RU197456U1

RU197456U1 - Portable electroencephalograph

Info

Publication number: RU197456U1
Application number: RU2020101592U
Authority: RU
Inventors: Денис Иванович Большаков; Михаил Андреевич Мищенко
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-04-28

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована при изготовлении исследовательских и используемых в медицинской практике портативных электроэнцефалографов. Предлагается электроэнцефалограф, содержащий электроды, размещаемые с помощью держателя на голове пациента, канальные усилители и узел обработки сигналов, получаемых с помощью многоканального интерфейса от электродов и регистрации электроэнцефалограммы. Канальные усилители и узел обработки сигналов выполнены в виде присоединённых к упомянутым электродам дифференциальных каналов и, по меньшей мере, одного индифферентного канала и одного референсного канала, подключённых к многоканальному входу блока оцифровки и предобработки сигналов, подключённого к блоку постобработки и коммуникации сигналов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to medical equipment and can be used in the manufacture of portable electroencephalographs used in research and used in medical practice. An electroencephalograph is proposed that contains electrodes placed with a holder on the patient’s head, channel amplifiers, and a signal processing unit obtained using a multi-channel interface from electrodes and recording an electroencephalogram. Channel amplifiers and a signal processing unit are made in the form of differential channels connected to the said electrodes and at least one indifferent channel and one reference channel connected to a multi-channel input of the digitization and signal preprocessing unit connected to the signal processing and processing unit. 4 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована при изготовлении исследовательских и используемых в медицинской практике портативных электроэнцефалографов.The utility model relates to medical equipment and can be used in the manufacture of portable electroencephalographs used in research and used in medical practice.

В настоящем описании под электроэнцефалографом понимается устройство для измерения и регистрации электроэнцефалограммы, содержащей информацию об электрофизиологической активности головного мозга.In the present description, an electroencephalograph means a device for measuring and recording an electroencephalogram containing information about the electrophysiological activity of the brain.

Такое устройство в традиционном исполнении состоит из электродов, размещаемых с помощью держателя на голове пациента, многоканального коммутатора отведения сигналов, снимаемых с электродов, усилителя указанных сигналов, калибратора этих сигналов и регистратора электроэнцефалограммы (см., например сведения об устройстве и принципе работы электроэнцефалографа на сайте в Интернет: https://fortis-med.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-ehlektroehncefalografa/ ).Such a device in a traditional design consists of electrodes placed with a holder on the patient’s head, a multi-channel switch for removing signals from the electrodes, an amplifier for these signals, a calibrator of these signals, and an electroencephalogram recorder (see, for example, information about the device and the principle of operation of the electroencephalograph on the website on the Internet: https://fortis-med.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-ehlektroehncefalografa/).

Уровень техники в области устройств для считывания электрических сигналов с поверхности головы пациента и фиксации информации о них характеризуется решениями, совершенствующими канальное усиление этих сигналов в условиях ослабления разного рода шумовых помех (см., например, систему получения электроэнцефалографических сигналов с низким уровнем шума по патенту CN106236082, A61B5/00, A61B5/0476, 2016) или совершенствующими интерфейс, определяющий конструктивную компоновку средств передачи и усиления этих сигналов, повышающий удобство пользования указанным устройством и надёжность его работы (см., например, устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга по патенту РФ № 2338460, A61B5/0476, 2008).The prior art in the field of devices for reading electrical signals from the surface of the patient’s head and recording information about them is characterized by solutions that improve the channel amplification of these signals under conditions of attenuation of various kinds of noise interference (see, for example, the low noise electroencephalographic signal acquisition system according to patent CN106236082 , A61B5 / 00, A61B5 / 0476, 2016) or improving the interface that defines the structural layout of the transmission and amplification of these signals, increasing the usability of the pointer annym device and its operation reliability (see. for example, apparatus for electrophysiological studies of brain signals RF № patent 2,338,460, A61B5 / 0476, 2008).

При этом система по патенту CN106236082 содержит N активных электроэнцефалограммных электродов, N триаксиальных соединительных провода, N электроэнцефалограммных модулей формирования сигнала, модуль отправки соответствия мультиплексирования, приёмник и вывод данных и контроллер, причём активные электроэнцефалограммные электроды с высокоимпедансными усилителями принимаются, так что сигналы электроэнцефалограммы передаются после усиления, а благодаря новому экранирующему режиму, в котором используются трёхосные соединители и трёхосные соединительные провода, можно эффективно преодолеть дефект, заключающийся в том, что слабые сигналы электроэнцефалограммы чувствительны к помехам от окружающего шума во время передачи на большие расстояния.Moreover, the system according to CN106236082 contains N active electroencephalogram electrodes, N triaxial connecting wires, N electroencephalogram signal conditioning modules, a multiplexing correspondence sending module, a receiver and data output and a controller, and active electroencephalogram electrodes with high-impedance amplifiers are received, so that the signals are transmitted after the electroencephalogram amplification, and thanks to the new shielding mode, which uses three-axis connectors and three-axis Interconnect wires, can effectively overcome the defect, which consists in the fact that the weak signals of the electroencephalogram are susceptible to interference from ambient noise during transmission over long distances.

А устройство по патенту РФ № 23338460 содержит держатель в виде эластичной шапочки с расположенными на нём установочными гнездами, в которых размещены электроды, соединенные отводящими проводами с блоком обработки сигналов, и характеризуется тем, что оно имеет активные блоки, расположенные в установочных гнездах и состоящие из последовательно соединенных электрода, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и интерфейсного элемента, а также блока определения импеданса и блока индикации, при этом блок обработки сигналов отводящими проводами последовательно соединён с интерфейсным элементом каждого активного блока, первый выход микроконтроллера через блок определения импеданса соединен с электродом, а второй выход микроконтроллера подключён к блоку индикации, что позволяет повысить удобство исследования для пациента, увеличить точность и надёжность оценки сигналов головного мозга.And the device according to the patent of the Russian Federation No. 23338460 contains a holder in the form of an elastic cap with mounting sockets located on it, in which electrodes are placed, connected by lead wires to the signal processing unit, and is characterized in that it has active blocks located in the mounting sockets and consisting of serially connected electrode, amplifier, analog-to-digital converter, microcontroller and interface element, as well as an impedance determination unit and an indication unit, while the signal processing unit in diverting wires connected in series with each active element interface unit, a first output of the microcontroller through the impedance detecting unit is connected to the electrode, and the second output of the microcontroller is connected to a display unit that can improve the convenience for the patient studies, to increase the accuracy and reliability evaluation of brain signals.

