Устройство мозг-машинного интерфейса для дистанционного управления экзоскелетными конструкциями - RU2661756C2
Код документа: RU2661756C2
Описание
Изобретение относится к информационным технологиям и нейрофизиологии. Изобретение может быть использовано для обеспечения человека нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, восполняющими и дополняющими двигательные функции.
Известно изобретение «Мозг-компьютерный интерфейс» (JP4876988, опубликовано 25.09.2008 г.). Устройство осуществляет запись сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для управления компьютером.
Однако использование только ЭЭГ сигналов ограничивает функциональные возможности системы, поскольку существует целый ряд проблем, связанных с извлечением характерных свойств из необработанного ЭЭГ сигнала, и с корректной классификацией этих свойств на их основе. Одним из вариантов преодоления указанных недостатков может стать использование гибридного мозг-компьютерного интерфейса (МКИ), в котором сигналы головного мозга дополняются иными биологическими сигналами. Использование всех доступных пользователю биологических каналов позволит улучшить точность и эффективность управления, особенно для пациентов с нейромускулярными заболеваниями.
Недостатками устройства являются неудобство использования из-за отсутствия мобильности устройства, а также недостаточная точность управления из-за отсутствия сопоставления сигналов ЭЭГ с сигналами электромиограммы (ЭМГ) и электроокулограммы (ЭОГ), и сигналами двигательной активности (пульсовой волны и температуры).
Известно «Настраивающееся устройство для идентификации мозговых волн, настраивающийся метод и компьютерная программа» (Патент РФ № 2410026, опубликован 27.01.2011 г.). Недостатками устройства являются неудобство использования из-за отсутствия мобильности устройства, а также недостаточная точность управления из-за отсутствия сопоставления сигналов ЭЭГ с сигналами ЭМГ и ЭОГ, и сигналами двигательной активности (пульсовой волны и температуры).
Известен «Способ и устройство для мозг-компьютерного интерфейса», выбранные в качестве прототипа (патент на изобретение США №9211078, опубликован 15.12.2015 г.). Изобретение содержит устройство для снятия ЭЭГ и алгоритм распознавания команд ЭЭГ и передачи в виде функциональных команд. Недостатками устройства являются неудобство использования из-за отсутствия мобильности устройства и недостаточная точность управления из-за отсутствия сопоставления сигналов ЭЭГ с сигналами ЭМГ и ЭОГ, и сигналами двигательной активности (пульсовой волны и температуры).
Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет обеспечения мобильности и повышения точности управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, восполняющими и дополняющими двигательные функции человека, за счет реализации в носимом устройстве возможности, обеспечения регистрации и обработки электрофизиологических и биометрических параметров, а также возможности управления и организации мультимодальной обратной связи.
Технический результат достигается в носимом беспроводном устройстве, выполненном с возможностью регистрации электрофизиологических и биометрических параметров оператора, содержащем модуль регистрации ЭЭГ, модуль регистрации ЭОГ, модуль регистрации ЭМГ, модуль регистрации двигательной активности, содержащий гироскоп и акселерометр, модуль определения поверхностной температуры и модуль регистрации фотоплетизмограммы (ФПГ), энергонезависимую память для хранения информации, аккумулятор для работы устройства без использования проводов, модуль обработки, выполненный с возможностью обработки измеряемых сигналов методом слияния и сопоставления двигательной активности с электрофизиологическими параметрами оператора, выполненный также с возможностью формирования управляющих сигналов для экзоскелетных конструкций, а также модуль для беспроводной передачи управляющей информации на экзоскелетные конструкции о предполагаемом движении в режиме реального времени.
Устройство работает следующим образом.
