CN103961090B - 一种可头部安装并具有脑电图用电极的装置 - Google Patents
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Abstract
基于径向可调节的电极提供了一种可头部安装并具有脑电图用电极的装置，以匹配佩戴者独有的头部尺寸和形状。具有设置在其中的电极阵列的可头部安装的装置包括可头部安装的装置部分，其通过机械紧固件互连以方便可头部安装的装置的尺寸和位置调节。每个可头部安装的装置部分中设有弹性套筒阵列。每个弹性套筒容纳单个电极，且为可变形的以自定向。套筒的变形使得穿过容纳在弹性套筒内的单个电极的中心轴维持在相对位于电极下的头皮部分的平面切线近似垂直的位置处。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于康复、训练或娱乐的脑电图学(EEG)大脑生物反馈装置，尤其涉及一种具有自定向、可径向调节的EEG电极的大脑生物反馈装置。
背景技术
中风是一种具有高残疾和死亡率的脑血管意外。影响中风幸存者自立性的一个主要因素是手功能，其与日常生活密切相关，例如进食和自我清洁。随着人口老龄化以及越来越长寿，中风或其它脑血管事故后的神经康复成为未来主要的挑战。
脑电图学（EEG：Electroencephalography）是一种测量由大脑的大脑皮层生成的生物电信号的技术。该信号直接与来自中枢神经***的自主运动贡献有关（例如，EEG运动想象，机体工作的思考和计划）。EEG信号更直接地与来自早期脑卒阶段中的病人的具有更强信号的自主贡献有关。当前能够测量这些信号的EEG***的类型为非便携的，即，它们足够大，使得只能将它们局限在研究实验室环境中使用。该测量***需要冗长的周期来准备和校准全部的EEG电极的位置。另外，如果没有可视指示器，难于核实正确的电极放置，通常必须由熟练的技工来执行。
已有各种各样的装置用于校准位置，以将EEG电极保持接近患者的头皮。例如，帽子用于定位EEG电极。该电极帽通过技术员在短时间内（例如，大约5分钟）实现EEG电极的定位。电极定位之后，注入导电胶以减少头皮-电极阻抗，从而记录强的EEG信号。
然而，当前使用各种头部设备来定位EEG电极仍然不够，因为它们无法针对患者群体中的头部尺寸和形状做出调整。通常，常规的方法是使用各种特定的尺寸来近似各种头部尺寸，以及沿弹性材料粗略地拉长帽子以更加紧密地匹配不同的头部形状。然而，常规的电极帽近似在上半头部，具有半球形。因为人的头部不是半球形，相等拉长的头部尺寸近似方法将在电极定位中产生误差。
因此，针对现有技术需要一种改进的EEG电极定位装置，尤其是一种质量轻的具有足够弹性性质的定位装置，以确保在各种头部尺寸和形状上实现正确的电极定位。针对现有技术还需要关于电极正确定位以及电极-头皮阻抗在适于EEG信号测量的可接受范围内的可视指示。该装置能够方便能用在诊所和住宅中的具有极小准备时间的便携式大脑训练***。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明要一种大脑生物反馈装置，以匹配佩戴者独有的头部尺寸和形状，而不是如常规的电极帽，仅仅拉长电极之间的间距。
本发明提供一种可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其中包括：电极阵列，用于测量由大脑的大脑皮层产生的生物电信号，其中，单个电极针对头部尺寸和形状的个体差异可径向调节的个体差异可径向调节；多个可头部安装的装置部分，在所述装置的应用和移除过程中通过机械紧固件向上和向下弯曲，以使得所述装置部分相对彼此可移动；位于每个可头部安装的装置部分内的弹性套筒阵列，每个所述套筒容纳单个电极，所述弹性套筒为可变形的以自定向，从而将穿过容纳在所述弹性套筒内的单个电极的中心轴维持在相对位于所述电极下的头皮部分的平面切线近似垂直的位置处。
本发明中，所述机械紧固件可包括一个或多个铰链结合。
本发明中，所述弹性套筒可进一步包括可变形的半圆形减震部分，以维持相对位于所述电极下的所述头皮部分的电极方向。
本发明中，所述装置可进一步包括可视指示器，以显示与阻抗值、EEG值或者控制参数有关的信息。
本发明中，所述可视指示器可包括一个或多个发光二极管。
本发明中，所述装置可进一步包括紧邻所述电极的前置放大器。
本发明中，所述装置可放大器为单个单元或阵列。
本发明中，所述装置可进一步包括辅助的可头部安装的分部，所述分部包括与耳朵参考位置可校准的参考电极。
本发明中，所述装置可进一步包括设置所述弹性套筒内的环形槽，以容纳电极腿。
本发明还提供一种用于包含大脑生物反馈的神经康复的***，其中包含上述可头部安装并具有脑电图用电极的装置。
