kann aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein. Um den Abstand zu vergrößern und das Signal durch Verringerung des Rauschens zu verbessern, muss jedes Element nahezu die gleiche Resonanzfrequenz haben, die mit den anderen Elementen der asymmetrischen Antenne verbunden ist.
Im Betrieb kann das Sensorarray sowohl EEG-Daten sammeln als auch die Richtwirkung des empfangenen Signals bereitstellen. Mit anderen Worten kann das berührungslose Sensorarray 26 und 28 ausgerichtet werden, um Signale von verschiedenen Abschnitten entweder des Kopfes oder des Körpers zu empfangen. Dies stellt eine einzigartige Anwendung der Technologie dar, da sie eine Fülle von EEG-Daten mit einem einzigen Array sammeln kann. Die Hinzufügung weiterer Sensorarrays durch Hinzufügen von Kanalkapazität kann die Menge der zu sammelnden Informationen erhöhen. Dies ist vergleichbar mit einem Array von Radioteleskopen, die in die Weiten des Universums blicken und als ein einziges Teleskop zusammenarbeiten, um mittels Interferometrie eine höhere Auflösung bereitzustellen. Der Vorteil dieser Technik im aktuellen System ist, dass sie EEG-Daten in der Fülle einer klinischen EEG-Schädelkappe produzieren kann, ohne eine Schädelkappe zu verwenden, die mühsam, invasiv und für den Verbraucher ungeeignet ist. Darüber hinaus kann die Verwendung mehrerer berührungsloser versteckter Arrays, zum Beispiel fünf bis sechs, den Bedarf an vielen Sensoren, oft 30 bis 60 plus in einer klinischen Schädelkappe, minimieren. Zweitens erhöht die Konfiguration solcher Arrays nicht nur die Signaltreue und die Datenmenge, sondern sie kann auch genutzt werden, um eine Richtung, in die der menschliche Kopf blickt, zu ermitteln, da die Signalstärke, die innerhalb jedes Arrays detektiert wird, mit der Position des Kopfes variiert. Zum Beispiel ist diese Information in einem fahrenden Fahrzeug wichtig, um festzustellen, worauf der Fahrer seine Aufmerksamkeit richtet. Der Blick von der Straße voraus aus dem Seitenfenster oder auf die eingeplante Ablenkung einer Anzeigekonsole kann katastrophale Ergebnisse produzieren.
Die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 22 kann konfiguriert werden für die Platzierung in der Nähe eines Abschnitts des Kopfes oder des Körpers einer Person. Verschiedene spezifische Ausführungsformen davon werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 4-12 im Detail beschrieben. So werden die berührungslosen Sensoren 26 und 28 während der Verwendung mindestens in der Nähe von Abschnitten irgendwo am Körper einer Person platziert. Die berührungslosen Sensoren 26 und 28 entwickeln Rohsignale, die Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns („Gehirnwellen-“ Signale) relevant sind. Dies ist im Wesentlichen ein Verfahren zur Signalsammlung mit roher Gewalt, da das Ausgangssignal: a) ziemlich weit von der Quelle (dem Gehirn) entfernt sein kann, möglicherweise in einem Abstand vom Kopf oder gesammelt vielleicht vom Körper, z. B. von der Schulter oder dem unteren Rücken, und deutlich kleiner ist als das Signal von einer kopfbasierten klinischen Einheit; b) durch Material, wie z. B. leichtes Tuch oder Haar, aus einem Abstand von sechs bis zehn Inches erhalten wird; c) aus einem Abstand von sechs bis zehn Inches von der Haut des Körpers erhalten wird; d) aus einem Abstand von zehn bis sechsunddreißig Inches von der Haut des Körpers erhalten wird.
Da ein Signal mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, kann das Signal am Körper, weg vom Kopf, in Nanowatt und/oder Nanovolt angegeben werden. In Beispielen sollte das winzige Signal, das im Hochpassfilter 60 gesammelt wird, dann in einem einstufigen Verstärker 50 mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 73 stark verstärkt werden. Dieser Instrumentendifferenzverstärker 50 ist mit einem Operationsverstärker 51 oder „Op-Amp“ mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 101 wechselstromgekoppelt. Dann kann der Antialiasing-Filter 62 angewendet werden, der ein Tiefpassfilter 8. Ordnung ist, implementiert mit einer monolithischen Vorrichtung mit geschalteten Kondensatoren. Die -3db-Frequenz für diese Funktion beträgt 40 Hz, was auch die Obergrenze für das Beta-Frequenzband darstellt. Der Antialiasing-Filter kann Komponenten oberhalb der Nyquist-Frequenz von 75 Hz vor der ADC-Abtastung eliminieren. Der Antialiasing-Filter 62 kann dann mit dem Endverstärker 53 mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 2 gekoppelt werden. Diese einzigartige Kombination produziert einen außerordentlich leistungsfähigen EEG-Detektor bis hinunter zu 50 Nanowatt und/oder Nanovolt und stellt somit die Fähigkeit bereit, Daten zu detektieren, die bisher aus Entfernungen von mehr als 6 Inches vom Kopf oder durch den Körper weg vom Kopf ohne Berührung nicht detektierbar waren.
