RU72395U1 - MAGNETOENCEPHALOGRAPHIC SPECTRAL ANALYZER-SUMMER OF HUMAN BRAIN BIO-POTENTIALS - Google Patents

Abstract

Полезная модель предназначена для анализа функционального состояния пациентов и оперативной передачи данных в реальном масштабе времени по коммуникационным каналам. Магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека содержит электромагнитный индукционный датчик, выполненный в виде двух пар катушек активной (1) и пассивной (2). В каждой паре активная и пассивная катушки (1, 2) включены встречно. Активная (1) и пассивная катушки (2) разнесены так, чтобы витки одной катушки не перекрывали витки другой катушки. Обе пассивные катушки (2) выполнены в виде одной катушки за счет намотки в два провода. В каждой паре активная катушка (1) располагается в лобной части головы человека: одна с правой стороны, другая с левой стороны. Активная катушка (1) накладывается непосредственно на голову человека параллельно ее поверхности. Активная катушка (1) и объединенная пассивная катушка (2) должны быть расположены в одной плоскости. При таком расположении в каждой активной катушке (1) наводятся токи, как от магнитного поля головного мозга, так и токи от индустриальных помех, но в каждой пассивной катушке (2) при этом наводятся токи только от индустриальных помех. При взаимном вычитании на выходах катушек остается только сигнал, наведенный магнитным полем головного мозга. Сигналы с каждой пары катушек (1, 2) подаются на входы (3, 4) дифференциальных цифровых усилителей (5). Съем информации производится одновременно по двум каналам (6, 7) и передается на программный блок (9). Предлагаемая полезная модель позволяет регистрировать электромагнитные излучения головного мозга человека в частотном диапазоне от 27 до 0,13 Гц. Малогабаритность, простота конструкции, а также относительно низкая стоимость расширяет область использования полезной модели. 1 н.з. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model is designed to analyze the functional state of patients and real-time real-time data transfer through communication channels. Magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of human brain biopotentials contains an electromagnetic induction sensor made in the form of two pairs of coils active (1) and passive (2). In each pair, the active and passive coils (1, 2) are included in the opposite direction. The active (1) and passive coils (2) are spaced so that the turns of one coil do not overlap the turns of another coil. Both passive coils (2) are made in the form of a single coil due to winding in two wires. In each pair, the active coil (1) is located in the frontal part of the human head: one on the right side, the other on the left side. The active coil (1) is applied directly to the person’s head parallel to its surface. The active coil (1) and the combined passive coil (2) must be in the same plane. With this arrangement, currents are induced in each active coil (1), both from the magnetic field of the brain, and currents from industrial interference, but in each passive coil (2), only currents from industrial interference are induced. With mutual subtraction at the outputs of the coils, only the signal induced by the magnetic field of the brain remains. The signals from each pair of coils (1, 2) are fed to the inputs (3, 4) of differential digital amplifiers (5). Information is taken simultaneously through two channels (6, 7) and transmitted to the software unit (9). The proposed utility model allows you to register electromagnetic radiation of the human brain in the frequency range from 27 to 0.13 Hz. Small size, simplicity of design, as well as relatively low cost expands the field of use of the utility model. 1 n.a. and 2 z.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области медицины и предназначена для регистрации электромагнитных излучений головного мозга человека, в частности при анализе функционального состояния пациентов.The utility model relates to the field of medicine and is intended for registration of electromagnetic radiation of the human brain, in particular when analyzing the functional state of patients.

Известны устройства для регистрации электромагнитных излучений головного мозга - магнитоэнцефалографы (МЭГ). В тоже время при регистрации магнитных полей биообъектов в настоящее время используются магнитометры, различные как по способу построения, так и по своей структуре (см. Холодов Ю.А. Магнитные поля биологических объектов/Ю.А.Холодов, А.Н.Козлов, A.M.Горбач; Отв. ред. М.Г.Айрапетянц. - М.: Наука, 1987. - С.14, 23).Known devices for recording electromagnetic radiation of the brain - magnetoencephalographs (MEG). At the same time, when registering the magnetic fields of biological objects, magnetometers are currently used, both in construction method and in structure (see Kholodov Yu.A. Magnetic fields of biological objects / Yu.A. Kholodov, A.N. Kozlov, AM Gorbach; Edited by M.G. Hayrapetyants. - M .: Nauka, 1987. - P.14, 23).

