IT201900007407A1

IT201900007407A1 -

Info

Publication number: IT201900007407A1
Application number: IT201900007407A
Authority: IT
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2019-05-28
Also published as: EP3753486A3; EP3753486A2

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo

“ELETTRODO A SECCO PER LA MISURAZIONE DI SEGNALI BIOELETTRICI E RELATIVO DISPOSITIVO”

DESCRIZIONE

Campo tecnico dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un elettrodo a secco per la misurazione di segnali bioelettrici EEG e ad un dispositivo che impiega tale elettrodo.

Stato della tecnica

Gli elettrodi tradizionali utilizzati per la misurazione di segnali bioelettrici, come ad esempio i segnali registrati in un elettroencefalogramma (EEG), si possono classificare in elettrodi passivi e attivi.

Un elettrodo passivo è composto da una parte terminale elettricamente conduttiva che rileva il segnale elettrico. Questo segnale viene trasportato tramite un collegamento elettrico ad una scheda elettronica remota che si occupa di processare il segnale. Questa soluzione permette di realizzare elettrodi a basso costo, tuttavia, maggiormente soggetti a disturbi elettrici. Essi richiedono, quindi, l’utilizzo di complessi algoritmi numerici in grado di cancellare il disturbo solo parzialmente. Per ridurre l’impedenza tra l’elettrodo e il cuoio cappelluto, un elettrodo passivo richiede l’impiego di una soluzione salina o di un gel conduttivo all’interfaccia tra l’elettrodo e il cuoio capelluto. Con il passare del tempo, il gel o la soluzione salina si asciugano, rendendo necessaria una nuova applicazione. Questa operazione è molto laboriosa, richiede l’intervento di un assistente e una quantità di tempo significativa. Sebbene possa risultare accettabile in ambito clinico, essa è impraticabile per un uso quotidiano.

Un elettrodo attivo si differenzia da quello passivo per il fatto di incorporare un circuito di amplificazione all’interno dell’elettrodo stesso. Questo permette di trasportare il segnale ad impedenza molto più bassa e, quindi, lo rende molto meno suscettibile al rumore. Un elettrodo attivo può essere di tipo resistivo oppure capacitivo. Un elettrodo attivo di tipo resistivo richiede un contatto diretto tra il cuoio capelluto e l’elettrodo per il trasferimento del segnale. Un elettrodo di tipo capacitivo, invece, non entra in diretto contatto con il cuoio capelluto del paziente, ma sfrutta un collegamento capacitivo tra il cuoio capelluto e l’elettrodo.

Come già accennato, la caratteristica principale dell’elettrodo attivo è data dal fatto che sfrutta il principio di trasformazione dell’impedenza a livello dell’elettrodo stesso. Il punto di contatto dell’elettrodo può essere collegato ad un amplificatore operazionale con elevata impedenza di ingresso. L’alta impedenza dell’amplificatore operazionale permette di evitare che l’impedenza all’interfaccia tra cuoio capelluto ed elettrodo riduca significativamente l’ampiezza ed il rapporto segnale/rumore del segnale acquisito. Un elettrodo attivo, quindi, non richiede l’utilizzo di una soluzione salina o un gel per abbassare l’impedenza di contatto tra l’elettrodo ed il cuoio capelluto.

L’elettrodo attivo di tipo resistivo, solitamente, presenta un elemento di contatto che deve raggiungere il cuoio capelluto del paziente. La diversa morfologia del cranio del paziente può creare dei problemi di contatto con l’elettrodo o arrecare fastidio al paziente. Inoltre, la presenza dei capelli può interferire con il contatto elettrico e, quindi, con la qualità del segnale acquisito.

Una soluzione tipicamente adottata per mantenere l’elettrodo in contatto con il cuoio capelluto consiste nell’utilizzo di una cuffia elastica all’interno della quale vengono applicati gli elettrodi. La cuffia elastica imprime la forza necessaria per mantenere un buon contatto tra il cuoio capelluto e la superficie dell’elettrodo.

Alcune soluzioni note di tipo tradizionale prevedono l’utilizzo di una matrice di punte telescopiche posizionate all’estremità dell’elettrodo. Queste, entrando in contatto con il cuoio capelluto, si comprimono adattandosi alla morfologia della testa del paziente.

