RU63663U1

RU63663U1 - DEVICE FOR ASSESSING THE ELECTRICAL PROPERTIES OF THE BRAIN

Info

Publication number: RU63663U1
Application number: RU2006145812/22U
Authority: RU
Inventors: Яков Семенович Пеккер; Геннадий Трофимович Виллисов; Виталий Алексеевич Десятов; Константин Станиславович Бразовский; Олег Семенович Уманский; Александр Васильевич Фокин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ИТМ"
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2007-06-10

Abstract

Устройство относится к медицинской технике, в частности, к электронным приборам для регистрации электрических свойств головного мозга и может быть использовано для проведения нейрофизиологических исследований, оценки состояния мозгового кровообращения, обнаружения злокачественных новообразований и других объемных процессов. Техническая задача полезной модели - расширение функциональных свойств устройства за счет введения дополнительных узлов, обеспечивающих многоканальное измерение электрического импеданса тканей головного мозга. Поставленная задача решается тем, что, как и в прототипе устройство для оценки электрических свойств головного мозга, содержит блок отводящих электродов, коммутационную панель с гнездами для подключения, многоканальный предварительный усилитель, входы которого соединены с соответствующими гнездами подключения коммутационной панели, а выходы с соответствующими входами многоканального аналогового коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и блок памяти на основе микроконтроллера и блок сопряжения с ЭВМ, в отличие от прототипа в него введены многоканальный преобразователь напряжение-ток, цифро-аналоговый преобразователь и многоканальный аналоговый коммутатор, входы многоканального преобразователя напряжение-ток подключены через дополнительно введенный многоканальный аналоговый коммутатор к выходу цифро-аналогового преобразователя, выходы многоканального преобразователя напряжение-ток подключены к входам многоканального предварительного усилителя, а вход цифро-аналогового преобразователя подключен к блоку управления.The device relates to medical equipment, in particular, to electronic devices for recording the electrical properties of the brain and can be used to conduct neurophysiological studies, assess the state of cerebral circulation, detect malignant neoplasms and other volumetric processes. The technical task of the utility model is to expand the functional properties of the device by introducing additional nodes that provide multi-channel measurement of the electrical impedance of brain tissue. The problem is solved in that, as in the prototype device for assessing the electrical properties of the brain, contains a block of discharge electrodes, a patch panel with jacks for connection, a multi-channel pre-amplifier, the inputs of which are connected to the corresponding jacks of the connection of the patch panel, and the outputs with the corresponding inputs a multichannel analog switch, an analog-to-digital converter, a control unit and a memory unit based on a microcontroller and a computer interface, in contrast from the prototype, a multi-channel voltage-current converter, a digital-to-analog converter and a multi-channel analog switch are introduced, the inputs of the multi-channel voltage-current converter are connected through an additionally introduced multi-channel analog switch to the output of the digital-to-analog converter, the outputs of the multi-channel voltage-current converter are connected to the inputs of the multi-channel pre-amplifier, and the input of the digital-to-analog converter is connected to the control unit.

Description

Устройство относится к медицинской технике, в частности, к электронным приборам для регистрации электрических свойств головного мозга и может быть использовано для проведения нейрофизиологических исследований, оценки состояния мозгового кровообращения, обнаружения злокачественных новообразований и других объемных процессов.The device relates to medical equipment, in particular, to electronic devices for recording the electrical properties of the brain and can be used to conduct neurophysiological studies, assess the state of cerebral circulation, detect malignant neoplasms and other volumetric processes.

Известно устройство (АС СССР №880241), которое содержит блок отводящих электродов, коммутационную панель, многоканальный предварительный усилитель, выходы которого подключены к регистратору. Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности измерения внутричерепного импеданса и контроля импеданса электродов, что существенно снижает диагностические возможности прибора. Указанные недостатки устранены в устройстве для исследования электрической активности мозга (патент РФ №2076625), принятом за прототип. Данное устройство содержит блок отводящих электродов, коммутационную панель, выполненную в виде изображения головы с гнездами для подключения отводящих электродов, многоканальный предварительный усилитель и соединенные с его выходами селектор отведений, блок контроля импеданса электродов, многоканальный селективный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ. Подводящие электроды подключены к обследуемому, а сигнал с них подается на вход предварительного многоканального усилителя и после усиления через селектор каналов и многоканальный селективный усилитель подается на аналоге - цифровой преобразователь и затем передается в ЭВМ. Одновременно от блока контроля импеданса на электроды подается слабый переменный электрический ток и измеряется паденение напряжения на электроде. Это позволяет в реальном времени контролировать качество наложения электродов.A device is known (USSR AS No. 880241), which contains a block of discharge electrodes, a patch panel, a multi-channel pre-amplifier, the outputs of which are connected to the recorder. The disadvantages of this device are the inability to measure intracranial impedance and control the impedance of the electrodes, which significantly reduces the diagnostic capabilities of the device. These disadvantages are eliminated in the device for studying the electrical activity of the brain (RF patent No. 2076625), adopted as a prototype. This device contains a block of lead electrodes, a patch panel made in the form of an image of the head with sockets for connecting the lead electrodes, a multi-channel pre-amplifier and lead selector connected to its outputs, an electrode impedance control unit, a multi-channel selective amplifier, an analog-to-digital converter, and a computer. The supply electrodes are connected to the subject, and the signal from them is fed to the input of a preliminary multichannel amplifier and after amplification through a channel selector and a multichannel selective amplifier is fed to an analog - a digital converter and then transmitted to a computer. At the same time, a weak alternating electric current is supplied to the electrodes from the impedance control unit and the voltage drop across the electrode is measured. This allows real-time control of the quality of the electrode application.