Die verschiedenen Elemente innerhalb der Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit 24 von 1 können unter Verwendung einer Kombination von digitalen und analogen Technologien implementiert werden. Darüber hinaus kann die Verstärker- und drahtlose Sendeeinheit 24 als „intelligente“ und neu programmierbare Vorrichtung implementiert werden, wobei die Mikrosteuerung 70 Software ausführt, um verschiedene Funktionen durchzuführen. Die Mikrosteuerung 70 ist in der Lage, drahtlose bigerichtete Datenkommunikation zu betreiben, was Modifikationen und Anpassungen der Funktionsweise der Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit erleichtert, wie z. B. durch Aktualisierung der „Firmware“.
Es wird deutlich, dass, obwohl als eine einzige Vorrichtung gezeigt, die Funktionen der Vorrichtung auf verschiedene Weise durch die Verwendung einer einzigen Vorrichtung, wie z. B. der in 1 gezeigten Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit 24, oder alternativ über mehrere Vorrichtungen verteilt, erreicht werden können. Zum Beispiel können die Gehirnwellensignale von einer ersten Vorrichtung gesammelt und an eine zweite Vorrichtung zur Verarbeitung übertragen werden.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines verallgemeinerten Geräts 100, das Analysesignale produziert, die Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind. Das in 2 dargestellte Gerät 100 kann zwei repräsentative berührungslose Sensoren 102 und 104, wie z. B. aktive Elektroden, einschließen, die über Kondensatoren 106 und 108 mit den hochohmigen Eingängen 110 und 112 eines Verstärkers 114 gekoppelt sein können. Die berührungslosen Sensoren 102 und 104 können in der Nähe von Abschnitten des Körpers einer Person positioniert werden, um rohe Gehirnwellensignale zu detektieren. Der Verstärker 114 weist einen Ausgang 116 auf, der mit einem Eingang 118 eines Filters 120 verbunden ist. Die Signalverarbeitung in 2 kann analog, digital oder in einer beliebigen Kombination davon erfolgen.
Der Filter 120 dämpft Frequenzkomponenten, die nicht mit den Frequenzkomponenten von Interesse in Beziehung stehen und die für die elektrische Aktivität des Gehirns nicht relevant sind. An einem Ausgang 122 des Filters 120 werden so genannte Analysesignale produziert, die den Gehirnwellensignalen zur weiteren Verarbeitung und Analyse entsprechen, wobei die Analysesignale Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind. Wie oben unter Bezugnahme auf den Filter 62 von 1 beschrieben, kann der Filter 120 von 2 als Beispiele ein Tiefpassfilter oder ein Kerbfilter sein. Die Auswahl und das Design des Filters 120 hängen von den Frequenzkomponenten ab, die für die elektrische Aktivität des Gehirns von Interesse sind, sowie von bestimmten, nicht in Beziehung stehenden Frequenzkomponenten, die erwartet werden. Der Filter 120 kann unter Einsetzen digitaler Signalverarbeitungs- (DSP) -Techniken implementiert werden und kann adaptiv sein.
Die „Gehirnwellen-“ -Signale am Ausgang 122 des Tiefpassfilters 120 können für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden. Wie oben beschrieben, sind die Signale am Ausgang 122 Analysesignale, die Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind, wobei nicht in Beziehung stehende Frequenzkomponenten gedämpft werden. Die berührungslosen Sensoren 102 und 104 sind mindestens in der Nähe von Abschnitten des Körpers einer Person unterhalb des Kopfes positioniert, um Rohsignale zu entwickeln.
Wenn Frequenzkomponenten, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind, im Allgemeinen von Interesse sind, insbesondere wenn Frequenzkomponenten, die Deltawellen (bis zu 3 Hz) einschließen, von Interesse sind, sind Signalkomponenten, die dem Herzschlag einer Person entsprechen (ungefähr 1 Hz bis 2 Hz), nicht in Beziehung stehende Frequenzkomponenten besonders Besorgnis erregend. Nicht in Beziehung stehende Frequenzkomponenten, die der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person entsprechen, sind besonders hoch, wenn die Sensoren mit Abschnitten des Körpers unterhalb des Kopfes verbunden sind. Das hierin beschriebene Gerät kann in Systemen eingesetzt werden, in denen Signalkomponenten in den Rohsignalen, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, aktiv gedämpft werden. Im Idealfall werden Signalkomponenten, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, durch aktive Auslöschung vollständig ausgelöscht.
3 ist eine Darstellung eines verallgemeinerten Geräts 130, das eine solche aktive Dämpfung einsetzt, um Analysesignale zu produzieren, die Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind. Das Gerät 130 aus 3 setzt auch hier zwei berührungslose Sensoren 132 und 134 ein, die über Kondensatoren 136 und 138 mit den hochohmigen Eingängen 140 und 142 eines Verstärkers 144 verbunden sind. Mindestens die berührungslosen Sensoren 132 und 134 sind in der Nähe von Abschnitten des Körpers einer Person unterhalb des Kopfes positioniert, um Rohsignale zu entwickeln.
Der Verstärker 144 aus 3 weist einen Ausgang 146 auf, der mit zwei Signalzweigen verbunden ist. Ein Zweig ist mit einem (+)-Eingang 148 eines Summierknotens 150 verbunden, der andere mit einem Eingang 152 eines Herzfrequenz-Signalextraktors 154, der Signalkomponenten extrahiert, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren. Ein Ausgang 156 des Herzfrequenz-Signalextraktors 154 ist mit einem (-)-Eingang 158 des Summierknotens 150 verbunden. Am Ausgang 160 des Summierknotens 150 werden Analysesignale produziert, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevante Frequenzkomponenten einschließen, wobei nicht in Beziehung stehende Frequenzkomponenten gedämpft werden.