Известен сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик. В основе принципа действия СКВИД лежит явление сверхпроводимости, возникающее в некоторых металлах при низких температурах, и квантование магнитного потока через кольцо из сверхпроводящего материала со слабой связью. Если расстояние между двумя половинками сверхпроводника уменьшить до расстояния 1-2 нм, то между двумя половинками начинает течь ток, который зависит от магнитного поля. Этот эффект называется эффектом Джозефсона. Уровень собственных шумов датчика очень мал.A superconducting quantum interference sensor is known. The principle of the operation of SQUID is based on the phenomenon of superconductivity, which occurs in some metals at low temperatures, and quantization of the magnetic flux through a ring of a superconducting material with weak coupling. If the distance between the two halves of the superconductor is reduced to a distance of 1-2 nm, then a current begins to flow between the two halves, which depends on the magnetic field. This effect is called the Josephson effect. The intrinsic noise level of the sensor is very small.

Магнитометры на базе СКВИД используют для магнитоэнцефалографических исследований. Магнитоэнцефалографы, работающие на базе СКВИД, очень дороги и громоздки, их необходимо регулярно заполнять жидким гелием для охлаждения. Они чрезвычайно чувствительны к смещениям датчика относительно головы пациента и к внешним магнитным полям, экранирование от которых является достаточно сложной технической задачей. Магнитоэнцефалографы, работающие на базе СКВИД, используются преимущественно для научных исследований и не применяются в практическом здравоохранении (см. Холодов Ю.А. Магнитные поля биологических объектов/Ю.А.Холодов, А.Н.Козлов, A.M.Горбач; Отв. ред. М.Г.Айрапетянц. - М.: Наука, 1987. - С.30-41).SQUID-based magnetometers are used for magnetoencephalographic studies. SQUID-based magnetoencephalographs are very expensive and bulky; they must be regularly filled with liquid helium for cooling. They are extremely sensitive to displacements of the sensor relative to the patient’s head and to external magnetic fields, shielding from which is a rather complicated technical task. SQUID-based magnetoencephalographs are used primarily for scientific research and are not used in medical practice (see Kholodov Yu.A. Magnetic fields of biological objects / Yu.A. Kholodov, A.N. Kozlov, AMGorbach; Ed. M.G. Ayrapetyants. - M .: Nauka, 1987.- P.30-41).

Известно устройство для измерения слабых магнитных полей, содержащее ферромагнитный проводник, последовательно соединенный с источником переменного тока, катушку индуктивности, соединенную с измерителем напряжения (см. Патент на изобретение РФ №2118834, МПК G01R 01/06, публикация 10.09.1998 г.).A device for measuring weak magnetic fields is known, comprising a ferromagnetic conductor connected in series with an alternating current source, an inductor connected to a voltage meter (see RF Patent No. 2118834, IPC G01R 01/06, publication 09/10/1998).

Известно устройство для оценки патологических изменений в системной A device for assessing pathological changes in systemic

деятельности мозга, включающее набор датчиков, налагаемых на голову человека (см. Патент на изобретение РФ №2177716, МПК А61В 5/0476, публикация 10.01.2002 г.).brain activity, including a set of sensors applied to the human head (see Patent for the invention of the Russian Federation No. 2177716, IPC AB 5/0476, publication January 10, 2002).

Первые измерения магнитного поля головного мозга человека были выполнены при помощи индукционных магнитометров (ИМ), конструктивную основу которых составляет устройство из многовитковых катушек, включенных по дифференциальной схеме измерений. Индукционный магнитометр является измерителем компоненты, магнитного поля, направленной вдоль оси индукционного датчика.The first measurements of the magnetic field of the human brain were carried out using induction magnetometers (MI), the constructive basis of which is a device made up of multi-turn coils connected by a differential measurement scheme. An induction magnetometer is a meter of components of a magnetic field directed along the axis of an induction sensor.

При этом большинство исследований по спектральному анализу электроэнцефалографии были проведены при изучении его коротких секундных временных отрезков. Именно в таких интервалах времени протекает оперативная работа мозга. Анализу электроэнцефалографии при усреднении за длительные интервалы времени не уделялось до настоящего времени достаточного внимания.Moreover, most studies on the spectral analysis of electroencephalography were conducted in the study of its short second time intervals. It is in such time intervals that the operational work of the brain proceeds. The analysis of electroencephalography with averaging over long time intervals has not been given sufficient attention to date.