Недостатком прототипа является то, что это устройство не позволяет проводить измерения пассивных электрических свойств головного мозга - в частности, электрического сопротивления. Возможность оценки электрического сопротивления тканей головного мозга позволяет расширить диагностические возможности оборудования.The disadvantage of the prototype is that this device does not allow the measurement of passive electrical properties of the brain - in particular, electrical resistance. The ability to assess the electrical resistance of brain tissue allows you to expand the diagnostic capabilities of the equipment.

Техническая задача полезной модели - расширение функциональных свойств устройства за счет введения дополнительных узлов, обеспечивающих многоканальное The technical task of the utility model is to expand the functional properties of the device by introducing additional nodes that provide multi-channel

измерение электрического импеданса тканей головного мозга. Функциональная схема устройства приведена на рисунке.measurement of electrical impedance of brain tissue. Functional diagram of the device is shown in the figure.

Поставленная задача решается тем, что, как и в прототипе устройство для оценки электрических свойств головного мозга, содержит блок отводящих электродов, коммутационную панель с гнездами для подключения, многоканальный предварительный усилитель, входы которого соединены с соответствующими гнездами подключения коммутационной панели, а выходы с соответствующими входами многоканального аналогового коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и блок памяти на основе микроконтроллера и блок сопряжения с ЭВМ, в отличие от прототипа в него введены многоканальный преобразователь напряжение-ток, цифро-аналоговый преобразователь и многоканальный аналоговый коммутатор, входы многоканального преобразователя напряжение-ток подключены через дополнительно введенный многоканальный аналоговый коммутатор к выходу цифро-аналогового преобразователя, выходы многоканального преобразователя напряжение-ток подключены к входам многоканального предварительного усилителя, а вход цифро-аналогового преобразователя подключен к блоку управления.The problem is solved in that, as in the prototype device for assessing the electrical properties of the brain, contains a block of discharge electrodes, a patch panel with jacks for connection, a multi-channel pre-amplifier, the inputs of which are connected to the corresponding jacks of the connection of the patch panel, and the outputs with the corresponding inputs a multichannel analog switch, an analog-to-digital converter, a control unit and a memory unit based on a microcontroller and a computer interface, in contrast from the prototype, a multi-channel voltage-current converter, a digital-to-analog converter and a multi-channel analog switch are introduced, the inputs of the multi-channel voltage-current converter are connected through an additionally introduced multi-channel analog switch to the output of the digital-to-analog converter, the outputs of the multi-channel voltage-current converter are connected to the inputs of the multi-channel pre-amplifier, and the input of the digital-to-analog converter is connected to the control unit.

В дальнейшем сущность полезной модели поясняется описанием и чертежом, на котором приведена функциональная схема устройства для оценки электрических свойств головного мозга.In the future, the essence of the utility model is illustrated by the description and drawing, which shows a functional diagram of a device for assessing the electrical properties of the brain.

В состав устройства входят: коммутационная панель 1 с гнездами для подключения отводящих электродов Э1-Э16 и референтного электрода Эреф, многоканальный предварительный усилитель 2, состоящий из дифференциальных усилителей ДУ1-ДУ16, многоканальный преобразователь напряжение-ток 3, состоящий из стабилизаторов переменного тока I1-I16, многоканальные аналоговые коммутаторы 5, 6, аналого-цифровой преобразователь 7, цифро-аналоговый преобразователь 8, блок управления 9, блок гальванической развязки 10 и ЭВМ 11.The device includes: a patch panel 1 with sockets for connecting the lead electrodes E1-E16 and the reference electrode Eref, a multi-channel preamplifier 2, consisting of differential amplifiers DU1-DU16, a multi-channel voltage-current converter 3, consisting of AC stabilizers I1-I16 , multichannel analog switches 5, 6, analog-to-digital converter 7, digital-to-analog converter 8, control unit 9, galvanic isolation unit 10 and computer 11.