Innerhalb des Summierknotens 150 werden also Signalkomponenten, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, aktiv gedämpft. Im Idealfall werden auch hier die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultierenden Signalkomponenten durch aktive Auslöschung vollständig ausgelöscht.
Der Herzfrequenz-Signalextraktor 154 kann digitale Signalverarbeitungs-(DSP) - Techniken einsetzen, um Signalkomponenten zu erkennen, zu isolieren und zu verfolgen, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren. Herzfrequenzmonitore können den Herzschlag oder die Herzfrequenz einer Person erkennen und verfolgen und zeigen dies typischerweise auf einem digitalen Display an. Das so erkannte, isolierte und verfolgte Signal wird als Ausgang des Herzfrequenz-Signalextraktors 154 bereitgestellt. Durch eine entsprechende Anpassung der Amplitude können die Frequenz- oder Signalkomponenten, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, gedämpft oder ausgelöscht werden. Dementsprechend kann das Gehirnwellensignal, das die elektrische Aktivität des Herzens einer Person nicht einschließt, am Ausgang 160 des Summierknotens 150 produziert werden.
Auch hier können die Gehirnwellensignale am Ausgang 160 des Summierknotens 150 für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden. Die Signale am Ausgang 160 sind Analysesignale, die Frequenzkomponenten einschließen, die für die elektrische Aktivität des Gehirns relevant sind, wobei nicht in Beziehung stehende Frequenzkomponenten gedämpft werden. Auch hier ist von Bedeutung, dass mindestens die Sensoren 132 und 134 in der Nähe von Abschnitten des Körpers einer Person unterhalb des Kopfes positioniert sind, um Rohsignale zu entwickeln.
Als eine Alternative zu dem Herzfrequenz-Signalextraktor 154 und dem Summierknoten von 3 kann die Topologie von 2 eingesetzt werden, um eine ähnliche Funktionalität bereitzustellen. Insbesondere kann der Filter 120 aus 2 ein adaptiver DSP-Filter sein, der programmiert ist, um Signalkomponenten zu dämpfen, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, sowie andere Signale (wie gekoppelte 50-Hz- oder 60-Hz-Wechselstromnetzsignale), die mit der elektrischen Aktivität des Gehirns nicht in Beziehung stehen und nicht relevant sind.
Signalkomponenten, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, können in Ausführungsformen dieser Offenbarung für mindestens zwei weitere Zwecke verwendet werden. Ein solcher anderer Zweck ist es, sicherzustellen, dass eine Vorrichtung zur Körperausrichtung und insbesondere die berührungslosen Sensoren 26 und 28, 102 und 104 oder 132 und 134 tatsächlich auf den Körper einer Person gerichtet sind, aber nicht mit ihm in Berührung stehen oder sich anderweitig funktionell in seiner Nähe befinden, was der Einfachheit halber zusammenfassend als „Anwesenheit“ bezeichnet wird. Das Sicherstellen einer solchen Anwesenheit kann eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass die erfassten Signalkomponenten innerhalb eines Gehirnwellenfrequenzbandes tatsächlich repräsentativ für Gehirnwellen sind und nicht das Ergebnis von Streusignalen sind, die von Umgebungsquellen gekoppelt sind, mit anderen Worten, um zu validieren, dass ein EEG-Signal gesammelt wird. Das Sicherstellen einer solchen Anwesenheit kann auch eingesetzt werden, um die Batterielebensdauer zu erhalten, indem ein „Standby“-Modus mit geringem Stromverbrauch aktiviert wird, wenn die Abwesenheit von Signalkomponenten, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens einer Person resultieren, auf keine Anwesenheit hinweisen.
Ein anderer solcher Zweck ist es, die Anzeigen zu kombinieren, die aus der elektrischen Aktivität des Gehirns (d. h. EEG) und der elektrischen Aktivität des Herzens (d. h. EKG) einer Person resultieren, um eine umfassendere Analyse und Anzeige des kognitiven und physiologischen Zustands einer Person zu erhalten. Die Ausführungsformen dieser Offenbarung stellen somit die Grundlage für einen dualen Technologieansatz (EEG und EKG) für eine umfassendere Überwachung des physiologischen Zustands bereit.
4-12 illustrieren Beispiele zum Verwenden einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung mit einer Person gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
Die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 172 oder mindestens die berührungslosen Sensoren 198 und 199 der 4-5 sind konfiguriert, um gerichtet auf einen Abschnitt des Kopfes einer Person 174 zu zielen. Die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 170 kann mindestens die berührungslosen Sensoren 198 und 199, die Referenzelektrode 196 sowie die Verstärker- und drahtlose Sendeeinheit 172 einschließen und nimmt insbesondere die Form eines Gehäuses 170 an, das konfiguriert ist, um die Vorrichtung gerichtet auf den Kopf 176 zu zielen (4). Wie in 5 gezeigt, können die berührungslosen Sensoren 198 und 199 in einen Kopfstützen- 180 -Abschnitt (5) eines Sitzes, in dem die Person 174 sitzt, integriert sein und die Gehirnwellenaktivität der Person 174 detektieren.
