RU2338460C1

RU2338460C1 - Device for research of electrophysiological signals of brain

Info

Publication number: RU2338460C1
Application number: RU2007104136/14A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Шмелев (RU); Сергей Иванович Шмелев
Original assignee: ООО "НейроСофт"
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-11-20
Also published as: RU2007104136A

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: device is contains a holder of active gauges in the form of an elastic cap with the adjusting housings located on it. The block of processing of signals is connected by deferent wires with the active blocks located in adjusting the housings. Each active block contains series-connected: an electrode, an amplifier, an analogue-digital converter, a microcontroller and an interface element. The active block has the block of definition of impedance and the indication block. The block of processing of signals is series-connected by deferent wires to the interface element of each active gauge. The first output of the microcontroller through the block of definition of impedance is connected with the electrode, and the second output of the microcontroller is connected to the indication block.

EFFECT: increase of convenience of research for the patient and augmentation of accuracy and reliability of an estimation of brain signals.

2 dwg, 2 ex

Description

Известно устройство для оценки патологических изменений в системной деятельности мозга /1/, содержащее набор датчиков, налагаемых на голову, многоканальный усилитель сигналов датчиков (например электроэнцефалограф) с числом каналов, соответствующим числу датчиков, блок преобразования сигналов, например преобразования из непрерывной формы в дискретную, блок измерения статистической взаимосвязи между процессами, блок измерения размерности пространства отображаемых процессов, соответствующей совокупным статистическим свойствам взаимосвязей между измеряемыми процессами, блок вычисления координат величин радиус-векторов отображаемых процессов, блок визуализации пространственного распределения радиус-векторов отображаемых процессов, например графопостроитель или графический дисплей, запоминающее устройство, блок измерения отличий параметров пространственных распределений радиус-векторов отображаемых процессов, блок визуализации отличий в интегративной деятельности мозга пациента, блок предъявления тестов и блок синхронизации. Устройство позволяет достоверно выявить степень и характер устойчивых патологических отклонений в системной деятельности мозга, но не решает проблемы оптимального размещения на голове пациента датчиков и жгута проводов, что снижает точность и удобство при эксплуатации прибора.A device for assessing pathological changes in the systemic activity of the brain / 1 /, containing a set of sensors placed on the head, a multi-channel amplifier of sensor signals (for example, an electroencephalograph) with the number of channels corresponding to the number of sensors, a signal conversion unit, for example, conversion from continuous to discrete, a unit for measuring the statistical relationship between processes, a unit for measuring the dimension of the space of displayed processes corresponding to the aggregate statistical properties of interplay between the measured processes, a unit for calculating the coordinates of the magnitude of the radius vectors of the displayed processes, a unit for visualizing the spatial distribution of the radius vectors of the displayed processes, for example, a plotter or graphic display, a storage device, a unit for measuring differences in the parameters of the spatial distributions of the radius vectors of the displayed processes, a unit for visualizing differences in integrative activity of the patient’s brain, test presentation unit and synchronization unit. The device allows to reliably identify the degree and nature of persistent pathological abnormalities in the systemic activity of the brain, but does not solve the problem of optimal placement of sensors and a wire harness on the patient’s head, which reduces the accuracy and convenience of the device.

Известно устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга /2/, содержащее держатель электродов, представляющий собой надувную оболочку в жестком шлеме, и электроды с отводящими проводами, закрепленные на надувной оболочке со стороны, прилегающей к голове пациента, а отводящие провода электродов расположены с внешней стороны надувной оболочки. Устройство неудобно в эксплуатации, так как подготовка мест контакта электродов с кожей крайне затруднена. Кроме этого в устройстве отсутствует визуальная индикация состояния контакта электрода с головой пациента, что снижает надежность работы.A device for studying electrophysiological signals of the brain / 2 /, containing an electrode holder, which is an inflatable shell in a hard hat, and electrodes with outlet wires, mounted on an inflatable shell from the side adjacent to the patient’s head, and the lead wires of the electrodes are located on the outside inflatable shell. The device is inconvenient in operation, since the preparation of the contact points of the electrodes with the skin is extremely difficult. In addition, the device does not have a visual indication of the state of contact of the electrode with the patient’s head, which reduces the reliability.

Устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга, держатель электродов для съема биопотенциалов головного мозга и электродное устройство /3/, принятое за прототип, содержит держатель электродов и электроды с отводящими проводами, причем держатель электродов выполнен в виде эластичной шапочки с закрепленными в ней с взаимным расположением согласно стандартной системе отведений электроэнцефалограмм установочными гнездами в виде цилиндрических люверс из электроизоляционного материала, при этом каждое из установочных гнезд имеет ввод для электрода с внешней стороны эластичной шапочки, отводящие провода расположены на внешней стороне эластичной шапочки, связаны с входным разъемом и сгруппированы в два жгута симметрично сагиттальной плоскости, а расположение каждого отводящего провода в жгуте соответствует расположению на эластичной шапочке установочного гнезда, в которое вставляется электрод, и отводящие провода скреплены направляющими планками. Кроме этого установочное гнездо и соответствующий отводящий провод имеют одинаковую окраску, жгут отводящих проводов выполнен плоским и подключен к входному разъему через герметичную переходную колодку.A device for studying electrophysiological signals of the brain, an electrode holder for removing the brain’s biopotentials, and an electrode device / 3 /, adopted as a prototype, contains an electrode holder and electrodes with lead wires, the electrode holder being made in the form of an elastic cap fixed to it with a relative position according to the standard system of leads of electroencephalograms with mounting sockets in the form of cylindrical grommets of electrical insulation material, each of which of the cable sockets has an input for the electrode on the outside of the elastic cap, the outlet wires are located on the outside of the elastic cap, connected to the input connector and grouped in two bundles symmetrically to the sagittal plane, and the location of each outlet wire in the bundle corresponds to the location on the elastic cap of the mounting socket, in which is inserted into the electrode, and the outlet wires are fastened by guide rails. In addition, the installation socket and the corresponding outlet wire are the same color, the outlet wire harness is flat and connected to the input connector through a sealed adapter block.

Устройство выполняет свои основные функции, но не позволяет определить качество контакта электрода с кожей головы пациента, имеет громоздкую и избыточную многопроводную систему соединений электродов с разъемом в виде жгута, в котором каждый электрод имеет свой отводящий провод. Кроме этого информация от электрода представляется в аналоговом виде, что снижает помехозащищенность устройства и требует при дальнейшей обработке аналого-цифрового преобразования.The device performs its basic functions, but does not allow to determine the quality of the electrode contact with the patient’s scalp, has a bulky and redundant multi-wire system of electrode connections with a connector in the form of a bundle in which each electrode has its own lead wire. In addition, information from the electrode is presented in analog form, which reduces the noise immunity of the device and requires analog-to-digital conversion during further processing.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении удобства, увеличении точности и надежности оценки электрофизиологических сигналов головного мозга.The technical result of the invention is to improve the convenience, increase the accuracy and reliability of the assessment of electrophysiological signals of the brain.

Такой результат достигается за счет того, что устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга, содержащее держатель в виде эластичной шапочки с расположенными на нем установочными гнездами, в которых размещены электроды, соединенные отводящими проводами с блоком обработки сигналов, дополнительно 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 соединен с интерфейсным элементом каждого активного блока, первый выход микроконтроллера через блок определения импеданса соединен с электродом, а второй выход микроконтроллера подключен к блоку индикации.This result is achieved due to the fact that the device for studying electrophysiological signals of the brain, containing a holder in the form of an elastic cap with mounting sockets located on it, in which the electrodes are placed, connected by lead wires to the signal processing unit, additionally has active blocks located in the mounting sockets and consisting of a series-connected electrode, amplifier, analog-to-digital converter, microcontroller and interface element, as well as Lok impedance determination and display unit, wherein the signal processing unit 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 the display unit.

