RU2652058C1 - Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека - Google Patents
Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека Download PDFInfo
- Publication number
- RU2652058C1 RU2652058C1 RU2016148983A RU2016148983A RU2652058C1 RU 2652058 C1 RU2652058 C1 RU 2652058C1 RU 2016148983 A RU2016148983 A RU 2016148983A RU 2016148983 A RU2016148983 A RU 2016148983A RU 2652058 C1 RU2652058 C1 RU 2652058C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- brain
- signals
- muscles
- electrodes
- human
- Prior art date
Links
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 37
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 title claims abstract description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 claims description 8
- 230000003387 muscular Effects 0.000 abstract description 4
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 abstract description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 abstract description 2
- 210000000133 brain stem Anatomy 0.000 abstract 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000006931 brain damage Effects 0.000 description 1
- 231100000874 brain damage Toxicity 0.000 description 1
- 230000003925 brain function Effects 0.000 description 1
- 208000029028 brain injury Diseases 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008713 feedback mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000003933 intellectual function Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000926 neurological effect Effects 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 231100000241 scar Toxicity 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009885 systemic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратно-компьютерным системокомплексам, которые используют биоинформационные индикаторы в виде сигналов мозга и мышц человека в робототехнических средствах реабилитации людей с нарушениями функции мозга и центральной нервной системы. Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека содержит электроды для снятия мышечных сигналов, подключенные через восемь энцефалограммных каналов к блоку усиления мышечных сигналов, электроды для снятия мозговых сигналов, подключенные через четыре миографических канала к блоку усиления мозговых сигналов и закрепленные на шлеме для фиксации электродов для снятия мозговых сигналов, при этом блок усиления мышечных сигналов и блок усиления мозговых сигналов выполнены с возможностью передачи сигнала по асинхронному последовательному протоколу в вычислительную систему, выполненную на кристалле для цифровой обработки сигнала и снабженную блоком беспроводной связи с внешним исполнительным устройством робототехнического средства реабилитации человека. Использование изобретения позволяет расширить арсенал средств для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области нейромедицины, а именно к аппаратно-компьютерным системокомплексам, которые используют биоинформационные индикаторы в виде сигналов мозга и мышц человека в робототехнических средствах реабилитации людей с нарушениями функции мозга и центральной нервной системы.
Разработка эффективных систем управления исполнительными устройствами, использующих интеллектуальные функции человека, безусловно, относится к наиболее актуальным и динамично развивающимся прикладным направлениям нейронаук, в первую очередь нейрореабилитологии.
На сегодняшний день в этой области основным направлением является разработка робототехнических средств, в которых задачи управления исполнительным устройством решаются с помощью интерфейсов, использующих биоинформационные индикаторы (например, сигналы мышечной активности или данные регистрации активности мозга).
Измеряя степень активации мышечной системы пациента, биоэлектрические устройства для управления робототехническими средствами реабилитации человека позволяют адаптировать интенсивность механической роботизированной ассистенции движениям пользователя, одновременно активируя механизмы биологической обратной связи, что способствует более продуктивному процессу реабилитации.
На настоящий момент известны инвазивные интерфейсы, вживляемые в мозг и тело человека и непосредственно взаимодействующие с нейронами и мышцами.
Самый очевидный недостаток «инвазивных подходов» состоит в том, что при использовании «контактного» варианта интерфейса существует медицинская проблема - большая вероятность инфицирования.
Кроме того, электроды, внедренные в мозг, повреждают ткани, причем разрушение происходит не только в момент введения электрода, но и при его нахождении в мозге, а в месте его внедрения образуется рубцовая ткань, которая ухудшает контакт и, как следствие, техническую эффективность самого интерфейса.
Известны также не инвазивные системы, использующие в своей работе сигналы, снятые внешними электродами и позволяющие измерять степень активации мышечной системы пациента и адаптировать интенсивность механической роботизированной ассистенции движениям пользователя (например, «Муо» (https://www.myo.com/).
Данная система, представляющая собой программно-аппаратный комплекс для регистрации биоэлектрической сигналов от мышц предплечья человека, позволяет осуществлять трансляцию набора движений рукой и передачу их в виде управляющих команд по беспроводному интерфейсу семейства Bluetooth.
Недостатком указанной системы являются ее ограниченные функциональные возможности с точки зрения системной реабилитации неврологического больного.
Известны также биоэлектрические системы для управления робототехническими средствами (получившие название «социальные роботы») расширенного направления реабилитации человека, которые представляют собой робототехническую платформу (зачастую антропоморфную), предназначенную для удовлетворения потребностей человека в общении, социализации, выполнения удаленной работы.