In 6-7 kann die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 172 oder mindestens die berührungslosen Sensoren 198 und 199 konfiguriert werden, um gerichtet auf einen Abschnitt eines Rückens 181 der Person 174 zu zielen. Auch hier kann die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 170 mindestens die berührungslosen Sensoren 198 und 199 sowie die Verstärker und drahtlose Sendeeinheit 172 einschließen und nimmt insbesondere die Form eines Gehäuses 170 an, das konfiguriert ist, um die Vorrichtung gerichtet auf den Rücken 181 (6) oder die Rückseite des Halses 182 ( 7) der Person 174zu zielen. Wie in 6 gezeigt, können die berührungslosen Sensoren 198 und 199 in einen Sitz, in dem die Person 174 sitzt, integriert sein und die Gehirnwellenaktivität der Person 174 detektieren.
An das Gehäuse 170 gekoppelt und/oder von diesem getragen sind ein Paar berührungsloser Sensoren 198 und 199, die den oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren 26 und 28 entsprechen und die auch eine Masseelektrode 196 einschließen können, die der Masseelektrode 30 in 1 entspricht. Die Sensoren 198 und 199 können elektrisch mit der Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit 172 verbunden sein und arbeiten wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die Sensoren 198 und 199 werden daher während des Verwendens mindestens in der Nähe eines Abschnitts des Kopfes 174 der Person (5) oder der Rückseite des Körpers 182 (6) platziert.
In 8 und 9 kann die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung zur Platzierung in der Nähe eines Abschnitts des Kopfes 176 einer Person 174 konfiguriert sein. Die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 170 stellt eine strukturelle Unterstützung für die Verstärker und drahtlose Sendeeinheit 172 bereit, und die berührungslosen Sensoren 196 und 198 können in einem Automobilsonnenvisor 184 integriert werden, der für die Ausrichtung auf den Kopf 176 der Person 174 konfiguriert ist.
In 9 wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung oder mindestens die berührungslosen Sensoren 198 und 199 für eine Platzierung in der Nähe des Kopfes 176 der Person 174 konfiguriert werden können. Die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 170, die die Verstärker und drahtlose Sendeeinheit 172 sowie die berührungslosen Sensoren 198 und 199 einschließt, kann zum Beispiel in eine Fahrzeuginnenraumdecke 185 integriert werden, die für die Ausrichtung auf den Kopf 176 der Person 174 konfiguriert ist.
Ebenfalls von der Visier- und Deckenplatzierung der 8-9 getragen werden ein Paar aktiver berührungsloser Sensoren 198 und 199, die den oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen berührungslosen Sensoren 26 und 28 entsprechen und eine Masseelektrode 196 einschließen können, die der Masseelektrode 30 in 1 entspricht. Die berührungslosen Sensoren 198 und 199 sind elektrisch mit der Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit 172 verbunden und arbeiten wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die berührungslosen Sensoren 198 und 199 werden daher während der Verwendung mindestens in der Nähe eines Abschnitts des Körpers der Person 174 in der Nähe des Kopfes 176 platziert und detektieren die Gehirnwellenaktivität der Person 174.
10 zeigt ein Beispiel für Verwenden einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung mit einer Person durch einen Sitz, zum Beispiel in einem Automobil 186. In dieser Ausführungsform sind die Sensoren der EEG-Vorrichtung 170 darauf ausgerichtet, Signale von einem Gesäß 177 der Person 174 zu detektieren.
11 und 12 zeigen Beispiele für Verwenden einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung mit einer Person gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
In 11 ist die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 170 oder mindestens die berührungslosen Sensoren 198 und 199 für die Platzierung in der Nähe eines Abschnitts des Körpers der Person 174 unterhalb des Kopfes konfiguriert. Die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 170 stellt eine strukturelle Unterstützung für die Verstärker und drahtlose Sendeeinheit 172 bereit und nimmt insbesondere die Form eines Stabs 187 zur Platzierung in der Nähe des Körpers einer Person 174 (11) an.
In der beispielhaften Ausführungsform von 12 kann die Verstärker- und drahtlose Sendeeinheit 172 entweder ein integraler Bestandteil der drahtlosen, handgehaltenen, berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung oder ein abnehmbares Element sein. Auf der Innenseite der handgehaltenen, berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung 188 sind zwei berührungslose Sensoren 198 und 199, die den oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen berührungslosen Sensoren 26 und 28 entsprechen. In 12 sind zwar keine Sensoren sichtbar, sie können sich jedoch auf der Innenseite der handgehaltenen Einheit 188 an der allgemeinen Position der Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit 172 befinden. Die Sensoren, einschließlich der berührungslosen Sensoren 198 und 199, sind elektrisch mit der Verstärker- und drahtlosen Sendeeinheit 172 verbunden und arbeiten wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Im Betrieb sind die berührungslosen Sensoren 198 und 199 mindestens in der Nähe eines Abschnitts des Körpers 174 der Person unterhalb des Kopfes und/oder am Kopf 176 platziert( 12).