Тем не менее, указанные аналоги с изложенными преимуществами не решают проблему усовершенствования единых потребительских свойств электроэнцефалографа, оптимально сочетающего одновременно изложенные выше преимущества (в связи с усовершенствованием устройства каналов и конструктивных средств передачи и усиления сигналов), подтверждаемую отсутствием источников информации со сведениями об эффективной адаптации функционального устройства каналов передачи и усиления сигналов к условиям выигрышного интерфейса с размещением блоков усиления и обработки электрофизиологических сигналов на голове пациента.Nevertheless, these analogues with the stated advantages do not solve the problem of improving the common consumer properties of the electroencephalograph, which optimally combines the above advantages (due to the improvement of the channel structure and structural means of signal transmission and amplification), confirmed by the absence of information sources with information about effective adaptation of the functional device transmission channels and amplification of signals to the conditions of the winning interface with the placement of blocks in Ylenia electrophysiological signals and processing on the patient's head.

В качестве прототипа заявляемого электроэнцефалографа выбран (наиболее приближённый к традиционному электроэнцефалографу) электроэнцефалограф по авторскому свидетельству СССР № 880241, A61B5/04, 1981, содержащий электроды, размещаемые с помощью держателя на голове пациента, канальные усилители и узел обработки сигналов, получаемых с помощью многоканального интерфейса от электродов, и регистрации электроэнцефалограммы и характеризующийся отсутствием изложенных выше схемотехнического и интерфейсного преимуществ. As a prototype of the inventive electroencephalograph, the electroencephalograph selected according to the USSR copyright certificate No. 880241, A61B5 / 04, 1981, containing electrodes placed with a holder on the patient’s head, channel amplifiers and a signal processing unit using a multi-channel interface, was selected (closest to traditional electroencephalograph) from electrodes, and recording an electroencephalogram and characterized by the absence of the above circuitry and interface advantages.

Технический результат предлагаемой полезной модели – разработка оптимального портативного электроэнцефалографа за счёт предлагаемых особенностей функционального устройства отвечающих требованиям высокоточного измерения электроэнцефалографической активности дифференциальных и индифферентного каналов для детектирования, усиления, фильтрации и нормализации сигналов снимаемых с электродов, размещаемых на поверхности кожи головы пациента, в микросхемном исполнении, обеспечивающих возможность одновременного улучшения интерфейса в результате более эффективного (компактного) размещения этих каналов на голове пациента вблизи указанных электродов за счёт упрощённого функционального и схемотехнического устройства дифференциальных и индифферентного каналов, а также расширение функциональных возможностей предлагаемого электроэнцефалографа за счёт обеспечения возможности его работы в двух режимах: в режиме измерения и регистрации электроэнцефалографической активности и в режиме измерения импеданса электрического контакта каналов регистрации с кожей головы пациента.The technical result of the proposed utility model is the development of an optimal portable electroencephalograph due to the proposed features of a functional device that meets the requirements of high-precision measurement of the electroencephalographic activity of differential and indifferent channels for detection, amplification, filtering and normalization of signals recorded from electrodes placed on the surface of the patient’s scalp in microcircuit design, providing the ability to simultaneously improve the interface and as a result of a more efficient (compact) placement of these channels on the patient’s head near the indicated electrodes due to the simplified functional and circuitry of differential and indifferent channels, as well as the expansion of the functionality of the proposed electroencephalograph due to the possibility of its operation in two modes: in the measurement mode and recording electroencephalographic activity and in the mode of measuring the impedance of the electrical contact of the registration channels with the scalp the patient.

Кроме того, предлагаемая полезная модель расширяет арсенал высокочувствительных компактных электроэнцефалографов, расширяющих возможности их использования в медицинской практике. In addition, the proposed utility model expands the arsenal of highly sensitive compact electroencephalographs, expanding the possibilities of their use in medical practice.