In particolare, il documento WO 2016/166740 A1 presenta un elettrodo composto da una matrice di 32 punte telescopiche retrattili, ognuna delle quali si comprime quando sottoposta a pressione. Per fornire mobilità lungo l’asse longitudinale e trasversale dell’elettrodo, l’elettrodo è posizionato all’interno di una cuffia elastica. Il movimento rotatorio dell’elettrodo è fornito esclusivamente dall’elasticità della cuffia. Un filo conduttore è utilizzato per collegare l’elettrodo proposto ad una scheda elettronica che effettua l’acquisizione. L’elettrodo proposto è del tipo a secco, ma non presenta un circuito elettronico attivo integrato nell’elettrodo stesso.

Il documento US 2014/0288406 A1 propone diverse strutture geometriche flessibili a pettine (L, circolari, ecc.) per facilitare la penetrazione di un elettrodo metallico tra i capelli del paziente. Per mantenere gli elettrodi in contatto con il cuoio capelluto, viene utilizzata una cuffia elastica, all’interno della quale vengono disposti gli elettrodi mediante un fissaggio a pressione. Essi vengono collegati per mezzo di un filo conduttore ad una scheda elettronica che si occupa di acquisire i segnali.

Nel documento US 2014/051044 A1 vengono proposte diverse soluzioni per l’acquisizione di segnali EEG mediante l’utilizzo di un dispositivo composto da due o più fasce regolabili, ognuna delle quali può contenere una pluralità di elettrodi. Tuttavia, nessuna delle soluzioni proposte menziona un circuito elettronico attivo integrato all’interno dell’elettrodo (si veda in particolare la Fig.29 del documento citato).

Nel documento WO 2008/109694 A1, dal paragrafo [0067] al [0088], vengono proposte diverse soluzioni che permettono di realizzare un elettrodo per l’acquisizione di segnali EEG. In particolare, l’elettrodo presentato nelle Figure 5A-F mostra alcune similarità con la presente invenzione. In questa soluzione, l’elettrodo include un circuito stampato (PCB) e un elemento flessibile (molla) conduttivo che collega elettricamente la parte mobile in contatto con il cuoio capelluto ed il PCB. Tuttavia, in questa soluzione l’elemento flessibile è racchiuso e mantenuto in compressione dall’elemento di contatto posizionato alla sua estremità, il quale è bloccato all’interno di un supporto. Anche se è presente una molla, l’elemento di contatto l’attrito esercitato dal supporto, contro l’elemento di contatto, ne limita il movimento. Inoltre, nella citata invenzione la parte terminale dell’elettrodo è costituita da un idrogel. Un’altra limitazione della citata invenzione si identifica nella modalità con cui la parte di contatto dell’elettrodo è vincolata al supporto. In particolare, nel caso in cui fosse applicata una sufficiente forza di torsione, l’elemento di contatto potrebbe, in via accidentale, uscire dal supporto o rimanere incastrato all’interno in una configurazione non idonea all’utilizzo.

Il documento US 2009/0105576 A1, propone le medesime soluzioni per l’elettrodo già presentate nel documento WO 2008/109694 A1.

Il documento WO 2016/200871 A1 descrive un sistema composto da un caschetto e una pluralità di sensori. Il caschetto proposto è adatto per l’utilizzo in bambini e adulti, ed è pensato per attività ludiche in grado, ad esempio, di allenare l’attenzione di un soggetto.

Infine, nel documento US2009/0112077A1 è descritta una soluzione simile a quella del documento WO 2008/109694 A1, ma che utilizza una molla conica.

Sommario dell’invenzione

In un sistema di acquisizione di segnali EEG è importante mantenere il contatto elettrico tra gli elettrodi ed il cuoio capelluto del soggetto. Per elettrodo si intende un dispositivo che permette di acquisire segnali bioelettrici da un soggetto.

La presente invenzione propone un elettrodo a secco composto da una parte a contatto con il cuoio capelluto del soggetto e da un circuito elettronico, posto all’interno dello stesso, che si occupa di disaccoppiare l’impedenza del segnale acquisito. Al fine di migliorare il contatto con la superficie cranica non regolare del soggetto, in questa invenzione viene proposto un metodo per garantire il posizionamento dell’elettrodo e fornire due gradi di libertà rotazionali aggiuntivi alla parte di contatto rispetto al corpo dell’elettrodo stesso che comprende il circuito elettronico e l’alloggiamento.