Устройство работает следующим образом. Электроды Э1-Э16, Эреф подключены к обследуемому в соответствии с международной схемой «10/20» (Н.Н. Jasper. The ten-twenty electrode system of the International Federation. // Electroencephalographic Clinical Neurophysiology. - 1958. - №10. - pp.371-375). Шестнадцать электродов Э1-Э16 предназначены для регистрации собственной электрической активности головного мозга относительно референтного электрода Эреф, который размещается в точке с потенциалом, близким к нулю (на мочке уха, интраназально и т.д.). На эти электроды подается зондирующий ток от стабилизаторов переменного тока I1-I16. Блок управления 9, выполненный на микроконтроллере, в соответствии с программой выбирает один из The device operates as follows. The electrodes E1-E16, Eref are connected to the subject in accordance with the international scheme "10/20" (N.N. Jasper. The ten-twenty electrode system of the International Federation. // Electroencephalographic Clinical Neurophysiology. - 1958. - No. 10. - pp. 371-375). Sixteen E1-E16 electrodes are designed to record the brain's own electrical activity relative to the Eref reference electrode, which is located at a point with a potential close to zero (on the earlobe, intranasally, etc.). A probing current is supplied to these electrodes from AC stabilizers I1-I16. The control unit 9, made on the microcontroller, in accordance with the program selects one of

токовых каналов путем установки номера канала на цифровом входе многоканального аналогового коммутатора 5. Затем выбирается измерительный канал путем установки номера канала на цифровом входе коммутатора 6. Далее блок управления 9 начинает генерировать последовательность команд управления ЦАП 8, которые устанавливают заданный уровень напряжения на выходе ЦАП 8. Через многоканальный аналоговый коммутатор 5 в зависимости от номера выбранного токового канала сигнал с выхода ЦАП 8 подается на многоканальный преобразователь напряжение-ток 3 и подается на один из стабилизаторов переменного тока I1-I16. На выходе стабилизатора переменного тока формируется ток, который линейно зависит от величины входного напряжения. Этот ток подается на электрод, подключенный к данному стабилизатору. Электрод подключается непосредственно к биологическому объекту и подводимый ток проходит через область исследования, создавая в ней электрическое поле. Разность потенциалов этого поля регистрируется в измерительном канале относительно референтного электрода Эреф. Сигнал с измерительного электрода подается на соответствующий вход многоканального предварительного усилителя 2 и попадает на вход соответствующего дифференциального усилителя. На другой вход подается сигнал от общего референтного электрода Эреф. Дифференциальный усилитель преобразует разность входных напряжений в униполярное выходное напряжение. Через многоканальный аналоговый коммутатор 6 усиленная разность потенциалов поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7. По сигналу блока управления 9 осуществляется однократное аналого-цифровое преобразование и выходной сигнал АЦП 7 в виде двоичного кода поступает на вход блока управления 9. Далее этот сигнал через устройство гальванической развязки 10 передается в ЭВМ 11.current channels by setting the channel number on the digital input of the multichannel analog switch 5. Then, the measuring channel is selected by setting the channel number on the digital input of the switch 6. Next, the control unit 9 starts to generate a sequence of control commands of the DAC 8, which set a given voltage level at the output of the DAC 8. Through a multi-channel analog switch 5, depending on the number of the selected current channel, the signal from the output of the DAC 8 is fed to the multi-channel voltage-current converter 3 and is fed to one of the AC stabilizers I1-I16. A current is formed at the output of the AC stabilizer, which linearly depends on the magnitude of the input voltage. This current is supplied to the electrode connected to this stabilizer. The electrode is connected directly to the biological object and the input current passes through the study area, creating an electric field in it. The potential difference of this field is recorded in the measuring channel relative to the reference Eref electrode. The signal from the measuring electrode is fed to the corresponding input of the multi-channel pre-amplifier 2 and gets to the input of the corresponding differential amplifier. A signal from the common reference electrode Eref is applied to the other input. A differential amplifier converts the input voltage difference into a unipolar output voltage. Through a multichannel analog switch 6, the amplified potential difference is fed to the input of the analog-to-digital converter 7. The signal from the control unit 9 carries out a single analog-to-digital conversion and the output signal of the ADC 7 is transmitted in the form of a binary code to the input of the control unit 9. Then this signal is transmitted through the galvanic device junction 10 is transmitted to the computer 11.