Для достижения указанного технического результата предлагается электроэнцефалограф, содержащий электроды, размещаемые с помощью держателя на поверхности кожи головы пациента, канальные усилители и узел обработки сигналов, получаемых с помощью многоканального интерфейса от электродов, и регистрации электроэнцефалограммы, характеризующийся тем, что канальные усилители и упомянутый узел обработки сигналов выполнены в виде присоединённых к упомянутым электродам дифференциальных каналов и, по меньшей мере, одного индифферентного канала и одного референсного канала, подключённых к многоканальному входу блока оцифровки и предобработки сигналов, подключённого к блоку постобработки и коммуникации сигналов, при этом каждый дифференциальный канал содержит последовательно соединённые между собой блок входа и коммутации для детектирования сигналов биоэлектрической активности мозга и измерения импеданса электрического контакта электрода с кожей головы пациента в точке измерения, построенный на основе двухканального прецизионного операционного усилителя с входным каскадом, выполненным на полевых транзисторах, блок нормализации и ограничения сигналов для защиты последующей в цепи схемотехники от перенасыщения или выхода из строя в результате действия на них электрических выбросов, связанных с переключением режимов работы блока входа и коммутации, а также с внешними артефактами движения человека или работы внешних электроприборов, и нормализации сигналов относительно необходимого уровня, построенный на основе двухканального операционного усилителя и прецизионного линейного стабилизатора напряжения, и блок фильтрации для подавления помехи индустриальной сети 220 В путём захвата основной частоты помехи электродом индифферентного канала и дальнейшей подстройки режекторного фильтра согласно полученным значениям, построенный на переключаемых конденсаторах, индифферентный канал содержит последовательно соединённые между собой такие же, как в дифференциальном канале, функциональные блоки, за исключением блока нормализации и ограничения сигналов, который в индифферентном канале для выделения частоты индустриальной помехи, необходимой при точной настройке полосы подавления режекторного фильтра в блоках фильтрации в индифферентном и дифференциальных каналах, дополнительно содержит цепь выделения частоты индустриальной помехи, и референсный канал содержит блок коммутации и измерения импеданса для переключения электроэцефалографа в режим измерения и регистрации электроэцефалографической активности или режим измерения импеданса электрического контакта электродов с кожей головы пациента и обеспечения измерения указанного импеданса, построенный на основе малошумящего электронного ключа и двухканального операционного усилителя, причём блок оцифровки и предобработки сигналов для дополнительного усиления и преобразования сигналов биоэлектрической активности мозга в коды аналого-цифрового преобразователя построен на дифференциальных усилителях и аналого-цифровых преобразователях, по количеству равных количеству дифференциальных каналов, и блок постобработки и коммуникации сигналов для управления режимами переключения между режимом измерения электроэнцефалограммы и режимом измерения импеданса, сбора данных аналого-цифрового преобразования, изменения значений импедансометрического генератора, передачи сигналов активности головного мозга на персональный компьютер и классификации сигналов активности головного мозга построен на микроконтроллере, а дифферециальные каналы, по меньшей мере, один индифферентный канал и один референсный канал выполнены на микросхемной основе и размещаемыми с помощью держателя на голове пациента и предлагаемый электроэнцефалограф снабжён блоком питания.To achieve the indicated technical result, an electroencephalograph is proposed, comprising electrodes placed on a surface of the patient’s scalp, channel amplifiers and a signal processing unit obtained by a multi-channel interface from the electrodes, and recording an electroencephalogram, characterized in that the channel amplifiers and said processing unit signals are made in the form of differential channels attached to the said electrodes and at least one indifferent channel a channel and one reference channel connected to a multi-channel input of a digitization and signal preprocessing unit, connected to a signal processing and post-processing block, each differential channel containing an input and switching unit connected in series for detecting signals of brain bioelectric activity and measuring the impedance of the electrode’s electrical contact with the patient’s scalp at the measurement point, built on the basis of a two-channel precision operational amplifier with input with a kad made on field-effect transistors, a signal normalization and limitation block to protect the circuitry subsequent from over-saturation or failure as a result of the action of electrical surges on them, associated with switching operating modes of the input and switching unit, as well as with external artifacts of human movement or the operation of external electrical appliances, and the normalization of signals relative to the required level, built on the basis of a two-channel operational amplifier and a precision linear voltage stabilizer a filter and a filtering unit for suppressing the interference of an industrial 220 V network by capturing the main frequency of the interference with the electrode of the indifferent channel and further adjusting the notch filter according to the obtained values, built on switchable capacitors, the indifferent channel contains functionally connected in series with each other the same as in the differential channel blocks, with the exception of the normalization and signal limitation block, which in the indifferent channel to isolate the frequency of industrial interference audible when fine tuning the rejection filter suppression band in the filtering units in the indifferent and differential channels, additionally contains an industrial noise frequency isolation circuit, and the reference channel contains a switching and impedance measurement unit for switching the electroencephalograph to the mode of measuring and recording electroencephalographic activity or the mode of measuring the electrical contact impedance electrodes with the scalp of the patient and providing measurements of the indicated impedance, built on the basis of low-noise electronic key and a two-channel operational amplifier, and the block of digitization and signal processing for additional amplification and conversion of signals of the bioelectric activity of the brain into codes of an analog-to-digital converter is built on differential amplifiers and analog-to-digital converters, by the number of equal number of differential channels, and a post-processing unit and communication signals to control switching modes between the electroencephalogram measurement mode and the measurement mode The impedance measurement, the collection of analog-to-digital conversion data, the change in the values of the impedanceometric generator, the transmission of brain activity signals to a personal computer and the classification of brain activity signals are built on the microcontroller, and the differential channels, at least one indifferent channel and one reference channel are made on microchip based and placed with a holder on the patient’s head and the proposed electroencephalograph is equipped with a power supply.

Для увеличения компактности микросхемного исполнения предлагаемого электроэнцефалографа, последний может быть выполнен с использованием микросборной технологии.To increase the compactness of the microcircuit design of the proposed electroencephalograph, the latter can be performed using microassembly technology.

В частном случае в предлагаемом электроэнцефалографе держатель может быть выполнен в виде эластичной шапочки с расположенными на ней специальными гнездовыми и мостовыми креплениями, электроды могут быть выполнены игольчатыми, а сам электроэнцефалограф может быть снабжён автономным блоком питания.In the particular case of the proposed electroencephalograph, the holder can be made in the form of an elastic cap with special socket and bridge mounts located on it, the electrodes can be made needle-shaped, and the electroencephalograph itself can be equipped with an autonomous power supply.

На фиг. 1 представлен фото эластичной шапочки в сборе с электродами и дифференциальными, индифферентным и референсным каналами, на фиг. 2 – функциональная схема восьми дифференциальных каналов, одного индифферентного канала и одного референсного канала, а также блока оцифровки и предобработки сигналов, блока постобработки и коммуникации сигналов и блока питания в составе предлагаемого электроэнцефалографа.In FIG. 1 shows a photo of an elastic cap assembly with electrodes and differential, indifferent and reference channels, in FIG. 2 is a functional diagram of eight differential channels, one indifferent channel and one reference channel, as well as a block for digitizing and preprocessing signals, a block for post-processing and communication of signals, and a power unit as part of the proposed electroencephalograph.