Normalmente, per garantire l’aderenza, l’elettrodo è ancorato ad un sostegno che imprime una forza lungo l’asse longitudinale dell’elettrodo. In ambiente clinico sono ampiamente utilizzate cuffie con specifici ancoraggi che mantengono gli elettrodi in posizione. Tali cuffie possono ospitare un numero elevato di elettrodi ma non sono adatte ad un dispositivo per uso non clinico, dove sono richieste velocità di applicazione e facilità di utilizzo. Per questo motivo si propone l’utilizzo di lamelle come sostegno per gli elettrodi. Tali lamelle sono utilizzate per collegare una moltitudine di elettrodi a due supporti posti sopra le orecchie del soggetto. Le lamelle vengono preformate in modo tale che, una volta deformate rispetto alla loro configurazione iniziale, imprimano una forza verso il capo del soggetto. Le lamelle possono essere realizzate in acciaio semiarmonico preformato oppure altro materiale, anche non metallico, con analoghe caratteristiche di elasticità.

Il grado di libertà fornito dalla deformazione della lamella non è sufficiente a garantire un contatto uniforme dell’elettrodo nel caso in cui la superficie cranica dell’utente non sia perfettamente perpendicolare all’asse longitudinale dell’elettrodo. Per migliorare ulteriormente la qualità del contatto ed il comfort del soggetto viene proposta la seguente soluzione.

Tra l’elemento di contatto dell’elettrodo e la scheda elettronica viene posizionato un componente elastico conduttivo (molla di compressione). In questo modo, l’elemento di contatto può ruotare rispetto ai suoi assi trasversali garantendo la perpendicolarità tra la superficie cranica dell’utente e l’elemento di contatto. L’elemento di contatto può essere ancorato tramite una vite all’alloggiamento dell’elettrodo. La vite non è responsabile della conduzione del segnale ma serve ad evitare l’allontanamento dell’elemento di contatto a causa della spinta della molla di compressione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà ora descritta più in dettaglio con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la Figura 1 illustra un casco per la lettura dei segnali EEG e le parti principali che lo compongono,

le Figure 2a e 2b sono, rispettivamente, una vista in elevazione frontale e laterale di un elettrodo secondo la presente invenzione per l’acquisizione di un segnale bioelettrico,

le Figure 3a e 3b sono, rispettivamente, una vista dal basso e prospettica dell’elettrodo di Figura 2a,

la Figura 4 è una vista in sezione dell’elettrodo di Figura 2a, e la Figura 5a e 5b sono rispettivamente una vista in esploso e una vista laterale dell’elettrodo di Figura 2a e della relativa lamella preformata atta a premere l’elettrodo sulla superficie cranica di un utente.

Descrizione di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione La Figura 1 mostra un esempio di dispositivo per la lettura di segnali EEG, indicato nel complesso con 100. Questo dispositivo è sostanzialmente formato da un elemento arcuato che, appoggiato sul capo di un soggetto in esame, tiene gli elettrodi 108 aderenti alla testa dell’utente. Il dispositivo 100 ha un corpo centrale 103 che contiene la scheda elettronica principale. La scheda elettronica principale elabora i segnali EEG digitalizzati e li trasmette, tramite un protocollo di comunicazione wireless, ad un elaboratore remoto. A partire dal corpo centrale 103 si estendono due arcate flessibili 102 e 104 che possono essere di materiale plastico o di altro materiale adatto. Le due arcate 102 e 104 sostengono due padiglioni laterali 101 e 105. Questi padiglioni 101 e 105 sono posizionati all’altezza delle orecchie dell’utente durante l’utilizzo del dispositivo. Essi supportano delle lamelle metalliche preformate 107 e contengono l’elettronica che converte i segnali analogici provenienti dagli elettrodi 108 in segnali digitali. Queste lamelle metalliche preformate 107 si diramano a partire dai padiglioni 101 e 105 e ciascuna reca alla propria estremità libera un elettrodo 108 per l’acquisizione del segnale EEG nella posizione di interesse. La combinazione di arcate flessibili 102, 104 e di lamelle metalliche 107 rende il dispositivo facilmente e convenientemente adattabile alle diverse morfologie craniche dei possibili utenti. Inoltre, l’elasticità delle lamelle è vantaggiosa per mantenere in posizione gli elettrodi e per esercitare una forza di contatto adeguata. Infatti, le lamelle, una volta deformate rispetto alla loro posizione di riposo, imprimono una forza agli elettrodi verso la testa dell’utente.