Эти системы технически обеспечивают возможность трансляция управляющих и информационных сигналов различных модальностей (визуальной, аудиальной, тактильной и др.) по направлению от пациента к удаленным объектам.
При этом решается задача социальной реабилитации пациента в плане самообслуживания, однако эти устройства, как правило, решают узкую конкретную задачу и являются только одним из аспектов реабилитационного процесса.
Для решения задачи повышения системности реабилитации людей с ограниченными возможностями необходимо обеспечить не только детектирование, распознавание и усиление биоэлектрических сигналов человеческого организма от мышц и головного мозга, но и трансляцию этих сигналов, в виде управляющих команд, на внешние исполнительные устройства.
Данному требованию частично отвечает система «Мицар-ЭЭГ-Порто» (http://www.mitsar-eeg.ru/page.php?id=portable), основанная на регистрации, измерении и хранении биоэлектрических сигналов от мозга человека в энергонезависимой памяти ЭВМ.
Недостатком указанной системы является то, что она не содержит составной части, выполняющей распознавание биоэлектрических сигналов от мышц человека.
Система также не предусматривает возможности распознавания паттернов мозговой активности и их трансляции в управляющие команды внешнему исполнительному устройству.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению задачи управления робототехническими средствами реабилитации человека и достигаемому результату является система для регистрации и усиления сигналов биоэлектрической активности от мышц и мозга человека («RHD2000-Series Amplifier Evaluation System») (http://www.intantech.corn/RHD2000_evaluation system.html).
Известная система «RHD2000-Series Amplifier Evaluation System» (прототип) состоит из 1) интерфейсной платы для передачи на персональный компьютер по USB-интерфейсу данных после вторичной цифровой обработки сигналов от мышц и мозга человека; 2) кабеля для передачи по последовательному синхронному интерфейсу цифровых данных с плат усиления мышечных и мозговых сигналов; 3) набора плат для детектирования и усиления сигналов мышечной мозговой активности. Интерфейсная плата способна подключить до 4-х плат усиления.
Недостатками прототипа является то, что данная система обладает низкой вероятностью правильного распознавания паттернов мышечной и мозговой активности человека и низкой эффективностью цифровой фильтрации артефактов, что приводит к некорректной интерпретации сигналов биоэлектрической активности человека.
Кроме того, основным недостатком данной системы является отсутствие средств и функции обеспечения автоматического управления робототехническим средством реабилитации человека.
Задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является разработка системы для автоматического биоэлектрического управления робототехническими средствами реабилитации человека с физическими, интеллектуальными и социальными ограниченными возможностями.
Поставленная задача решается тем, что в системе для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека, включающей комплекс для детектирования и усиления биоэлектрических сигналов от мышц и от мозга человека; бортовое вычислительное устройство для сохранения и преобразования биоэлектрических сигналов в цифровой код, передаваемый по интерфейсу, и устройство для отображения полученной информации, комплекс для детектирования и усиления биоэлектрических сигналов содержит встроенный микроконтроллер и последовательный асинхронный интерфейс; бортовое вычислительное устройство для сохранения и преобразования биоэлектрических сигналов использует систему на кристалле и содержит процессоры общего назначения и цифровой обработки сигнала; устройство для отображения полученной информации соединено с внешним исполнительным устройством блоком беспроводной связи.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является способность системы к распознаванию индивидуальных паттернов мышечной и мозговой активности человека и реконфигурированию для автоматического формирования управляющей команды на внешнее устройство управления робототехническим средством реабилитации человека.
Новизна заявляемого изобретения подтверждается тем, что по доступной научной и практической информации для решения поставленной задачи предлагаемое техническое решение не использовалось, а так как предлагаемое решение обеспечивает наличие свойств, не совпадающих со свойствами известных решений, то оно обладает изобретательским уровнем.
Упомянутые признаки являются существенными, т.к. они необходимы и достаточны для решения поставленной задачи - разработать систему для автоматического управления робототехническими средствами реабилитации человека с физическими, интеллектуальными и социальными ограниченными возможностями.
Существенность отличительных признаков изобретения состоит в том, что достигается новый положительный эффект, а именно в системе для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека:
- Биоэлектрическое устройство для управления робототехническими средствами реабилитации человека для динамического управления в дискретном или пропорциональном режимах связано с внешним исполнительным устройством с применением биологической обратной связи и одновременно способно формировать управляющие команды посредством сигналов от мышц и от мозга человека.
- Предлагаемая система способна к реконфигурированию для управления одним и тем же внешним исполнительным устройством посредством сигналов от мышц и от мозга, а также наоборот, и способна обучиться и настроиться под конкретного человека, с учетом его анатомических особенностей.