Предлагаемый электроэнцефалограф содержит игольчатые электроды 1, закреплённые с помощью специальных гнездовых креплений 2 к держателю, выполненному в виде эластичной шапочки 3 (см на фиг. 1). Указанные электроды с помощью восьми дифференциальных каналов 4, одного индифферентного канала 5 и одного референсного канала 6 подключены с помощью проводного шлейфа к многоканальному входу блока оцифровки и предобработки сигналов 7, подключённого к блоку постобработки и коммуникации сигналов 8 (см фиг. 2).The proposed electroencephalograph contains needle electrodes 1 fixed with special socket mounts 2 to a holder made in the form of an elastic cap 3 (see in Fig. 1). These electrodes using eight differential channels 4, one indifferent channel 5 and one reference channel 6 are connected using a wire loop to the multi-channel input of the digitization and signal preprocessing unit 7, connected to the signal processing and signal processing unit 8 (see Fig. 2).

При этом каждый дифференциальный канал 4 содержит последовательно соединённые между собой блок входа и коммутации 9 для детектирования сигналов биоэлектрической активности мозга и измерения импеданса электрического контакта электрода с кожей головы пациента в точке измерения, построенный на основе двухканального прецизионного операционного усилителя с входным каскадом, выполненным на полевых транзисторах (на фиг. 2 не показан), блок нормализации и ограничения сигналов 10 для защиты последующей в цепи схемотехники от перенасыщения или выхода из строя в результате действия на них электрических выбросов, связанных с переключением режимов работы блока входа и коммутации, а также с внешними артефактами движения человека или работы внешних электроприборов, и нормализации сигналов относительно необходимого уровня, построенный на основе двухканального операционного усилителя и прецизионного линейного стабилизатора напряжения (на фиг. 2 не показаны), и блок фильтрации 11 для подавления помехи индустриальной сети 220 В путём захвата основной частоты помехи электродом индифферентного канала 5 и дальнейшей подстройки режекторного фильтра согласно полученным значениям, построенный на переключаемых конденсаторах (на фиг. 2 не показан).Moreover, each differential channel 4 contains a block of input and switching 9 connected in series for detecting signals of bioelectric activity of the brain and measuring the impedance of the electrical contact of the electrode with the skin of the patient’s head at the measurement point, based on a two-channel precision operational amplifier with an input stage performed on field transistors (not shown in Fig. 2), the normalization and limitation block of signals 10 to protect the subsequent circuitry circuitry from oversaturation and whether failure as a result of the action of electrical surges connected with switching the operating modes of the input and switching unit, as well as with external artifacts of human movement or the operation of external electrical appliances, and the normalization of signals relative to the required level, based on a two-channel operational amplifier and precision linear a voltage stabilizer (not shown in Fig. 2), and a filtering unit 11 for suppressing interference of an industrial 220 V network by capturing the main frequency of the interference with an indie electrode channel 5 and further adjustment of the notch filter according to the obtained values, built on switchable capacitors (in FIG. 2 not shown).

Индифферентный канал 5 содержит последовательно соединённые между собой такие же, как в дифференциальных каналах 4 функциональные блоки 9-11, за исключением блока нормализации и ограничения сигналов 10, который в индифферентном канале 5 для выделения частоты индустриальной помехи, необходимой при точной настройке полосы подавления режекторного фильтра в блоках фильтрации в индифферентном и дифференциальных каналах, дополнительно содержит цепь выделения частоты индустриальной помехи (на фиг. 2 не показана).The indifferent channel 5 contains the function blocks 9-11, which are the same as in the differential channels 4, sequentially interconnected, with the exception of the normalization and signal limiting block 10, which in the indifferent channel 5 is used to isolate the industrial noise frequency necessary for fine tuning the rejection filter suppression band in filtering units in the indifferent and differential channels, additionally contains a circuit for isolating the frequency of industrial noise (not shown in Fig. 2).

Референсный канал 6 содержит блок коммутации и измерения импеданса 12, построенный на основе малошумящего электронного ключа и двухканального операционного усилителя (на фиг. 2 не показаны).The reference channel 6 contains a switching and impedance measurement unit 12 constructed on the basis of a low-noise electronic key and a two-channel operational amplifier (not shown in FIG. 2).

Причём дифферециальные каналы 4, индифферентный канал 5 и референсный канал 6 выполнены на микросхемной основе и размещены с помощью специальных мостовых креплений (на фиг. 1 позициями не выделены) эластичной шапочки 3 на голове пациента.Moreover, the differential channels 4, the indifferent channel 5 and the reference channel 6 are made on a microcircuit basis and placed using special bridge mounts (not marked with positions in Fig. 1) of the elastic cap 3 on the patient’s head.

При этом блок оцифровки и предобработки сигналов 7 для дополнительного усиления и преобразования сигналов биоэлектрической активности мозга в коды аналого-цифрового преобразователя построен на дифференциальных усилителях и аналого-цифровых преобразователях (на фиг. 2 не показаны), по количеству равных количеству дифференциальных каналов 4, и блок постобработки и коммуникации сигналов 8 для управления режимами переключения между режимом измерения электроэнцефалограммы и режимом измерения импеданса, сбора данных аналого-цифрового преобразования, изменения значений импедансометрического генератора, передачи сигналов активности головного мозга на персональный компьютер (а фиг. 2 не показан) и классификации сигналов активности головного мозга построен на микроконтроллере (входит в состав блока 8 и на фиг. 2 не показан).In this case, the block of digitization and preprocessing of signals 7 for additional amplification and conversion of signals of bioelectric activity of the brain into codes of an analog-to-digital converter is built on differential amplifiers and analog-to-digital converters (not shown in Fig. 2), by the number of equal to the number of differential channels 4, and signal processing and processing unit 8 for controlling the switching modes between the electroencephalogram measurement mode and the impedance measurement mode, analog-digital pre-data collection rofessional changes impedansometricheskogo generator values, signaling the brain activity on a personal computer (FIG. 2 not shown) and the signal classification of brain activity is built on the microcontroller (included in the block 8 in FIG. 2 not shown).

Предлагаемый электроэнцефалограф снабжён блоком питания 13, который для синтеза значений напряжения, необходимых для корректной работы всех указанных выше блоков построен на линейных регулируемых стабилизаторах напряжения (на фиг. 2 не показаны).The proposed electroencephalograph is equipped with a power supply 13, which for the synthesis of voltage values necessary for the correct operation of all the above blocks is built on linear adjustable voltage regulators (not shown in Fig. 2).