Таким образом осуществляется одно измерение. Далее цикл измерений повторяется для всех шестнадцати измерительных каналов, в результате получается одна проекция. После проведения шестнадцати измерений выбирается новый номер токового канала и снова проводится цикл измерений для всех шестнадцати измерительных каналов. Таким образом формируется один кадр, который состоит из 256 измерений. После получения кадра токовые каналы отключают и проводят один цикл из шестнадцати измерений собственной электрической активности мозга. Для этого блок управления 9 подает на вход многоканального аналогового коммутатора 5 сигнал отключения и последовательно подключает выходы многоканального предварительного усилителя 2 к входу АЦП. Так как амплитуда сигнала собственной электрической активности головного мозга составляет максимум один милливольт (мВ), а разность потенциалов от зондирующего тока находится в пределах от 10 мВ до 100 мВ, то дифференциальные усилители, применяемые Thus, one measurement is carried out. Next, the measurement cycle is repeated for all sixteen measuring channels, the result is one projection. After performing sixteen measurements, a new current channel number is selected and again a measurement cycle is performed for all sixteen measuring channels. Thus, one frame is formed, which consists of 256 measurements. After receiving the frame, the current channels are turned off and one cycle of sixteen measurements of the brain’s own electrical activity is performed. For this, the control unit 9 supplies the input of the multi-channel analog switch 5 with a shutdown signal and sequentially connects the outputs of the multi-channel pre-amplifier 2 to the input of the ADC. Since the amplitude of the signal of intrinsic electrical activity of the brain is a maximum of one millivolt (mV), and the potential difference from the probing current is in the range from 10 mV to 100 mV, differential amplifiers used

в многоканальном предварительном усилителе, имеют коэффициент усиления зондирующего тока 50, а коэффициент усиления собственной электрической активности мозга 2500. В результате удается одновременно регистрировать как собственную электрическую активность мозга, так и электрический импеданс.in a multi-channel preamplifier, they have a probe current gain of 50 and a gain of the brain’s own electrical activity of 2500. As a result, it is possible to simultaneously register both the brain’s own electrical activity and electrical impedance.

Блок управления 9 накапливает отсчеты АЦП 7 и при получении полного кадра и 16 измерений электрической активности мозга осуществляет перекодирование сигнала с целью увеличения помехозащищенности и формирует синхронизирующие сигналы для ЭВМ 11. После получения заданного количества кадров блок управления 9 останавливает процесс измерения и передает накопленные данные в ЭВМ 11 через блок гальванической изоляции 10. В ЭВМ специализированное программное обеспечение обеспечивает прием данных, обратное декодирование и восстановление схемы коммутации.The control unit 9 accumulates ADC 7 readings and, upon receipt of a full frame and 16 measurements of the electrical activity of the brain, transcodes the signal in order to increase noise immunity and generates synchronizing signals for the computer 11. After receiving the specified number of frames, the control unit 9 stops the measurement process and transfers the accumulated data to the computer 11 through the galvanic isolation unit 10. In a computer, specialized software provides data reception, reverse decoding and restoration of the circuit mutations.

Дополнительные введенные цифро-аналоговый преобразователь 8, многоканальный аналоговый коммутатор 5 и многоканальный преобразователь напряжение-ток 2 позволяют проводить одновременные многоканальные измерения как собственной электрической активности головного мозга, аналогично прототипу, так и пассивных электрических свойств, в частности, электрического импеданса тканей головы.Additional introduced digital-to-analog converter 8, multi-channel analog switch 5 and multi-channel voltage-current converter 2 allow simultaneous multi-channel measurements of both the intrinsic electrical activity of the brain, similar to the prototype, and passive electrical properties, in particular, the electrical impedance of the tissues of the head.

Claims

A device for evaluating the electrical properties of the brain, containing a block of discharge electrodes, a patch panel with jacks for connecting, a multi-channel preamplifier, the inputs of which are connected to the corresponding jacks of the connection of the patch panel, and the outputs with the corresponding inputs of a multi-channel analog switch, analog-to-digital converter, control unit and a memory unit based on a microcontroller and a computer interface unit, characterized in that multi-channel conversion a voltage-current amplifier, a digital-to-analog converter, and a multi-channel analog switch, the inputs of a multi-channel voltage-current converter are connected through an additionally introduced multi-channel analog switch to the output of a digital-to-analog converter, the outputs of a multi-channel voltage-current converter are connected to the inputs of a multi-channel pre-amplifier, and the input of the digital-to-analog converter is connected to the unit management.