Для этого оптимальное расположение электродов для детектирования сигналов от мышц человека выбирают посредством программной настройки.
- Предлагаемая система также способна параллельно детектировать, усиливать в 4-х каналах сигналы от мышц человека и в 8-ми каналах от мозга человека распознавать по ним не менее 6 типов паттернов мышечной активности с вероятностью не менее 70% и 4 типов паттернов мышечной активности с вероятностью не менее 80%.
- Устройство для обработки биоэлектрических сигналов способно адаптивно устанавливать порог детектирования на основе статистики сигнала от мышц человека в каждом канале и сравнение паттернов, в том числе по частотному профилю и вейвлет коэффициентам осциллограммы.
- За счет программного используемого обеспечения система способна выполнять пространственно-временную фильтрацию и идентификацию всплесков активности мозга, а также ослабление глазных артефактов не менее чем на 20 дБ и миографических артефактов не менее чем на 10 дБ.
Предлагаемая система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека отражена на блок-схеме на Фиг. 1, где
1 - набор электродов для снятия мышечных сигналов,
2 - набор электродов для снятия мозговых сигналов,
3 - блок усиления мозговых сигналов,
4 - блок усиления мышечных сигналов,
5 - бортовая вычислительная система (с блоком связи и устройством для отображения полученной информации в виде интерфейса),
6 - шлем для фиксации набора электродов для снятия мозговых сигналов.
Систему для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека используют следующим образом.
На одно из предплечий человека крепят набор электродов (1) в составе 12 штук. Эти 12 электродов формируют 4 миографических канала. Электромиографические сигналы, принятые электродами (1), по проводам передают в блок (4) для усиления, оцифровки, первичной цифровой обработки сигналов и преобразования в необходимый формат для передачи по асинхронному последовательному протоколу в бортовую вычислительную систему (5).
Для приема электроэнцефалограммных сигналов от мозга человека на голову человека надевают шлем (6), размер которого настраивают под конкретного человека. На шлем крепят набор электродов (2) в составе 10 штук. Эти 10 электродов формируют 8 энцефалограммных каналов. Сигналы, принятые электродами (2), по проводам передают в блок (3) для усиления, оцифровки, первичной цифровой обработки сигналов и преобразования в необходимый формат для передачи по асинхронному последовательному протоколу в бортовую вычислительную систему (5). Бортовая вычислительная система (5) предназначена для вторичной обработки и электромиографических сигналов и электроэнцефалограммных сигналов в составе: обучение устройства под конкретного человека, распознавание до 6-ти паттернов мышечной активности, распознавание до 4-х паттернов мозговой активности, формирование управляющих команд для выбранного числа внешних исполнительных устройств.
После установки всех необходимых электродов и соединения всех блоков нового устройства прилагаемыми кабелями включают питание на каждом из блоков нового устройства.
Claims (4)
1. Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека, содержащая электроды для снятия мышечных сигналов, подключенные через восемь энцефалограммных каналов к блоку усиления мышечных сигналов, электроды для снятия мозговых сигналов, подключенные через четыре миографических канала к блоку усиления мозговых сигналов и закрепленные на шлеме для фиксации электродов для снятия мозговых сигналов, при этом блок усиления мышечных сигналов и блок усиления мозговых сигналов выполнены с возможностью передачи сигнала по асинхронному последовательному протоколу в вычислительную систему, выполненную на кристалле для цифровой обработки сигнала и снабженную блоком беспроводной связи с внешним исполнительным устройством робототехнического средства реабилитации человека.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что включает 12 электродов для снятия мышечной активности.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что включает 10 электродов для снятия мозговой активности.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вычислительная система соединена с устройством для отображения информации.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148983A RU2652058C1 (ru) | 2016-12-13 | 2016-12-13 | Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148983A RU2652058C1 (ru) | 2016-12-13 | 2016-12-13 | Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2652058C1 true RU2652058C1 (ru) | 2018-04-24 |
Family
ID=62045473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016148983A RU2652058C1 (ru) | 2016-12-13 | 2016-12-13 | Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2652058C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050187677A1 (en) * | 2001-10-01 | 2005-08-25 | Kline & Walker, Llc | PFN/TRAC systemTM FAA upgrades for accountable remote and robotics control to stop the unauthorized use of aircraft and to improve equipment management and public safety in transportation |