Предлагаемый электроэнцефалограф работает в двух излагаемых далее рабочих режимах (в режиме регистрации электроэнцефалографической активности и в режиме измерения импеданса электрического контакта каналов регистрации с кожей испытуемого) следующим образом.The proposed electroencephalograph operates in the following two operating modes (in the mode of recording electroencephalographic activity and in the mode of measuring the impedance of the electrical contact of the registration channels with the skin of the subject) as follows.

На первом этапе режима измерения электроэнцефалографической активности происходит первичная настройка и калибровка электронной схемы электроэнцефалографа, а именно на управляющий вход электронного ключа, входящего в состав референсного канала 6 подаётся сигнал низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемый микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8. При этом цепь измерительного входа референского канала 6 притягивается через этот электронный ключ к земле тем самым приводя канал в режим регистрации.At the first stage of the electroencephalographic activity measurement mode, the electronic circuit of the electroencephalograph is initially set up and calibrated, namely, the control input of the electronic key included in the reference channel 6 receives a low level signal (corresponding to “logical 0”) generated by the microcontroller contained in the post-processing unit and communication signals 8. In this case, the circuit of the measuring input of the reference channel 6 is attracted through this electronic key to the ground, thereby bringing the channel into registration mode.

После переключения референсного канала 6 в режим регистрации происходит параллельное переключение дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 в режим регистрации. Это происходит путём подачи сигналов низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемых микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющие входы электронных ключей входящих в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа. При этом цепь измерительного входа каждого из каналов через буферный усилитель подключается к центральной точке резистивного делителя, тем самым образуя, так называемую «цепь бесконечного сопротивления», входящую в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5. Далее на вход тактирования блоков фильтрации 11, входящих в состав дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5, с выходов микроконтроллера, входящего в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8, поступает сигнал прямоугольной формы с частотой, соответствующей частоте индустриальной помехи (50 либо 60 Гц), с учётом поправки связанной с особенностями работы электронного режекторного фильтра. После этого каналы становятся готовыми к проведению измерений.After switching the reference channel 6 to the registration mode, the differential channels 4 and the indifferent channel 5 are switched in parallel to the registration mode. This occurs by supplying low-level signals (corresponding to “logical 0”) generated by the microcontroller contained in the post-processing and communication unit of signals 8 to the control inputs of the electronic keys included in the input and switching units 9 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph. In this case, the measuring input circuit of each channel through a buffer amplifier is connected to the center point of the resistive divider, thereby forming the so-called “infinite resistance circuit”, which is part of the input and switching units 9 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5. Next, to the clock input filtering units 11, which are part of the differential channels 4 and the indifferent channel 5, from the outputs of the microcontroller, which is part of the post-processing and communication unit of signals 8, the signal is received directly golnoy form with a frequency corresponding to the industrial frequency interference (50 or 60 Hz), taking into account the corrections associated with singularities rejector electronic work. After that, the channels become ready for measurements.

На последнем этапе первоначальной настройки микроконтроллер, входящий в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8, генерирует управляющий сигнал конфигурации и запуска аналого-цифрового преобразователя, поступающего далее на цифровые входы аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав блока оцифровки и предобработки сигналов 7.At the last stage of the initial setup, the microcontroller, which is part of the post-processing and signal communication unit 8, generates a control signal for configuring and starting the analog-to-digital converter, which then goes to the digital inputs of the analog-to-digital converter, which is part of the digitizing and signal processing block 7.

После завершения этапа первичной настройки, электроэнцефалограф полностью готов к проведению измерения сигналов электроэнцефалографической активности мозга.After completing the initial setup phase, the electroencephalograph is completely ready to measure brain electroencephalographic activity signals.

В режиме измерения сигналов электроэнцефалографической активности мозга сигнал, снимаемый, непосредственно, с поверхности кожи головы пациента при помощи специальных игольчатых электродов 1, поступает на входы блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа, где происходит его детектирование, усиление в 10 раз и ограничение полосы до частоты в 500 Гц по уровню -3Дб. Данная операция осуществляется при помощи входящего в состав каждого блока входа и коммутации 9 прецизионного операционного усилителя с входным каскадом, выполненным на полевых транзисторах, а также наличием в цепи обратной связи данного усилителя цепи ограничения полосы пропускания. In the mode of measuring signals of brain electroencephalographic activity, a signal taken directly from the surface of the patient’s scalp using special needle electrodes 1 is fed to the inputs of the input and switching units of 9 differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph, where it is detected, amplification of 10 times and the band is limited to a frequency of 500 Hz at a level of -3dB. This operation is carried out using a precision operational amplifier included in each input and switching unit 9 with an input stage performed on field-effect transistors, as well as the presence of a bandwidth limiting circuit in the feedback circuit of this amplifier.

Далее сигнал поступает на выходы блоков входа и коммутации 9 откуда, в свою очередь поступает на входы блоков нормализации и ограничения сигналов 10 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа, где происходит приведения среднего уровня сигнала к нормали путём удаления из него постоянного смещения, связанного с кожно-гальваническим эффектом и несовершенством элементной базы, использованной в предыдущих блоках. После нормализации сигнал поступает на два симметричных плеча цепи активного ограничения уровня, построенных на основе прецизионных линейных стабилизаторов напряжения, где сигнал ограничивается по верхнему и нижнему уровню в соответствующих плечах. Уровень ограничения сигнала был выбран согласно необходимости корректной работы далее расположенных в электроэнцефалографе блоков. Далее сигнал поступает на равноценный смеситель, где сигналы с двух плеч цепи активного ограничения обратно преобразуются в цельный сигнал после чего, сигнал поступает на выход блоков 10. Then the signal goes to the outputs of the input and switching units 9 from where, in turn, it goes to the inputs of the normalization and limitation blocks of signals 10 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph, where the average signal level is brought to normal by removing from it a constant bias associated with skin-galvanic effect and imperfection of the elemental base used in the previous blocks. After normalization, the signal is fed to two symmetrical arms of the active level limiting circuit constructed on the basis of precision linear voltage stabilizers, where the signal is limited by the upper and lower levels in the corresponding arms. The signal restriction level was selected according to the need for correct operation of the blocks located further in the electroencephalograph. Next, the signal is fed to an equivalent mixer, where the signals from two arms of the active limiting circuit are converted back to a solid signal, after which the signal is sent to the output of blocks 10.