Darüber hinaus illustriert die in 12 gezeigte Ausführungsform eine alternative Ausführungsform, wobei alle Funktionen der Datensammlung, Signalverarbeitung und Analyse in einer einzigen eigenständigen Einheit implementiert sind, die entweder in der Nähe des Körpers oder des Kopfes der Person platziert ist. Wie durch eine Anzeige auf der Vorrichtung 188 in 12 repräsentiert, kann die Signalverarbeitung eingesetzt werden, um die Größe der Gehirnwellenaktivität in verschiedenen Gehirnwellenfrequenzbändern von Interesse zu bestimmen und anzuzeigen. In 12 repräsentiert die Anzeige die Größe der Gehirnwellenaktivität in den Frequenzbändern „Theta“, „Alpha“ und „Beta“. Alternativ kann auch eine einzelne Anzeige des Grades der Aufmerksamkeit einer Person oder anderer Messungen bereitgestellt werden. In beiden Fällen können auch akustische Signale oder haptische Reaktionen eingesetzt werden, um anzuzeigen, wenn bestimmte vorprogrammierte Schwellenwerte entweder überschritten oder nicht erreicht wurden, und so den Benutzer darauf hinzuweisen, dass eine physiologische Veränderung notwendig ist.
13A illustriert eine beispielhafte Drei-Stäbe-Arraykonfiguration, in der mehrere berührungslose Sensoren angeordnet sein können. Wie gezeigt, sind die Sensoren 1310, 1320 und 1330 als parallele Stäbe innerhalb einer Kopfstütze 1300 angeordnet und mit der Vorrichtung 1340 gekoppelt. Wenn sich daher eine Person auf den Sitz setzt, befindet sich ihr Kopf natürlich in der Nähe der Kopfstütze 1300 und damit der Sensoren 1310, 1320 und 1330. Die Kopfstütze 1300 und das Stabarray können mit einem Material abgedeckt werden, das die Fähigkeit der Sensoren 1310, 1320 und 1330 zum Detektieren nicht beeinträchtigt. Selbstverständlich versteht es sich, dass die Stabarraykonfiguration der Sensoren 1310, 1320 und 1330 je nach Anwendung in eine beliebige Anzahl von anderen Gegenständen eingebaut werden kann.
13B illustriert eine beispielhafte konzentrische Ringarraykonfiguration, in der mehrere berührungslose Sensoren angeordnet werden können. Wie gezeigt, sind die Sensoren 1310, 1320 und 1330 als konzentrische Ringe innerhalb einer Kopfstütze 1300 eines Sitzes angeordnet und mit der Vorrichtung 1340 gekoppelt. Wenn sich daher eine Person auf den Sitz setzt, wird ihr Kopf natürlich in der Nähe der Kopfstütze 1300 und damit der Sensoren 1310, 1320 und 1330 positioniert. Ähnlich wie oben sollte es verstanden werden, dass die konzentrische Ringarraykonfiguration der Sensoren 1310, 1320 und 1330 abgedeckt und in eine beliebige Anzahl von Gegenständen je nach Anwendung eingebaut werden kann.
Die konzentrische Ringarraykonfiguration der Sensoren 1310, 1320 und 1330 schließt viele Vorteile ein, einschließlich, dass die Konfiguration hochgradig gerichtet sein kann. Zusätzlich dazu, dass das konzentrische Ringarray daher auf einen bestimmten Abschnitt des Kopfes oder Körpers einer Person ausgerichtet werden kann, kann eine Ausrichtung oder Bewegung des Kopfes einer Person detektiert werden. Die detektierte Ausrichtung oder Bewegung kann dann weiter verarbeitet werden, um die Bewegung zu erkennen und möglicherweise andere Vorrichtungen zu steuern. Darüber hinaus ermöglicht die konzentrische Ringarraykonfiguration Sensoren, dicht in Gegenständen platziert zu werden, wie z. B. in der Kopfstütze 1300. Im Beispiel der Kopfstütze 1300 kann mehr Sensormaterial pro Quadratinch zu einer Steigerung der Fähigkeit der Sensoren führen, das Rohsignal einer Person zu detektieren.
14 A illustriert eine beispielhafte berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung, die mindestens Sensoren aufweist, die in der Nähe einer Person positioniert sind. In diesem Beispiel ist eine Kopfstütze 1400 mit einer konzentrischen Ringarraykonfiguration von Sensoren 1410 ausgestattet. Die Sensoren 1410 sind mit einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gekoppelt, die sich entweder in der Nähe oder entfernt von den Sensoren 1410 befinden kann. Wenn eine Person 1450 sitzt, ist ihr Kopf in der Nähe der Kopfstütze 1400 positioniert, und so kann der Sensor 1410 rohe Signale der Gehirnwellenaktivität von der Person 1450 detektieren.
Wie oben beschrieben, kann die konzentrische Ringarraykonfiguration der Sensoren 1410 gerichtet sein, so dass ein vom Sensor 1410 detektiertes Signal variieren kann, wenn sich die Ausrichtung eines Objekts, das Signale emittiert, wie z. B. der Kopf einer Person, ändert. Dementsprechend kann das vom Sensor 1410 detektierte Signal variieren, wenn die Person 1450 ihren Kopf in einer „Ja“-Bewegung nickt (Pfeil 1460). Solche spezifischen Bewegungen des Kopfes können eine Variation des Signals verursachen, die eine bestimmte Signatur aufweisen kann, die die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 1420 identifizieren kann. In diesem Beispiel kann die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 1420 die Signatur des Signals als eine bejahende Geste oder Antwort identifizieren.
Sobald detektiert, kann die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 1420 handeln oder die detektierte Reaktion an eine andere Vorrichtung weiterleiten, um eine nachfolgende Aktion in Übereinstimmung mit der Geste durchzuführen. Zum Beispiel kann in einer automobilen Umgebung die Automatisierung einen Fahrer fragen, ob er einen eingehenden Telefonanruf während der Fahrt annehmen möchte. Falls die Person 1450 mit einer bejahenden Geste antwortet, könnte der Anruf automatisch verbunden werden; andernfalls könnte der Anruf abgelehnt werden.