| US20080004904A1 (en) * | 2006-06-30 | 2008-01-03 | Tran Bao Q | Systems and methods for providing interoperability among healthcare devices |
| RU2415642C1 (ru) * | 2009-09-03 | 2011-04-10 | Российская Федерация, в лице которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации | Способ классификации электроэнцефалографических сигналов в интерфейсе мозг - компьютер |
| US20110285527A1 (en) * | 2005-09-09 | 2011-11-24 | Arms Steven W | Wireless Structural Health Monitoring System with Synchronized Timekeeper |
| US20160140834A1 (en) * | 2006-06-30 | 2016-05-19 | Empire Ip Llc | Personal Emergency Response (PER) System |
-
2016
- 2016-12-13 RU RU2016148983A patent/RU2652058C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050187677A1 (en) * | 2001-10-01 | 2005-08-25 | Kline & Walker, Llc | PFN/TRAC systemTM FAA upgrades for accountable remote and robotics control to stop the unauthorized use of aircraft and to improve equipment management and public safety in transportation |
| US20110285527A1 (en) * | 2005-09-09 | 2011-11-24 | Arms Steven W | Wireless Structural Health Monitoring System with Synchronized Timekeeper |
| US20080004904A1 (en) * | 2006-06-30 | 2008-01-03 | Tran Bao Q | Systems and methods for providing interoperability among healthcare devices |
| US20160140834A1 (en) * | 2006-06-30 | 2016-05-19 | Empire Ip Llc | Personal Emergency Response (PER) System |
| RU2415642C1 (ru) * | 2009-09-03 | 2011-04-10 | Российская Федерация, в лице которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации | Способ классификации электроэнцефалографических сигналов в интерфейсе мозг - компьютер |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| RHD2000-EVAL, RHD2000-Series Amplifier Evaluation System, 1 March 2013; updated 3 May 2016, http://www.intantech.com/files/Intan_RHD2000_eval_system.pdf. * |
| RHD2000-EVAL, RHD2000-Series Amplifier Evaluation System, 1 March 2013; updated 3 May 2016, http://www.intantech.com/files/Intan_RHD2000_eval_system.pdf. КАПЛАН А.Я. и др. Экспериментально-теоретические основания и практические реализации технологии "Интерфейс мозг - компьютер", Бюллетень сибирской медицины, 2013, т.12, N2, с.21-29. * |
| КАПЛАН А.Я. и др. Экспериментально-теоретические основания и практические реализации технологии "Интерфейс мозг - компьютер", Бюллетень сибирской медицины, 2013, т.12, N2, с.21-29. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lee et al. | An implantable peripheral nerve recording and stimulation system for experiments on freely moving animal subjects | |
| Tan et al. | A neural interface provides long-term stable natural touch perception | |
| US11262844B2 (en) | Rehabilitation robot, rehabilitation system, rehabilitation method and rehabilitation device | |
| CN107361741B (zh) | 神经刺激器装置 | |
| EP3737342B1 (en) | Sensor system | |
| McCrimmon et al. | Performance assessment of a custom, portable, and low-cost brain–computer interface platform | |
| Mistry et al. | An SSVEP based brain computer interface system to control electric wheelchairs | |
| Vernon et al. | Brain–muscle–computer interface: Mobile-phone prototype development and testing | |
| US10912512B2 (en) | System and method for muscle movements detection | |
| Likitlersuang et al. | EEG-controlled functional electrical stimulation therapy with automated grasp selection: a proof-of-concept study | |
| US20220266024A1 (en) | Neurostimulation device with recording patch | |
| CN111195392A (zh) | 用于脊髓损伤康复治疗的植入式脊髓刺激系统 | |
| McCrimmon et al. | A small, portable, battery-powered brain-computer interface system for motor rehabilitation | |
| RU2652058C1 (ru) | Система для регистрации и декодирования биоэлектрической активности мозга и мышц человека | |
| KR20070005982A (ko) | 뇌 삽입형 신경 활동도 측정 및 전기 자극 시스템 | |
| RU2661756C2 (ru) | Устройство мозг-машинного интерфейса для дистанционного управления экзоскелетными конструкциями | |
| Hernandez Arieta et al. | Sensorymotor coupling in rehabilitation robotics | |
| CN110801223B (zh) | 一种无线脑深部神经接口系统 | |
| KR101128341B1 (ko) | 사용자 의도 추종형 사이보그 시스템 | |
| CN209347928U (zh) | 步态矫正仪 | |
| US11752326B2 (en) | Portable and wearable hand-grasp neuro-orthosis | |
| Noor et al. | Simulation analysis of different strength levels of EOG signals | |
| Wang et al. | Feasibility of an ultra-low power digital signal processor platform as a basis for a fully implantable brain-computer interface system | |
| Vernon et al. | Multidimensional control using a mobile-phone based brain-muscle-computer interface | |
| Alonso et al. | A control system for robots and wheelchairs: its application for people with severe motor disability |