具有定位在其中的电极阵列的可头部安装的装置包括多个可头部安装的装置部分，它们通过机械紧固件互连，以方便可头部安装的装置的尺寸和定位调节。弹性套筒（sleeve）阵列设置在每个可头部安装的装置部分中。每个弹性套筒容纳单个电极，并可变形。套筒的变形使得穿过容纳在弹性套筒内的单个电极的中心轴保持在与位于电极下的头皮部分的平面切线近似垂直的位置处。
附图说明
图1是依据本发明优选实施例的佩戴后的由EEG头戴式（headset）模块构成的大脑训练装置的透视图；
图2示意地描述了基于人口测量的在径向方向上头部尺寸的扩大；
图3A和3B描述了用于本发明的可头部安装的装置的电极阵列的定位点的顶视图和侧视图；
图4A和4B分别是图1中的装置的EEG头戴式模块的前视图和侧视图；
图5是针对64通道EEG的、指示EEG电极位置的图1中的装置的EEG头戴式模块的顶视图，其基于国际10/20***的EEG电极位置分布，覆盖了大脑活动的中心、额骨和顶骨区域；
图6是阐述了附着在图1中的装置的头戴式模块内部的自定向EEG电极的细节的截面视图；
图7A和7B是以一定距离和角度与皮肤表面接触的图6中的自定向EEG电极的截面视图，这样电极能够设置在具有各种尺寸和形状的头部上；图7B示出了具有中心轴的电极的自定向性质，该中心轴穿过电极并保持在与位于电极下的头皮部分的平面切线近似垂直的位置处；
图8是为了将装置设置到头上或从头上移除装置而向上弯曲EEG头戴式模块的左和右分部时，图1中的装置的EEG头戴式模块的前视图；
图9是当EEG头戴式模块的左和右分部附着在头部表面上时，图1中的装置的EEG头戴式模块的前视图；
图10A和10B是图1中的装置的EEG头戴式模块的后方透视图，示出了当装置佩戴时沿轴调节的左和右参考电极；
图11是图6中的自定向EEG电极的顶视图，示出了针对可视生物反馈信号传播的发光图样；
图12是图1中的装置的EEG头戴式模块的顶视图，指示了设置在装置外部的图11中的可视信号指示器上所传播的发光色彩图样。
具体实施方式
详见附图，图2示出了依据本发明的，通过与标准头部形状和尺寸（参见参考文献1-6）相比在径向方向上头部尺寸的扩大，其中，字母标号A表示小的头部尺寸，字母标号B表示相对的大的头部尺寸。使用这些测量和扩大，本发明产生了一种用于头部可安装的电极阵列装置的新设计。该装置依赖可径向调节的电极，相对于侧向拉长电极之间的间隔的常规的弹性帽，该可径向调节的电极匹配单个头部尺寸。
如图3所示，可头部安装的装置使用参照由鼻根100和枕骨隆突200、以及耳朵耳穴300来找到的顶点（Cz）的精确定向和定位来附着在佩戴者的头上，该顶点为鼻根100与枕骨隆突200之间的中心点，也是左右耳穴300之间的中心点。该装置还与中心线对齐，该中心线沿鼻根100和枕骨隆突200延伸。
基于图2和3中的测量和定位，图1示出了能够测量由大脑的大脑皮层产生的生物电信号的可头部安装的装置181，配置该装置以使得单个电极针对头部尺寸和形状中的个体差异可径向调节。图1中的装置为用于大脑训练和康复的***中的可选部分。
参见图4和5，EEG可头部安装的装置181包括依据国际10/20***覆盖头部的头盖骨的中心、额骨和顶骨区域的EEG电极定位30。数字30用于指示整个电极结构，而生物电信号传感部分（电极的实际加电部分）由引用编号32（见图6）指示。可头部安装的装置181包括中心装置分部21、左装置分部22、右装置分部23以及辅助装置分部24。辅助分部24包括左和右后耳朵参考电极31n。EEG电极30的每个贴到EEG可头部安装的装置中的预定电极位置上。依据标准10/20***，分别在垂直和水平方向上设置电极具有鼻根100-枕骨隆突200之间距离的20%的间隔以及耳耳距离的20%的间隔。对于64-通道的EEG，电极之间的垂直距离减少了一半，变为鼻根100-枕骨隆突200之间距离的10%，以及水平距离也变成耳耳距离的10%。
图6为电极30的截面视图。生物电传感部分32设置在弹性电极套筒31内。弹性电极套筒31为可选地一体成型，包括半圆形减震部分35。该配置使得弹性套筒31在一定距离内被压缩，以改变它的方向来适应各种头部尺寸和形状，如图7A和7B所示。如图7A和7B所示，电极32安装在弹性套筒31内，使得当具有减震部分35的弹性套筒发生变形时，穿过电极32的中心轴维持在近似与位于电极下的头皮部分的平面切线垂直的位置处，以用于自定向。
EEG电极32设置在套筒内，并具有潜入在弹性套筒31的环形槽33中的末端/腿。将EEG传感电极32潜入到自定向的电极套筒31中，并固定缆线39的方向，以使得EEG电极位错的可能性最小。
在弹性套筒31直接接近患者头皮的部分，形成了腔体34。该腔体通常填充有导电胶，以提供头皮与电极之间的接触。或者，可变形的导电材料能够填充腔体34，以提供所需的皮肤-电极阻抗。弹性套筒31的环形边缘还可舒适地设置在头上，使得头部运动过程中来自电极的泄露最小。导电胶能够减少EEG电极32与头部的头皮80之间的皮肤-电极阻抗。该设计能够减少皮肤-电极阻抗以增强EEG信号质量。