Al fine di migliorare ulteriormente il contatto con il cuoio capelluto dell’utente e il comfort durante l’utilizzo, l’invenzione propone una soluzione per aggiungere ulteriori gradi di libertà alla parte terminale di contatto dell’elettrodo 108 e, in questo modo, adattare l’orientazione dell’elettrodo 108 alla superficie generalmente non regolare della superficie cranica dell’utente. La Figure 2, 3 e 4 illustrano l’elettrodo inventivo proposto. L’elettrodo presenta un corpo di elettrodo 200 composto da due coperchi 201, 202 che servono ad alloggiare la scheda elettronica 209. La scheda elettronica 209 inserita nell’elettrodo viene utilizzata per amplificare i segnali prelevati dall’utente e disaccoppiare l’impedenza con il resto del circuito. Un primo stadio di amplificazione è necessario all’interno dell’elettrodo stesso nel caso di elettrodo a secco per garantire una buona qualità del segnale EEG al livello del convertitore analogico/digitale.

L’elettrodo presenta un elemento di contatto 203. Tale elemento di contatto è dotato di diverse punte, 207, che servono a entrare in contatto con il cuoio capelluto attraverso i capelli dell’utente. La parte posteriore dell’elemento di contatto 203 mantiene in sede una molla di compressione 206. L’elemento di contatto 203 può essere fissato all’alloggiamento dell’elettrodo tramite una vite 204. La vite 204 è preferibilmente metallica e in questo caso ha dimensioni M1.4 x 10 mm. La vite 204 non è usata per realizzare la connessione elettrica tra l’elemento di contatto 203 e la scheda elettronica 209 ma ha il solo scopo di evitare l’allontanamento dell’elemento di contatto 203 a causa della spinta esercitata dalla molla di compressione 206. Una gabbia per dado all’interno del coperchio 202 permette di alloggiare il dado 211. Il dado 211 viene usato per fermare la vite 204 che passa all’interno di un foro nell’elemento di contatto 203. Poiché il foro nell’elemento di contatto 203 presenta una forma conica, l’elemento di contatto 203 è mobile rispetto alla vite 204.

La molla 206 qui illustrata è una molla conica, ma si potrebbe utilizzare qualsiasi altro elemento elastico tecnicamente equivalente. La molla 206, che in questo caso ha una lunghezza di 10 mm a riposo, ha una doppia funzione: da un lato serve a fissare la posizione di riposo dell’elemento di contatto rispetto al corpo dell’elettrodo, e dall’altro lato serve a garantire il collegamento elettrico tra l’elemento di contatto stesso e la scheda elettronica.

La scheda elettronica presenta un foro passante attraversato dalla vite 204. Questo foro passante delimita sulla superficie della scheda elettronica un’area di corona circolare costituita da un materiale conduttore. Questa superficie conduttrice consente di ottenere una connessione elettrica al circuito elettronico presente sulla scheda. La molla 206 entra in contatto, da un lato, con la superficie conduttrice della scheda elettronica 209 e, dall’altro lato, con l’elemento di contatto 203. L’utilizzo di una molla conica con diametri differenti alle due estremità permette alla stessa di adattarsi al diametro medio della superficie conduttrice della scheda elettronica ed alla sede dell’elemento di contatto.

Durante l’utilizzo del dispositivo, la forza esercitata dalla lamella preformata 107 causa una lieve compressione della molla 206. Tale compressione allontana l’elemento di contatto 203 dalla testa della vite 204, permettendo piccole rotazioni dello stesso rispetto agli assi trasversali dell’elettrodo. Difatti, questa struttura fornisce due ulteriori gradi di libertà rotazionali all’elemento di contatto 203. Questi gradi di libertà garantiscono migliore aderenza nel caso in cui la superficie cranica dell’utente non sia perpendicolare all’asse longitudinale dell’elettrodo.