14 B zeigt ein beispielhaftes Signal 1460, das von dem Sensor 1410 detektiert werden kann. In diesem Beispiel kann das Signal 1460 verarbeitet werden, um ein Signaturmuster zu identifizieren, das einer bestimmten Aktion einer Person 1450 in der Nähe des Sensors 1410 entspricht. Wie gezeigt, werden Abschnitte des Signals 1460, die einer oben beschriebenen bejahenden Geste oder Reaktion entsprechen, als eine „Ja“-Aktion 1470 identifiziert. Auch hier kann die detektierte „Ja“-Aktion 1470, sobald sie identifiziert wurde, aufgezeichnet und/oder verwendet werden, um weitere Ereignisse zu lenken.
Ähnlich wie in 14 A illustriert 15 A eine beispielhafte berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung, die in der Nähe einer Person positioniert ist. Auch hier ist eine Kopfstütze 1500 mit einer konzentrischen Ringarraykonfiguration von Sensoren 1510 ausgestattet. Die Sensoren 1510 sind mit einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung gekoppelt, die sich entweder in der Nähe oder entfernt von den Sensoren 1510 befinden kann, die die Signale der Gehirnwellenaktivität detektieren.
In diesem Beispiel kann das vom Sensor 1510 detektierte Signal variieren, wenn die Person 1550 ihren Kopf in einer „Nein“-Bewegung (Pfeil 1560) bewegt. In diesem Beispiel kann die berührungslose, gerichtete EEG-Vorrichtung 1520 eine Signatur des Signals als eine verneinende Geste oder Reaktion identifizieren.
15B zeigt ein beispielhaftes Signal 1560, das von dem Sensor 1510 detektiert werden kann. Auch hier kann das Signal 1560 verarbeitet werden, um ein Signaturmuster zu identifizieren, das einer bestimmten Aktion einer Person entspricht. Wie gezeigt, werden Abschnitte des Signals 1560, die einer oben beschriebenen verneinenden Geste oder Reaktion entsprechen, als eine „Nein“-Aktion 1570 identifiziert. Sobald identifiziert, kann die detektierte „Nein“-Aktion 1570 aufgezeichnet und/oder verwendet werden, um weitere Ereignisse zu lenken.
16 A und B zeigen Signale, die von einer berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung detektiert werden, wenn sich eine Person entsprechend in der Nähe oder nicht in der Nähe der Vorrichtung befindet. Eine solche Detektion kann nützlich sein, um festzustellen, ob sich eine Person in einem Raum befindet, wie z. B. auf einem Stuhl sitzt. Zum Beispiel weist in 16A das detektierte Signal 1610 (Theta-Band) ein Signaturmuster auf, das anzeigt, dass sich eine Person in der Nähe eines Senors befindet, während in 16B das detektierte Signal 1620 ein anderes Signaturmuster aufweist, das anzeigt, dass sich eine Person nicht in der Nähe eines Senors befindet. Die unterschiedlichen Signaturmuster können sich in der Größe und/oder im Frequenzmuster unterscheiden und können von der berührungslosen, gerichteten EEG-Vorrichtung identifiziert werden. Sobald identifiziert, können sie aufgezeichnet und/oder verwendet werden, um weitere Ereignisse zu lenken.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung hierin illustriert und beschrieben wurden, wird erkannt, dass dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und Änderungen in den Sinn kommen werden. Es versteht sich daher, dass die beigefügten Ansprüche alle Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die innerhalb des wahren Geistes und Umfangs der Erfindung liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15/497734 [0001]
US 62/329259 [0001]
US 6097981 [0046]
US 6402520 [0046]
US 6626676 [0046]
US 2004/0230549 [0046]
US 12/112528 [0046]

Claims

Vorrichtung zum Überwachen einer elektrischen Aktivität, die von einem Gehirn einer Person erzeugt wird, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Array aus einer Vielzahl von berührungslosen Sensoren, wobei jeder der berührungslosen Sensoren konfiguriert ist, um elektrische Signale bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW) zu detektieren, die vom Gehirn der Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu kommen, wobei jeder der berührungslosen Sensoren an einem externen Objekt angebracht ist, das konfiguriert ist, um berührungslos zu sein und während der Verwendung von der Person getrennt ist, wobei jeder der berührungslosen Sensoren mindestens eine Trockenelektrode oder ein berührungsloser Biopotentialsensor in Form einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ist, und wobei jeder der berührungslosen Sensoren innerhalb des Arrays angeordnet ist, um eine Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen eines Kopfes der Person aufzunehmen, wobei jeder der Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array konfiguriert ist, um die elektrischen Signale innerhalb verschiedener Frequenzbänder zu detektieren, und wobei das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren konfiguriert ist, um die elektrischen Signale in einem Abstand von 10 bis 36 Inches von der Person zu detektieren; und eine mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelte Verstärkungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um Analysesignale zu erzeugen, die den vom Gehirn der Person produzierten elektrischen Signalen entsprechen, indem Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, gedämpft werden, während Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, verstärkt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei verschiedene Frequenzbänder ein Delta-Band mit einer Frequenz bis zu 3 Hz, ein Theta-Band mit einer Frequenz zwischen 4 Hz und 8 Hz, ein Alpha-Band mit einer Frequenz zwischen 12 Hz und 30 Hz und ein Gamma-Band mit einer Frequenz zwischen 26 Hz und 100 Hz einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsvorrichtung Folgendes einschließt: einen Hochpassfilter, der mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelt ist, wobei der Hochpassfilter konfiguriert ist, um ein erstes gefiltertes Signal zu erzeugen; einen ersten Verstärker, der konfiguriert ist, um das erste gefilterte