С выходов блоков нормализации и ограничения сигналов 10 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа сигнал поступает на входы блоков фильтрации 11 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа, в которых в случае дифференциальных каналов 4 из сигнала удаляется помеха индустриальной сети электропитания путём прохождения сигнала через цепь режекторного фильтра, настроенного на частоту индустриальной помехи (50 или 60 Гц). Настройка частоты режекторного фильтра производится путём подачи на его управляющий вход сигнала прямоугольной формы с частотой, соответствующей частоте индустриальной помехи (50 либо 60 Гц), с учётом поправки связанной с особенностями работы электронного режекторного фильтра с выхода микроконтроллера, входящего в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8. С выхода цепи режекторного фильтра сигнал поступает на вход цепи фильтра нижних частот, построенного по схеме Баттерворта 4-го порядка, где происходит ограничение полосы полезного сигнала до часты в 500Гц. Такая частота была выбрана для корректной работы блока оцифровки и предобработки сигналов 7, входящего в состав электроэнцефалографа. С выхода фильтра нижних частот сигнал поступает на вход цепи дополнительного усиления, где сигнал усиливается еще в 100 раз, после чего сигнал с выхода этой цепи поступает на сигнальный выход блоков фильтрации 11.From the outputs of the normalization and limitation blocks of the signals of 10 differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph, the signal is fed to the inputs of the filtration blocks 11 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph, in which, in the case of differential channels 4, the signal from the industrial power supply network is removed by passing the signal through notch filter circuit tuned to industrial noise frequency (50 or 60 Hz). The frequency of the notch filter is adjusted by applying a rectangular signal to its control input with a frequency corresponding to the frequency of industrial noise (50 or 60 Hz), taking into account the corrections associated with the features of the electronic notch filter from the output of the microcontroller, which is part of the signal processing and communication unit 8. From the output of the notch filter circuit, the signal is fed to the input of the low-pass filter circuit constructed according to the Butterworth scheme of the 4th order, where the bandwidth is limited to useful signal to frequent at 500Hz. This frequency was chosen for the correct operation of the digitization and preprocessing unit 7, which is part of the electroencephalograph. From the output of the low-pass filter, the signal enters the input of the additional amplification circuit, where the signal is amplified another 100 times, after which the signal from the output of this circuit enters the signal output of the filtering units 11.

В случае индифферентного канала 5 сигнал со входа блока фильтрации 11 распараллеливается и поступает одновременно на вход цепи эквивалентной цепи, содержащейся внутри блоков фильтрации 11 дифференциальных каналов 4 (включающий в себя режекторный фильтр, фильтр Баттерворта и дополнительный усилитель), а также, сигнал поступает на вход цепи выделения помехи индустриальной сети электропитания. Данная цепь состоит последовательного включенного буферного усилителя и неинвернтирующего операционного усилителя с коэффициентом усиления равным 100. В результате прохождения через данную цепь сигнал, полученный со входа блока фильтрации 11, усиливается до уровня насыщения операционного усилителя и преобразуется из синусоидального вида в прямоугольный. Поле чего сигнал помехи поступает на дополнительный выход помехи блока фильтрации 11, а сигнал с цепи, включающий в себя режекторный фильтр, фильтр Баттерворта и дополнительный усилитель, поступает на сигнальный выход блока фильтрации 11.In the case of an indifferent channel 5, the signal from the input of the filtering unit 11 is parallelized and simultaneously fed to the input of the equivalent circuit circuit contained inside the filtering units 11 of the differential channels 4 (including a notch filter, a Butterworth filter and an additional amplifier), as well as the signal is input industrial power supply interference circuit. This circuit consists of a sequentially turned on buffer amplifier and a non-inverting operational amplifier with a gain of 100. As a result of passing through this circuit, the signal received from the input of the filtering unit 11 is amplified to the saturation level of the operational amplifier and is converted from a sinusoidal to rectangular shape. The field of which the interference signal is supplied to the additional interference output of the filtering unit 11, and the signal from the circuit, which includes a notch filter, a Butterworth filter and an additional amplifier, is fed to the signal output of the filtering unit 11.

Далее сигнал с сигнальных выходов блоков фильтрации 11 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канал 5 электроэнцефалографа поступает на входы блока оцифровки и предобработки сигналов 7, которые в свою очередь соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, входящего в блок 7. В результате прохождения сигнала через блок оцифровки и предобработки сигналов 7, производится аналого- цифровое преобразование с разрядностью 24 бит, а также операция равноценного вычитания мгновенного значения амплитуды сигнала с выхода индифферентного канала 5 из мгновенного значения амплитуды сигнала с выхода дифференциальных каналов 4. Далее уже цифровой сигнал поступает на выход блока оцифровки и предобработки сигналов 7.Next, the signal from the signal outputs of the filtration units 11 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph is fed to the inputs of the digitizing and preprocessing signals 7, which in turn are connected to the corresponding inputs of the analog-to-digital converter included in block 7. As a result of the passage of the signal through the block digitization and preprocessing of signals 7, an analog-to-digital conversion is performed with a bit capacity of 24 bits, as well as an operation of equivalent subtraction of the instantaneous value of the signal amplitude from the output Ode to the indifferent channel 5 from the instantaneous value of the signal amplitude from the output of the differential channels 4. Next, the digital signal is already fed to the output of the digitizing and signal preprocessing unit 7.