La Figura 5 mostra una vista dell’elettrodo di Figura 2a e della relativa lamella preformata atta a premere l’elettrodo sulla superficie cranica di un utente. Per collegare la lamella 107 all’elettrodo 200 può essere utilizzato un ulteriore dado 212 ingabbiato nel coperchio 202 ed una vite 205 passante in un foro della lamella stessa. La vite 205 è anche responsabile dell’assemblaggio dei due coperchi 201 e 202 insieme alla vite 210. Per connettere la scheda elettronica 209 al circuito di acquisizione può essere utilizzato un cavo elettrico 214 che corre parallelo alla lamella 107. Tale cavo 214 entra all’interno del corpo dell’elettrodo tramite un foro passante 208 nel coperchio 202.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Elettrodo a secco (108) per la misurazione di segnali bioelettrici, comprendente un corpo di elettrodo (200) e un elemento di contatto (203) destinato ad essere posto a contatto con una porzione del cuoio capelluto di un utente, caratterizzato dal fatto che: - detto elemento di contatto (203) è collegato in modo articolato e scorrevole rispetto a detto corpo di elettrodo (200) ed è sollecitato da mezzi elastici (206) interposti tra detto corpo di elettrodo (200) e detto elemento di contatto (203), al fine di adattare l’inclinazione di detto elemento di contatto (203) rispetto ad una porzione di cuoio capelluto di un utente, - detto corpo di elettrodo (200) include un circuito elettronico (209) al fine di amplificare il segnale elettrico rilevato dall’elemento di contatto (203) dell’elettrodo e disaccoppiare l’impedenza, - detti mezzi elastici (206) interposti tra detto corpo di elettrodo (200) e detto elemento di contatto (203) sono formati da, oppure comprendono, un materiale elettricamente conduttore; il segnale elettrico rilevato da detto elemento di contatto (203) è trasmesso al circuito elettronico (209) tramite detti mezzi elastici (206).
2. Elettrodo a secco secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per il collegamento articolato di detto elemento di contatto (203) a detto corpo di elettrodo (200) è previsto un foro conico passante nell’elemento di contatto (203) e un elemento allungato (204) inserito in detto foro conico dell’elemento di contatto; detto elemento allungato (204) è fissato in una sua estremità a detto corpo di elettrodo (200) e presenta nella sua estremità opposta un allargamento che s’impegna in detto foro conico dell’elemento di contatto (203) consentendo a detto elemento di contatto (203) di ruotare e di scorrere relativamente all’asse dell’elemento allungato.
3. Elettrodo a secco secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elastici (206) sono formati da una molla di materiale elettricamente conduttore interposta tra detto elemento di contatto (203) e una parte elettricamente conduttrice di detto circuito elettronico (209) in detto corpo di elettrodo (200).
4. Elettrodo a secco secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta molla (206) è una molla elicoidale conica e l’estremità di diametro maggiore di detta molla (206) è in contatto con detto elemento di contatto (203), mentre l’estremità di diametro minore è in contatto con una parte elettricamente conduttrice di detto circuito elettronico (209) in detto corpo di elettrodo (200).
5. Elettrodo a secco secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento allungato (204) è formato da una vite con una testa svasata, il cui bordo è a contatto con la parete del foro conico passante di detto elemento di contatto (203), e uno stelo rivolto verso il corpo di elettrodo (200) che presenta una parte filettata che s’impegna in un foro filettato nel corpo di elettrodo (200).
6. Dispositivo (100) per la lettura di segnali bioelettrici attraverso una pluralità di elettrodi (108) secondo le rivendicazioni 1 o 2, formato da un corpo centrale (103), contenente una scheda elettronica, da cui si prolungano due parti flessibili (102, 104) a formare un’arcata destinata ad essere appoggiata sul capo di un utente; dette parti flessibili (102, 104) sono atte a sostenere due padiglioni laterali (101, 105) posizionati vicino alle orecchie dell’utente durante l’utilizzo del dispositivo; detti padiglioni (101, 105) contengono due schede elettroniche atte ad acquisire i segnali bioelettrici analogici e a convertirli in segnali digitali; detti padiglioni laterali (101, 105) supportano lamelle preformate (107) che recano ciascuna alla propria estremità libera un elettrodo (108) per l’acquisizione del segnale bioelettrico.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che ciascuna lamella preformata (107) è configurata in modo da determinare una compressione almeno parziale dell’elemento elastico (206) interposto tra detto elemento di contatto (203) e detto corpo di elettrodo (200) quando il dispositivo è applicato al capo di un utente; detta compressione, almeno parziale, di detto elemento elastico (206) determina un aumento dei gradi di libertà di detto elemento di contatto (203) rispetto al corpo di elettrodo (200) e consente a detto elemento di contatto (203) di adattarsi alla superficie cranica dell’utente.