参见图8和9，EEG可头部安装的装置181的左分部22和右分部23能够在装置181的使用和移除过程中，通过机械紧固件（可选地通过铰链结合61形成）向上和向下弯曲。优选地，分部彼此之间的相对运动避免了EEG可头部安装的装置在应用过程中，电极在该装置的左分部22和右分部23处的变形。然而，电极套筒31将径向变形，并在患者头部上的所需的电极位置处自定向（即，电极的中心轴实质上垂直于相对电极下的头皮的线切线）。其中，还示出了用于校准的指示器410。
图10示出了位于可头部安装的装置181的辅助分部24处的左参考电极25和右参考电极26。能够以选择的角度沿轴调节左参考电极25和右参考电极26，以与耳朵参考位置接触。其中，还示出了用于校准的指示器420和430。
参见图11和12，可视生物反馈信号指示器30结合在电极设计中，以将色彩图样传播到设置在该装置外部的光圈上。可视信号指示器能够显示皮肤-电极阻抗值、EEG值、或控制参数。可视信号指示器能够是具有单种或多种色彩的一个或多个LED37。色彩图样和强度代表阻抗、EEG值或控制参数。该色彩不限于仅涵盖以上的图样和参数。其中，示出了用于可视信号指示器的单个或多个色彩图样500。
为了针对EEG信号提供更好的信噪比，能够采用前置放大器实质上紧密贴近每个电极。该放大器能够以单个单元或以阵列的形式设置。
如以上所设置的，本发明提供了一种改进的用于医院和家庭中的大脑训练的生物反馈装置，该装置为便携的、易于使用、并且使得准备时间最少。虽然就各个实施例和示例描述了上述发明，但是应当理解的是，只要在权利要求及其等同的表述中，其它实施例也在本发明的保护范围内。而且，以上特定的示例仅用作说明，并不是对本公开的限制。此处，所公开的全部参考文献以引用的方式并入。
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Claims (10)
1.一种可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，包括：
电极阵列，用于测量由大脑的大脑皮层产生的生物电信号，其中，单个电极针对头部尺寸和形状的个体差异可径向调节；
多个可头部安装的装置部分；
多个连接所述装置部分的机械紧固件，其中，在所述装置的应用和移除过程中通过所述机械紧固件向上和向下弯曲，以使得所述装置部分相对彼此可移动；
位于每个可头部安装的装置部分内的弹性套筒阵列，每个所述套筒容纳单个电极，所述弹性套筒为可变形的以自定向，从而将穿过容纳在所述弹性套筒内的单个电极的中心轴维持在相对位于所述电极下的头皮部分的平面切线近似垂直的位置处；
其中，至少一个所述弹性套筒包括减震部分，所述减震部分被配置为可变形，用以维持相对位于所述单个电极下的所述头皮部分的电极方向。
2.根据权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述机械紧固件包括一个或多个铰链结合。
3.根据权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述减震部分是半圆形的。
4.根据权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述装置进一步包括可视指示器，以显示与阻抗值、EEG值或者控制参数有关的信息。
5.根据权利要求4所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述可视指示器包括一个或多个发光二极管。
6.根据权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述装置进一步包括紧邻所述电极的前置放大器。
7.根据权利要求6所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述前置放大器为单个单元或阵列。
8.根据权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述装置进一步包括辅助的可头部安装的分部，所述分部包括与耳朵参考位置可校准的参考电极。
9.根据权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置，其特征在于，所述装置进一步包括设置所述弹性套筒内的环形槽，以容纳电极腿。
10.一种用于包含大脑生物反馈的神经康复的***，其特征在于，包括权利要求1所述可头部安装并具有脑电图用电极的装置。
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