С выхода блока оцифровки и предобработки сигналов 7 электроэнцефалографа цифровой сигнал поступает на вход блока постобработки и коммуникации сигналов 8, где при помощи микроконтроллера, входящего в данный блок, происходит упаковка цифрового сигнала в цифровые пакеты согласно каналам регистрации и отправка этих пакетов при помощи унифицированного интерфейса связи USB непосредственно на персональный компьютер. Кроме того, на отдельный вход данного блока поступает сигнал, содержащий в себе информацию о точном значении частоты помехи индустриальной сети электропитания, с дополнительного выхода блока фильтрации 11 индифферентного канала 5. В результате специального преобразования, выполняемого с этим сигналом, микроконтроллером, входящем в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8 электроэнцефалографа, происходит выделение частоты помехи, а также отправка значения данной частоты с учётом поправочного коэффициента на выход управления режекторными фильтрами.From the output of the digitization and pre-processing unit 7 of the electroencephalograph, the digital signal is fed to the input of the post-processing and communication unit 8, where, using the microcontroller included in this unit, the digital signal is packaged into digital packets according to the registration channels and these packets are sent using a unified communication interface USB directly to a personal computer. In addition, a signal is input to a separate input of this unit, containing information on the exact value of the interference frequency of the industrial power supply network, from the additional output of the filtering unit 11 of the indifferent channel 5. As a result of a special conversion performed with this signal, the microcontroller, which is part of the unit post-processing and communication of signals 8 of the electroencephalograph, the interference frequency is extracted, and the value of this frequency is sent taking into account the correction factor to the control output I have notch filters.

Кроме режима регистрации электроэнцефалографической активности предлагаемый электроэнцефалограф может работать в режиме измерения импеданса электрического контакта каналов регистрации с кожей испытуемого.In addition to the recording mode of electroencephalographic activity, the proposed electroencephalograph can operate in the mode of measuring the impedance of the electrical contact of the recording channels with the skin of the subject.

На первом этапе режима измерения импеданса происходит первичная настройка электронной схемы электроэнцефалографа, а именно на управляющий вход электронного ключа, входящего в состав референсного канала 6, подаётся сигнал высокого уровня (соответствующий «логической 1»), генерируемый микроконтроллером, содержащемся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8. При этом цепь измерительного входа референского канала 6 притягивается через этот электронный ключ к выходу цепи обратной связи релаксационного генератора, входящего в состав референского канала 6. At the first stage of the impedance measurement mode, the electronic circuit of the electroencephalograph is initially set up, namely, the high-level signal (corresponding to “logical 1”) generated by the microcontroller contained in the signal processing and communication unit is supplied to the control input of the electronic key included in the reference channel 6 8. In this case, the circuit of the measuring input of the reference channel 6 is attracted through this electronic key to the output of the feedback circuit of the relaxation generator, which is part of referenskogo channel 6.

После переключения референсного канала 6 в режим измерения импеданса происходит параллельное переключение дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 в режим регистрации. Это происходит путём подачи сигналов низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемых микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющие входы электронных ключей входящих в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канала 5 электроэнцефалографа. При этом цепь измерительного входа каждого из каналов через буферный усилитель подключается к центральной точке резистивного делителя, тем самым образуя, так называемую «цепь бесконечного сопротивления» входящую в состав блоков входа и коммутации 9 дифференциальных каналов 4 и индифферентного канал 5. После этого электроэнцефалограф готов к проведению импедансометрических измерений.After switching the reference channel 6 to the impedance measurement mode, the differential channels 4 and the indifferent channel 5 are switched in parallel to the registration mode. This occurs by supplying low-level signals (corresponding to “logical 0”) generated by the microcontroller contained in the post-processing and communication unit of signals 8 to the control inputs of the electronic keys included in the input and switching units 9 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5 of the electroencephalograph. In this case, the circuit of the measuring input of each channel through the buffer amplifier is connected to the center point of the resistive divider, thereby forming the so-called “infinite resistance circuit” that is part of the input and switching units 9 of the differential channels 4 and the indifferent channel 5. After this, the electroencephalograph is ready for impedance measurements.

Измерение импеданса электрического контакта конкретного канала регистрации с кожей испытуемого происходит путём подачи сигнала высокого уровня (соответствующий «логической 1»), генерируемого микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющий вход электронного ключа входящего в состав блока входа и коммутации 9 конкретного регистрирующего канала (дифференциального или индифферентного) входящего в состав электроэнцефалографа. При этом цепь измерительного входа данного канала притягивается к центральной точке питающего напряжения через токоограничивающий резистор, тем самым замыкая цепь обратной связи релаксационного генератора, входящего в состав референского канала 6, через кожу с центральной точкой питания, что в свою очередь вызывает изменение основной частоты генерации релаксационного генератора, которое, далее, регистрируется микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, который имеет измерительный вход, подключенный непосредственно к выходу релаксационного генератора, входящего в состав референского канала 6. The impedance of the electrical contact of a particular recording channel with the skin of the subject is measured by applying a high level signal (corresponding to “logical 1”) generated by the microcontroller contained in the post-processing and communication unit of signals 8 to the control input of the electronic key included in the input and switching unit 9 of the specific a recording channel (differential or indifferent) included in the electroencephalograph. In this case, the circuit of the measuring input of this channel is attracted to the central point of the supply voltage through a current-limiting resistor, thereby closing the feedback circuit of the relaxation generator, which is part of the reference channel 6, through the skin with the central power point, which in turn causes a change in the fundamental frequency of generation of the relaxation a generator, which, then, is registered by the microcontroller contained in the post-processing and communication unit of signals 8, which has a measuring input, is connected directly to the first output of the relaxation oscillator, which is part of the channel 6 referenskogo.

После регистрации частоты релаксационного генератора, микроконтроллер, входящий в состав блока постобработки и коммуникации сигналов 8, производит сопоставление полученного значения частоты с калибровочной таблицей, тем самым преобразуя значение частоты в значение импеданса электрического контакта конкретного канала регистрации, измеряемого в омах, и передачу полученного значения при помощи унифицированного интерфейса связи USB непосредственно на персональный компьютер.After registering the frequency of the relaxation generator, the microcontroller, which is part of the post-processing and signal communication unit 8, compares the obtained frequency value with a calibration table, thereby converting the frequency value into the electrical contact impedance of a particular recording channel, measured in ohms, and transmitting the obtained value at using a unified USB communication interface directly to a personal computer.