На фиг.1 изображена конструкция устройства для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга, на фиг.2 - структурная электрическая схема устройства. Для графического материала введены следующие обозначения: 1 - держатель в виде эластичной шапочки с расположенными на ней установочными гнездами 2 для активных блоков, 3 - активные блоки по числу установочных гнезд (на фиг.1 указан только один из активных блоков), 4 - отводящие провода, выполненные по четырехпроводной схеме и соединяющие последовательно активные блоки 3 и блок обработки сигналов 5, получающий информацию по последовательному интерфейсу от активных блоков 3. В свою очередь каждый активный блок 3 состоит из соединенных последовательно электрода 6, усилителя 7, аналого-цифрового преобразователя 8, микроконтроллера 9 и интерфейсного элемента 10. Линия связи микроконтроллера 9 и интерфейсного элемента 10 выполнена двунаправленной. Первый выход микроконтроллера 9 соединен со входом блока определения импеданса 11, а второй выход микроконтроллера 9 подключен ко входу блока индикации 12. В свою очередь выход блока определения импеданса 11 соединен с электродом 6. Блок обработки сигналов 5 состоит из микропроцессора 13, по первой двунаправленной линии 14 соединенного с запоминающим устройством 15. Кроме этого в состав блока обработки сигналов 5 введен интерфейсный блок 16, получающий информацию по второй двунаправленной линии 17 от микропроцессора 13. Выход интерфейсного блока 16 соединен с персональным компьютером.Figure 1 shows the design of a device for studying electrophysiological signals of the brain, figure 2 is a structural electrical diagram of the device. The following notation is introduced for graphic material: 1 - holder in the form of an elastic cap with mounting slots located on it 2 for active blocks, 3 - active blocks by the number of mounting slots (only one of the active blocks is indicated in Fig. 1), 4 - lead wires made in a four-wire circuit and connecting in series the active blocks 3 and the signal processing unit 5, which receives information on the serial interface from the active blocks 3. In turn, each active block 3 consists of connected series specifically, the electrode 6, the amplifier 7, the analog-to-digital converter 8, the microcontroller 9 and the interface element 10. The communication line of the microcontroller 9 and the interface element 10 is bi-directional. The first output of the microcontroller 9 is connected to the input of the impedance determination unit 11, and the second output of the microcontroller 9 is connected to the input of the indication unit 12. In turn, the output of the impedance determination unit 11 is connected to the electrode 6. The signal processing unit 5 consists of a microprocessor 13, along the first bi-directional line 14 connected to the storage device 15. In addition, an interface unit 16 is introduced into the signal processing unit 5, which receives information on the second bi-directional line 17 from the microprocessor 13. The output of the interface unit 16 connected to a personal computer.

Устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга работает следующим образом. Держатель в виде эластичной шапочки 1 надевается на голову пациента так, чтобы установочные гнезда 2 для активных блоков 3 оказались в точках, соответствующих выбранной схеме отведений. Установка активных блоков 3 не требует жесткого соблюдения соответствия нужному гнезду, что было характерно для прототипа, поскольку в нем длина жгута должна была соответствовать месту расположения блока. В данном случае все активные блоки 3 соединяются друг с другом отводящими проводами 4 по последовательной схеме и адрес блока, определяющий его местоположение на голове пациента, можно изменять программно. Это значительно упрощает процедуру установки и сокращает количество проводов, расположенных на держателе 1. После выполнения операции размещения всех необходимых активных блоков 3 в установочные гнезда 2, от персонального компьютера оператором подается сигнал к началу эксперимента. При этом микропроцессор 13 через интерфейсный блок 16 и вторую двунаправленную линию 17 получает команду на выполнение контрольной операции, необходимой для проверки правильности размещения активных блоков 3 в установочные гнезда 2. Эта проверка осуществляется путем определения импеданса контактной зоны электрода 6 и кожи головы пациента. При этом микропроцессор 13 вырабатывает цифровой код, который по отводящим проводам 4 поступает на интерфейсные элементы 10 каждого активного блока 3. В состав этого кода введен адрес нужного активного блока 3, поэтому, перебирая адреса, удается связаться с любым блоком 3, поскольку интерфейсный элемент 10 каждого активного блока 3 настроен на свой адресный код. Перебирая адреса на этапе контрольной операции, последовательно проверяют правильность установки активных блоков 3. В каждом активном блоке происходит это следующим образом. Интерфейсный элемент 10, определив, что обращение идет именно к нему, посылает по двунаправленной шине управляющий сигнал от микропроцессора 13 к микроконтроллеру 9. Микроконтроллер 9 через первый выход и блок определения импеданса 11 подключается к электроду 6, а тот через усилитель 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 посылает информацию о сопротивлении на месте контакта с кожей пациента на вход микроконтроллера 9. Проанализировав полученные данные и сравнив их с эталонными, микроконтроллер 9 вырабатывает на своем втором выходе сигнал, который включает светодиод блока индикации 12 того цвета, который указывает на состояние исследуемого контакта. Так, если контакт нормальный, зажигается светодиод зеленого цвета, если контакт ослаблен (сопротивление выше эталонного) - светодиод красного цвета. В последнем случае оператор визуально предупреждается о некачественной установке активного блока и его месторасположении и должен принять меры к восстановлению контакта. Это достигается введением электропроводящего геля в область установочного гнезда 2 либо механическим нажатием на активный блок 3. И только после того, как контрольная операция заканчивается успешно (зажегся зеленый светодиод блока индикации 12 данного активного блока 3), микроконтроллер 9 вырабатывает ответный сигнал, который через интерфейсный элемент 10 по отводящим проводам 4 поступает к микропроцессору 13. Микропроцессор 13 выставляет по отводящим проводам 4 адрес следующего активного блока 3, и контрольная операция повторяется уже для него. После опроса и анализа импеданса по указанному выше алгоритму всех задействованных активных блоков 3 завершается контрольная операция, при этом у каждого активного блока 3 должны быть включены зеленые светодиоды блоков индикации 12. Получив подтверждение успешного завершения контрольной операции, микропроцессор 13 вырабатывает на своем выходе сигнал к проведению основной операции исследования электрофизиологических сигналов головного мозга. При этом обращение к каждому активному блоку 3 происходит путем перебора адресов, поступающих на интерфейсные элементы 10 по отводящим проводам последовательно. Но в отличие от контрольной операции в данном случае не используется блок определения импеданса 11. Он отключается от электрода 6, и тот самостоятельно вырабатывает сигнал, соответствующий наведенному потенциалу в данной точке отведения. Полученный сигнал усиливается усилителем 7, преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 8 и в таком виде поступает на вход микроконтроллера 9. По двунаправленной шине эта информация поступает на интерфейсный элемент 10 и по отводящим проводам - к микропроцессору 13. Он в зависимости от программы может передать полученную информацию либо по первой двунаправленной шине 14 в запоминающее устройство 15, либо по второй двунаправленной шине 17 в интерфейсный блок 16 и далее в персональный компьютер, где собранная информация хранится и обрабатывается. Если был выбран первый вариант передачи (в запоминающее устройство 15), по окончании сеанса остается возможность передачи всей накопленной информации пакетом от запоминающего устройства 15, первую двунаправленную шину 14, микропроцессор 13, вторую двунаправленную шину 17 и интерфейсный блок 16 в персональный компьютер для дальнейшей обработки. После завершения работы с одним активным блоком 3 на двунаправленной шине 4 микропроцессором 13 устанавливается адрес следующего активного блока 3 и основная операция определения электрофизиологических сигналов головного мозга повторяется. Так продолжается до тех пор, пока не будут опрошены все задействованные в исследовании активные блоки 3. После этого оператор приступает к операции анализа полученной информации, которая производится по специальным программам на персональном компьютере.A device for studying electrophysiological signals of the brain works as follows. The holder in the form of an elastic cap 1 is put on the patient's head so that the mounting slots 2 for the active blocks 3 are at the points corresponding to the selected lead pattern. The installation of active blocks 3 does not require strict compliance with the desired socket, which was characteristic of the prototype, since in it the length of the bundle should correspond to the location of the block. In this case, all active blocks 3 are connected to each other by the lead wires 4 in a sequential manner, and the address of the block determining its location on the patient’s head can be changed programmatically. This greatly simplifies the installation procedure and reduces the number of wires located on the holder 1. After completing the operation of placing all the necessary active blocks 3 in the installation slots 2, the operator sends a signal from the personal computer to the beginning of the experiment. In this case, the microprocessor 13 through the interface unit 16 and the second bi-directional line 17 receives a command to perform the control operation necessary to verify the correct placement of the active blocks 3 in the installation sockets 2. This check is carried out by determining the impedance of the contact zone of the electrode 6 and the patient’s scalp. In this case, the microprocessor 13 generates a digital code, which is transmitted via the outgoing wires 4 to the interface elements 10 of each active block 3. This code contains the address of the desired active block 3, therefore, sorting through the addresses, it is possible to contact any block 3, since the interface element 10 each active block 3 is configured to its address code. Going through the addresses at the stage of the control operation, the correct installation of the active blocks 3 is successively checked. In each active block, this happens as follows. The interface element 10, having determined that it is accessing it, sends a control signal from the microprocessor 13 to the microcontroller 9 via a bi-directional bus. The microcontroller 9 is connected to the electrode 6 through the first output and the impedance determination unit 11, and the latter through the amplifier 7 and analog-digital the converter 8 sends information about the resistance at the point of contact with the patient’s skin to the input of the microcontroller 9. After analyzing the data and comparing them with the reference, the microcontroller 9 generates a signal at its second output, which ory includes the LED display unit 12 of the color, which indicates the status of the test contact. So, if the contact is normal, the green LED lights up, if the contact is weakened (resistance is higher than the reference) - the red LED. In the latter case, the operator is visually warned about poor-quality installation of the active unit and its location and must take measures to restore contact. This is achieved by introducing an electrically conductive gel into the area of the mounting slot 2 or by mechanical pressing on the active unit 3. And only after the control operation finishes successfully (the green LED of the display unit 12 of this active unit 3 lights up), the microcontroller 9 generates a response signal, which is transmitted through the interface element 10 through the outgoing wires 4 enters the microprocessor 13. The microprocessor 13 sets out through the outgoing wires 4 the address of the next active unit 3, and the control operation is repeated for n st. After interrogation and analysis of the impedance according to the above algorithm of all involved active blocks 3, the control operation is completed, and each active block 3 must have the green LEDs of the display units 12 turned on. Upon receipt of confirmation of the successful completion of the control operation, the microprocessor 13 generates a signal for the main operation of the study of electrophysiological signals of the brain. In this case, access to each active block 3 occurs by sorting the addresses received at the interface elements 10 via the lead wires in series. But unlike the control operation, in this case, the impedance determination unit 11 is not used. It is disconnected from the electrode 6, and it independently generates a signal corresponding to the induced potential at a given point of assignment. The received signal is amplified by an amplifier 7, converted into digital form by an analog-to-digital converter 8 and, in this form, is fed to the input of the microcontroller 9. This information is transmitted to the interface element 10 via a bi-directional bus and to the microprocessor 13 via the lead-out wires. Depending on the program, it may transmit the received information either via the first bi-directional bus 14 to the storage device 15, or via the second bi-directional bus 17 to the interface unit 16 and then to a personal computer, where the collected information is stored It is being processed. If the first transmission option was selected (to the storage device 15), at the end of the session, it remains possible to transfer all the accumulated information in a packet from the storage device 15, the first bi-directional bus 14, the microprocessor 13, the second bi-directional bus 17 and the interface unit 16 to the personal computer for further processing . After completing work with one active unit 3 on a bi-directional bus 4, the microprocessor 13 sets the address of the next active unit 3 and the basic operation of determining the electrophysiological signals of the brain is repeated. This continues until all active blocks 3 involved in the study are interrogated. After that, the operator proceeds to the operation of analyzing the received information, which is performed using special programs on a personal computer.