Signal von dem Hochpassfilter zu empfangen und ein erstes verstärktes Signal zu erzeugen; einen zweiten Verstärker, der konfiguriert ist, um das erste verstärkte Signal von dem ersten Verstärker zu empfangen und ein zweites verstärktes Signal zu erzeugen; einen Tiefpassfilter, der konfiguriert ist, um das zweite verstärkte Signal von dem zweiten Verstärker zu empfangen und ein zweites gefiltertes Signal zu erzeugen; einen dritten Verstärker, der konfiguriert ist, um das zweite gefilterte Signal von dem Tiefpassfilter zu empfangen und die Analysesignale zu erzeugen; und einen Analog-Digital-Wandler, der konfiguriert ist, um die Analysesignale von dem dritten Verstärker zu empfangen und die Analysesignale zu digitalisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen Prozessor, der konfiguriert ist, um einen Algorithmus auf die Analysesignale anzuwenden, um Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die einem Zustand der Person entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Zustand der Person mindestens eines aus einem emotionalen Zustand, einem kognitiven Belastungszustand, einem Ermüdungsgrad, einem Schläfrigkeitsgrad, einem Aufmerksamkeitsgrad und einem Wachheitszustand der Person einschließt, und wobei der Prozessor konfiguriert ist, um den Zustand der Person basierend auf den detektierten elektrischen Signalen innerhalb der verschiedenen Frequenzbänder zu bestimmen, indem der Algorithmus für jeden Zustand der Person ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei, wenn der Prozessor ein Muster detektiert, das einem vorbestimmten Zustand der Person entspricht, der Prozessor ein Aktionssignal an eine andere Vorrichtung überträgt, um eine nachfolgende Aktion durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen Prozessor, der konfiguriert ist, um die Analysesignale zu analysieren, um Muster in den Analysesignalen zu detektieren, die einer Aktivität der Person entsprechen; optional: wobei die Aktivität der Person das Bewegen des Kopfes der Person in einer bejahenden Geste oder einer verneinenden Geste einschließt; oder: wobei die Aktivität der Person das Bewegen des Kopfes oder eines Körpers der Person einschließt, so dass die Vorrichtung detektiert, ob ein von den berührungslosen Sensoren überwachter Raum von der Person entsprechend besetzt oder unbesetzt ist; oder: wobei, wenn der Prozessor die Muster detektiert, die der Aktivität der Person entsprechen, der Prozessor ein Aktionssignal an eine andere Vorrichtung überträgt, um eine nachfolgende Aktion durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die berührungslosen Sensoren entfernt vom Kopf der Person, aber in der Nähe von mindestens einem von Nacken, Rücken und Gesäß der Person angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die berührungslosen Sensoren in mindestens einer von einer Stabkonfiguration und einer konzentrischen Ringkonfiguration konfiguriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Hochpassfilter konfiguriert ist, um das erste gefilterte Signal durch Dämpfen von Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale zu erzeugen, wobei die gedämpften Frequenzkomponenten niedriger als eine erste Grenzfrequenz sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der erste Verstärker konfiguriert ist, um das erste verstärkte Signal durch Verstärken von Komponenten des ersten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen; optional: wobei der zweite Verstärker konfiguriert ist, um das zweite verstärkte Signal durch Verstärken der Komponenten des ersten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen; optional hierzu wobei der Tiefpassfilter konfiguriert ist, um das zweite gefilterte Signal durch Dämpfung von Frequenzkomponenten des zweiten verstärkten Signals zu erzeugen, wobei die gedämpften Frequenzkomponenten höher als eine zweite Grenzfrequenz sind; optional hierzu wobei der dritte Verstärker konfiguriert ist, um die Analysesignale durch Verstärken von Komponenten des zweiten gefilterten Signals zu erzeugen, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um die Person aufzufordern, eine Kopfstütze auf eine maximale schützende Position einzustellen, basierend auf einer Variation der Signalstärke der elektrischen Signale, die von dem Array detektiert werden, entsprechend einer Position des Kopfes der Person über ein auditives, visuelles oder haptisches Feedback; optional: wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um die Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array mechanisch einzustellen, um eine größte Signalstärke der elektrischen Signale zu erfassen; optional hierzu wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um digitale und analoge Prozesse zu modifizieren, um die größte Signalstärke der elektrischen Signale in verschiedenen Abständen von der Kopfstütze zu erfassen; oder: wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um das Rauschen der detektierten elektrischen Signale zu reduzieren, indem mindestens eine erste Welle einer Vielzahl von Wellen der detektierten elektrischen Signale um genau eine halbe Wellenlänge verzögert wird, Wellentäler mit Wellenbergen von mindestens einer zweiten Welle der Vielzahl von Wellen in einem Neuro-Frequenzband abgeglichen werden und eine Differenz zwischen einer Amplitude der ersten Welle und einer Amplitude der zweiten Welle berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren Schichten von symmetrischen oder asymmetrischen Leiterplatten mit Antenne einschließt, um Neuro-Signale aus größeren Entfernungen aufgrund einer vergrößerten Oberfläche zu erfassen; optional: wobei die mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelte Verstärkungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Schichten der symmetrischen oder asymmetrischen Leiterplatten zu verstärken, um Neuro-Signale aus größeren Entfernungen zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um: die