Завершающим этапом измерения импеданса электрического контакта конкретного канала регистрации с кожей пациента, является переключение этого канала обратно в режим регистрации путём подачи сигналов низкого уровня (соответствующий «логическому 0»), генерируемых микроконтроллером, содержащимся в блоке постобработки и коммуникации сигналов 8, на управляющие входы электронных ключей, входящих в состав блоков входа и коммутации сигналов 8. The final step in measuring the impedance of the electrical contact of a particular recording channel with the patient’s skin is to switch this channel back to the recording mode by supplying low-level signals (corresponding to “logical 0”) generated by the microcontroller contained in the signal processing and processing unit 8 of the signals to the electronic control inputs keys included in the blocks of input and switching signals 8.

По завершению измерения импеданса электрического контакта одного канала регистрации с кожей испытуемого происходит измерение импеданса следующего канала. В соответствии с такой процедурой происходит измерение импеданса всех каналов регистрации (дифференциальных и индифферентного) входящих в состав электроэнцефалографа.Upon completion of the measurement of the impedance of the electrical contact of one recording channel with the skin of the subject, the impedance of the next channel is measured. In accordance with this procedure, the impedance of all recording channels (differential and indifferent) that are part of the electroencephalograph is measured.

По завершению цикла измерения импеданса электроэцефалограф автоматически переходит в режим регистрации.At the end of the impedance measurement cycle, the electroencephalograph automatically enters registration mode.

Таким образом, высокоточное измерение электроэнцефалографической активности с помощью дифференциальных каналов 4 и индифферентного канал 5 в составе предлагаемого электроэцефалографа достигается в результате описанных выше преобразований сигналов, снимаемых с игольчатых электродов 1.Thus, a high-precision measurement of electroencephalographic activity using differential channels 4 and an indifferent channel 5 as part of the proposed electroencephalograph is achieved as a result of the above-described transformations of signals taken from needle electrodes 1.

А повышение эффективности (компактности) размещения (улучшающего интерфейс предлагаемого электроэцефалографа в результате выигрыша в функциональной компоновке) этих каналов на голове пациента вблизи указанных электродов достигается за счёт высокого функционального и схемотехнического дробления предлагаемого электроэцефалографа в результате упрощения регистрирующих каналов (в сравнении, например с функциональным решением регистрирующих каналов в устройстве для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга по патенту РФ № 2338460, при котором, например каждый из указанных каналов содержит отдельный микроконтроллер). An increase in the efficiency (compactness) of placement (improving the interface of the proposed electroencephalograph as a result of a gain in the functional layout) of these channels on the patient’s head near these electrodes is achieved due to the high functional and circuit breakdown of the proposed electroencephalograph as a result of simplification of the recording channels (in comparison, for example, with a functional solution recording channels in a device for studying electrophysiological signals of the brain by pa entu RF № 2338460, in which, e.g., each of said channels comprises a separate microcontroller).

Claims

1. An electroencephalograph containing electrodes placed with a holder on the surface of the patient’s scalp, channel amplifiers and a signal processing unit obtained using a multichannel interface from the electrodes, and recording an electroencephalogram, characterized in that the channel amplifiers and said signal processing and electroencephalogram recording unit made in the form of differential channels connected to the said electrodes, and at least one indifferent channel, and one reference channel a) connected to the multichannel input of the signal digitization and preprocessing unit, connected to the signal post-processing and communication unit, each differential channel containing input and commutation units connected in series to detect signals of the bioelectrical activity of the brain and measure the impedance of the electrode’s electrical contact with the patient’s scalp at the measurement point, built on the basis of a two-channel precision operational amplifier with an input stage made in the field transistors, a normalization and signal limiting unit to protect the subsequent circuitry from oversaturation or failure as a result of the action of electrical emissions on them, associated with the switching of the input and switching unit operation modes, as well as with external artifacts of human movement or the operation of external electrical appliances and normalization signals relative to the required level, built on the basis of a two-channel operational amplifier and a precision linear voltage stabilizer, and a filtering unit for the interference of the industrial 220 V network by capturing the main frequency of the interference with the electrode of the indifferent channel and further adjusting the notch filter according to the obtained values, built on switchable capacitors, the indifferent channel contains in series interconnected functional blocks except for the block, except for the block normalization and limitation of signals, which in the indifferent channel to isolate the frequency of industrial interference necessary for fine tuning rejection filter suppression lines in the filtering units in the indifferent and differential channels, additionally contains an industrial noise frequency isolation circuit, and the reference channel contains a switching and impedance measurement unit for switching the electroencephalograph to the mode of measuring and recording electroencephalographic activity or the mode of measuring the impedance of the electrical contact of the electrodes with the scalp the patient and providing measurements of the indicated impedance, built on the basis of low-noise electronic cl cha and a two-channel operational amplifier, and the block of digitization and signal processing for additional amplification and conversion of brain bioelectric activity signals into codes of an analog-to-digital converter is built on differential amplifiers and analog-to-digital converters, by the number of equal number of differential channels, and a post-processing and communication signal block to control switching modes between the electroencephalogram measurement mode and the impedance measurement mode, data collection A / D conversion, changes in the values of the impedance generator, transmission of brain activity signals to a personal computer, and classification of brain activity signals are built on the microcontroller, and the differential channels, at least one indifferent channel and one reference channel, are made on a microcircuit and placed using the holder on the patient’s head, and the proposed electroencephalograph is equipped with a power supply.

2. The electroencephalograph according to claim 1, characterized in that it is made using microassembly technology.

3. The electroencephalograph according to claim 1, characterized in that the holder is made in the form of an elastic cap with special nesting and bridge mountings located on it.

4. The electroencephalograph according to claim 1, characterized in that the electrodes are needle-shaped.

5. The electroencephalograph according to claim 1, characterized in that it is equipped with an autonomous power supply.