Пример 1. Применение устройства для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга позволило прогнозировать индивидуальные реакции на воздействие неблагоприятных эколого-профессиональных факторов (высокие или низкие температуры, укачивание), психоэмоционального стресса, интенсивных физических нагрузок на предприятиях различных отраслей народного хозяйства.Example 1. The use of a device for the study of electrophysiological signals of the brain made it possible to predict individual reactions to adverse environmental and occupational factors (high or low temperatures, motion sickness), psychoemotional stress, intense physical exertion at enterprises of various sectors of the national economy.

Пример 2. Использование устройства для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга больных с нейроциркуляторной дистонией позволило проводить выбор вегетотропных фармакологических средств, причем на этапе фармакотерапии удалось повысить эффективность индивидуальной настройки.Example 2. The use of a device for the study of electrophysiological signals of the brain of patients with neurocirculatory dystonia allowed the selection of vegetotropic pharmacological agents, and at the stage of pharmacotherapy it was possible to increase the effectiveness of individual settings.

Предлагаемое устройство позволяет повысить удобство, увеличить точность и надежность оценки электрофизиологических сигналов головного мозга.The proposed device can improve convenience, increase the accuracy and reliability of the assessment of electrophysiological signals of the brain.

Источники информацииInformation sources

1. Патент Российской Федерации №2177716. Устройство для оценки патологических изменений в системной деятельности мозга. А.Н.Шеповальников, М.Н. Цицерошин. Опубл. 2002.01.01.1. Patent of the Russian Federation No. 2177716. A device for assessing pathological changes in the systemic activity of the brain. A.N. Shepovalnikov, M.N. Tsitseroshin. Publ. 2002.01.01.

2. Авторское свидетельство СССР №676273. Устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга. Т.С.Степанова, К.В.Грачев. Опубл. 1979.07.30.2. USSR Copyright Certificate No. 676273. A device for studying electrophysiological signals of the brain. T.S. Stepanova, K.V. Grachev. Publ. 1979.07.30.

3. Патент Российской Федерации №2230483. Устройство для исследования электрофизиологических сигналов головного мозга, держатель электродов для съема биопотенциалов головного мозга и электродное устройство (варианты). С.М.Захаров, С.Т.Косенко, А.А.Скоморохов, Б.Е.Смирнов. Опубл. 20.06.2004.3. Patent of the Russian Federation No. 2230483. A device for the study of electrophysiological signals of the brain, an electrode holder for removing the biopotentials of the brain and an electrode device (options). S.M. Zakharov, S.T. Kosenko, A.A. Skomorokhov, B.E. Smirnov. Publ. 06/20/2004.

Claims

A device for studying electrophysiological signals of the brain, containing 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 a signal processing unit, 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 impedance determination unit and unit indication, wherein the signal processing unit 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 the display unit.