Analysesignale zu analysieren, um die Muster in den Analysesignalen, die einem Zustand der Person entsprechen, durch künstliche Intelligenz (KI) und/oder maschinelles Lernen zu detektieren; und das Erfassen von Emotionen zu nutzen, um den Inhalt und den Betrieb des Fahrzeugs zu personalisieren, was die Leistung des Fahrzeugs basierend auf dem Zustand der Person verändern würde; optional: wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um: einen Ermüdungsgrad oder einen Schläfrigkeitsgrad der Person über die Kl und/oder das maschinelle Lernen zu bestimmen; und einen Alarm für die Person bereitzustellen, basierend mindestens auf einem aus dem Ermüdungsgrad oder dem Schläfrigkeitsgrad der Person, wobei der Alarm mindestens ein haptischer Alarm, ein akustischer Alarm oder ein visueller Alarm ist; optional hierzu: wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um: zu bestimmen, dass sich mindestens eines aus dem Ermüdungsgrad oder dem Schläfrigkeitsgrad der Person nicht geändert hat, nachdem der Alarm der Person bereitgestellt wurde; und das Fahrzeug so zu steuern, dass es in einem sicheren Bereich anhält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um andere Vorrichtungen basierend auf dem bestimmten Zustand der Person zu steuern; oder: wobei der erste Verstärker ein einstufiger Verstärker mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 73 ist, der zweite Verstärker ein Operationsverstärker mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 101 ist, und der dritte Verstärker ein Verstärker mit einer durchschnittlichen Verstärkung von 2 ist; oder: wobei der Prozessor konfiguriert ist, um den Algorithmus zu verwenden, um den Zustand der Person zu bestimmen, und den Algorithmus basierend auf dem Zustand der Person automatisch zu kalibrieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Tiefpassfilter ein Antialiasing-Filter ist, der ein Tiefpassfilter 8. Ordnung ist, der mit einer monolithischen Vorrichtung mit geschalteten Kondensatoren implementiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend fünf oder sechs Arrays der Vielzahl von berührungslosen Sensoren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor weiter konfiguriert ist, um eine Richtung des Kopfes der Person basierend auf einer Variation der von dem Array detektierten Signalstärke in Abhängigkeit von einer Position des Kopfes der Person zu bestimmen.
Verfahren zur Überwachung der von einem Gehirn erzeugten elektrischen Aktivität, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Detektieren, durch ein Array einer Vielzahl von berührungslosen Sensoren, von elektrischen Signalen bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW), die vom Gehirn einer Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu kommen, wobei die berührungslosen Sensoren an einem externen Objekt angebracht sind, das konfiguriert ist, um berührungslos zu sein, und während der Verwendung von der Person getrennt ist, wobei jeder der berührungslosen Sensoren mindestens eine Trockenelektrode oder ein berührungsloser Biopotentialsensor in Form einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ist, und wobei jeder der berührungslosen Sensoren innerhalb des Arrays angeordnet ist, um eine Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen eines Kopfes der Person aufzunehmen; Detektieren, durch jeden der Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array, der elektrischen Signale innerhalb verschiedener Frequenzbänder; Detektieren, durch das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren, der elektrischen Signale in einem Abstand von 10 bis 36 Inches von der Person; und Erzeugen, durch eine mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelte Verstärkungsvorrichtung, von Analysesignalen, die den vom Gehirn der Person produzierten elektrischen Signalen entsprechen, indem Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, gedämpft werden, während Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, verstärkt werden.
Nicht-transitorisches computerlesbares Medium, das computerlesbare Anweisungen darauf speichert, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Verfahren zur Überwachung eines physiologischen Zustands einer Person durchzuführen, die einen Körper einschließlich eines Kopfes aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Detektieren, durch ein Array einer Vielzahl von berührungslosen Sensoren, von elektrischen Signalen bis hinunter zu 50 Nanowatt (nW), die von einem Gehirn der Person produziert werden, ohne mit der Person in Berührung zu kommen, wobei die berührungslosen Sensoren an einem externen Objekt angebracht sind, das konfiguriert ist, um berührungslos zu sein, und während der Verwendung von der Person getrennt ist, wobei jeder der berührungslosen Sensoren mindestens einer von einer Trockenelektrode oder einem berührungslosen Biopotentialsensor in Form einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ist, und wobei jeder der berührungslosen Sensoren innerhalb des Arrays angeordnet ist, um eine Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen des Kopfes der Person aufzunehmen; Detektieren, durch jeden der Vielzahl von berührungslosen Sensoren in dem Array, der elektrischen Signale innerhalb verschiedener Frequenzbänder; Detektieren, durch das Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren, der elektrischen Signale in einem Abstand von 10 bis 36 Inches von der Person; und Erzeugen von Analysesignalen, durch eine mit dem Array der Vielzahl von berührungslosen Sensoren gekoppelte Verstärkungsvorrichtung, die den vom Gehirn der Person produzierten elektrischen Signalen entsprechen, indem Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die nicht mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, gedämpft werden, während Frequenzkomponenten der detektierten elektrischen Signale, die mit den Analysesignalen in Beziehung stehen, verstärkt werden.