Для снятия ЭЭГ используются чашечные электроды, выполненные из серебра (Ag/AgCl), размещаются при помощи шапочки. Электроды для ЭЭГ закрепляют на голове оператора по схеме с биполярным отведением, электроды закрепляют на затылке, референтные электроды закрепляют на мочках ушей, и используются следующие режимы получения сигнала ЭЭГ:
фильтр низких частот 30 Гц;
фильтр высоких частот 0,5 Гц;
режекторный фильтр 50 Гц;
развертка по оси Х 30 мм/с;
развертка по оси Y 50 мкВ/мм;
сигнал ЭЭГ регистрируют в виде частот ритмов (альфа — 8—13 Гц, бета — 14—40 Гц, тета — 4—8 Гц, дельта — 0,5—3 Гц, гамма — выше 40 Гц), например альфа-ритмы;
Электроды для ЭОГ (пластинчатые электроды из Ag/AgCl) закрепляют на висках, около правого глаза и на лбу по схеме с биполярным отведением, и для получения сигналов ЭОГ используют следующие параметры:
фильтр низких частот 40 Гц;
фильтр высоких частот 1 Гц;
режекторный фильтр 50 Гц;
развертка по оси Х 15 мм/с;
развертка по оси Y 50 мкВ/мм;
сигнал ЭОГ регистрируют путем регистрации движения глаз;
Электроды для ЭМГ (пластинчатые электроды из Ag/AgCl) закрепляют около мышцы, с которой необходимо получить сигнал, например мышца бедра, по схеме с биполярным отведением;
расстояние между электродами составляет 5 см;
используют следующие режимы получения сигнала ЭМГ:
фильтр низких частот 100 Гц;
фильтр высоких частот 1 Гц;
режекторный фильтр 50 Гц;
развертка по оси Х 120 мм/с;
развертка по оси Y 10 мкВ/мм;
сигнал ЭМГ регистрируют путем регистрации сокращения мышцы.
Для измерения ЭКГ используют датчик ФПГ, в котором поверхность кожи оператора вблизи кровеносных сосудов освещается светодиодом, и в зависимости от отраженного света, меняется ток на фототранзисторе, входящем в состав датчика ФПГ. Поскольку значение тока меняется в режиме реального времени, строят функцию зависимости напряжения от времени U(t), график которой представляет собой пульсовую волну. Для удаления шумов и сглаживания кривой данные напряжения фильтруют аппаратно с помощью фильтра низких частот. Методом скользящей средней проводят математическую обработку графика пульсовой волны для сглаживания и последующего удобства визуализации, кроме этого, функцию U(t) возводят в квадрат и дифференцируют. В итоге, получают график ФПГ, который имеет ту же форму, что и график электрокардиограммы (ЭКГ), по которому можно проводить медицинские исследования и диагностику.
Данные с модуля регистрации двигательной активности поступают на процессор для численной обработки данных осей координат с акселерометра, по изменению углов Эйлера определяется положение частей тела оператора в пространстве.
С помощью модуля регистрации ЭЭГ измеряется электрическая активность головного мозга оператора, отводимая с кожи головы оператора. С помощью модуля регистрации ЭМГ измеряются биоэлектрические потенциалы, возникающие в скелетных мышцах оператора. С помощью модуля регистрации ЭОГ измеряются биопотенциалы во время движения глазного яблока оператора. С помощью модуля определения поверхностной температуры определяется температура тела оператора. С помощью модуля регистрации двигательной активности, включающего гироскоп и акселерометр, определяется двигательная активность оператора по изменению углов Эйлера. Методом ФПГ измеряется пульс и ЭКГ оператора. Полученные данные регистрируются в графическом виде и в цифровом виде, что позволяет организовать в устройстве мультимодальную обратную связь. Для увеличения точности передаваемых намерений оператора электромеханическому устройству, в устройство предварительно загружена программа, обеспечивающая обработку сигналов методом слияния с возможностью выбора весов всех полученных в устройстве электрофизиологических и биометрических параметров оператора.
Таким образом, в устройстве обеспечивается мобильность и повышение точности управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, за счет реализации в носимом устройстве возможности, обеспечения регистрации и сопоставления большого числа электрофизиологических и биометрических параметров оператора, а также возможности управления и организации мультимодальной обратной связи.
Реферат
Изобретение относится к информационным технологиям и нейрофизиологии и может быть использовано для мозг-машинного интерфейса. Устройство выполнено в виде носимого беспроводного устройства с возможностью регистрации электрофизиологических и биометрических параметров оператора. Устройство содержит модуль регистрации электроэнцефалограммы, модуль регистрации электроокулограммы, модуль регистрации электромиограммы, модуль регистрации двигательной активности, модуль обработки, выполненный с возможностью обработки измеряемых сигналов методом слияния и сопоставления двигательной активности с электрофизиологическими параметрами оператора. Устройство выполнено также с возможностью формирования и беспроводной передачи управляющих сигналов на экзоскелетные конструкции о предполагаемом движении в режиме реального времени. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики устройства мозг-машинного интерфейса, обеспечить мобильность и повысить точность управления нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями. 3 з.п. ф-лы.