Принцип работы индукционного датчика ИМ основан на эффекте электромагнитной индукции, возникающей в электрическом контуре при изменении магнитного поля. Индукционный датчик представляет собой многослойную катушку с сердечником из материала с высокой магнитной проницаемостью (см. Холодов Ю.А. Магнитные поля биологических объектов/Ю.А.Холодов, А.Н.Козлов, A.M.Горбач; Отв. ред. М.Г.Айрапетянц. - М.: Наука, 1987. - С.23, 26-28), принято за прототип.The principle of operation of the induction sensor IM is based on the effect of electromagnetic induction that occurs in the electrical circuit when the magnetic field changes. The induction sensor is a multilayer coil with a core made of a material with high magnetic permeability (see Kholodov Yu.A. Magnetic fields of biological objects / Yu.A. Kholodov, A.N. Kozlov, AMGorbach; Ed. Ed. M.G. Hayrapetyants. - M .: Nauka, 1987. - P.23, 26-28), taken as a prototype.

Недостатком индукционного датчика при биомагнитных исследованиях являются относительно большие геометрические размеры датчика, что не позволяет точно локализовать зону источника магнитного поля на голове пациента.The disadvantage of the induction sensor in biomagnetic studies is the relatively large geometric dimensions of the sensor, which does not allow you to accurately localize the area of the magnetic field source on the patient’s head.

Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, состоит в повышении удобства и упрощении наложения электромагнитного индукционного датчика.The problem to which the claimed utility model is directed is to increase the convenience and simplify the application of an electromagnetic induction sensor.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, состоит в расширении функциональных и эксплуатационных возможностей, также области использования магнитоэнцефалографического спектрального анализатора-сумматора биопотенциалов головного мозга человека за счет простоты предлагаемой конструкции.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model consists in expanding the functional and operational capabilities, as well as the use of a magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of human brain biopotentials due to the simplicity of the proposed design.

Указанный технический результат достигается тем, что в магнитоэнцефалографическом спектральном анализаторе-сумматоре биопотенциалов головного мозга человека, содержащем электромагнитный индукционный датчик, выполненный в виде двух пар катушек, согласно полезной модели, в каждой паре катушки установлены встречно друг другу, одна из катушек - активная и расположена на голове человека, вторая катушка - пассивная, причем пассивные катушки из каждой The specified technical result is achieved by the fact that in the magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the biopotentials of the human brain containing an electromagnetic induction sensor made in the form of two pairs of coils, according to the utility model, each pair of coils are mounted opposite each other, one of the coils is active and located on the human head, the second coil is passive, with passive coils from each

пары совмещены друг с другом за счет намотки в два провода, активные и пассивные катушки размещены таким образом, чтобы витки одной из них не перекрывали витки другой, при этом активные и пассивные катушки расположены в одной плоскости, с возможностью съема сигналов через каналы цифрового усилителя и передачи сигналов на блок регистрации и анализа информации.the pairs are aligned with each other by winding into two wires, the active and passive coils are placed so that the turns of one of them do not overlap the turns of the other, while the active and passive coils are located in the same plane, with the possibility of picking up signals through the channels of a digital amplifier and transmitting signals to the unit for recording and analyzing information.

В магнитоэнцефалографическом спектральном анализаторе-сумматоре биопотенциалов головного мозга человека пассивные катушки размещены от головы на расстоянии не менее чем 40 мм.In the magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the human brain biopotentials, passive coils are placed from the head at a distance of not less than 40 mm.

В магнитоэнцефалографическом спектральном анализаторе-сумматоре биопотенциалов головного мозга человека активные и пассивные катушки имеют одинаковый диаметр, выполнены из провода, с одинаковым сечением и электрохимическими характеристиками, содержат равное число витков, не менее 5000.In the magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of human brain biopotentials, active and passive coils have the same diameter, are made of wire, with the same cross section and electrochemical characteristics, contain an equal number of turns, at least 5000.

Полезная модель поясняется графическими изображениями:The utility model is illustrated by graphic images:

на фиг.1 - представлена блок-схема магнитоэнцефалографического спектрального анализатора-сумматора биопотенциалов головного мозга человека;figure 1 - presents a block diagram of a magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the biopotentials of the human brain;

на фиг.2 - фотография расположения катушек на голове человека;figure 2 is a photograph of the location of the coils on the head of a person;

на фиг.3 - фотография конструктивного решения внешнего вида магнитоэнцефалографического спектрального анализатора-сумматора биопотенциалов головного мозга человека.figure 3 is a photograph of a constructive solution of the appearance of the magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the biopotentials of the human brain.

Магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека содержит электромагнитный индукционный датчик, выполненный в виде двух пар катушек активной 1 и пассивной 2. В каждой паре активная и пассивная катушки 1, 2 включены встречно, то есть так, что токи, наведенные в катушках 1, 2 магнитными полями, взаимно вычитаются.The magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the human brain biopotentials contains an electromagnetic induction sensor made in the form of two pairs of coils active 1 and passive 2. In each pair, the active and passive coils 1, 2 are turned on in opposite directions, that is, so that the currents induced in the coils 1 , 2 magnetic fields, mutually subtracted.

Активные 1 и пассивные 2 катушки должны быть максимально одинаковыми по диаметру, содержать равное количество витков (не менее 5000) при этом намотаны проводом имеющим одинаковое сечение и электрохимические характеристики.Active 1 and passive 2 coils should be as uniform as possible in diameter, contain an equal number of turns (at least 5000) while being wound with a wire having the same cross section and electrochemical characteristics.

Активная 1 и пассивная катушки 2 разнесены так, чтобы витки одной катушки не перекрывали витки другой катушки. Это делается для того, чтобы избежать их взаимного влияния. Конструктивно обе пассивные катушки 2 выполнены в виде одной катушки за счет намотки в два провода. Диаметр объединенной пассивной катушки должен быть таким же, как и диаметр активной катушки (не менее 50 мм). Кроме того, они должны быть расположены в одной плоскости. Только в этом случае можно добиться максимального подавления помех (токов, наведенных промышленными магнитными полями).Active 1 and passive coils 2 are spaced so that the turns of one coil do not overlap the turns of another coil. This is done in order to avoid their mutual influence. Structurally, both passive coils 2 are made in the form of a single coil due to winding in two wires. The diameter of the combined passive coil should be the same as the diameter of the active coil (at least 50 mm). In addition, they must be located in the same plane. Only in this case it is possible to achieve maximum suppression of interference (currents induced by industrial magnetic fields).

В каждой паре активная катушка 1 располагается в лобной части головы человека: одна с правой стороны, другая с левой стороны. В лобной части головы интенсивность электромагнитного поля головного мозга наибольшая. Активная катушка 1 накладывается непосредственно на голову человека (можно через прокладку) параллельно ее поверхности, так как силовые линии магнитного поля проходят радиально, то есть перпендикулярно поверхности головы человека.In each pair, the active coil 1 is located in the frontal part of the human head: one on the right side, the other on the left side. In the frontal part of the head, the intensity of the electromagnetic field of the brain is greatest. The active coil 1 is applied directly to the person’s head (it is possible through the gasket) parallel to its surface, since the lines of force of the magnetic field extend radially, that is, perpendicular to the surface of the person’s head.

Кроме того, обе активные катушки 1 и объединенная пассивная катушка 2 должны быть расположены в одной плоскости (насколько это возможно при расположении на голове человека).In addition, both active coils 1 and the combined passive coil 2 should be located in the same plane (as far as possible when placed on a person’s head).

При таком расположении катушек 1, 2 в каждой активной катушке 1 наводятся токи, как от магнитного поля головного мозга, так и токи от индустриальных помех, но в каждой пассивной катушке 2 при этом наводятся токи только от индустриальных помех. При взаимном вычитании на выходах катушек 1, 2 остается только сигнал, наведенный магнитным полем головного мозга.With this arrangement of coils 1, 2, currents are induced in each active coil 1, both from the magnetic field of the brain, and currents from industrial interference, but in each passive coil 2, currents are only induced from industrial interference. With mutual subtraction at the outputs of coils 1, 2, only the signal induced by the magnetic field of the brain remains.

Сигналы с каждой пары катушек 1, 2 подаются на входы 3, 4 дифференциальных цифровых усилителей 5. Средние точки двух пар катушек подключается к общему проводу (на чертеже не указан) цифрового усилителя 5. Съем информации производится одновременно по двум каналам 6, 7 и передается на цифровые фильтры 8 программного блока 9. Регистрация и анализ информации производится в блоке спектрального анализа и сегментарной матрице 10.The signals from each pair of coils 1, 2 are fed to the inputs 3, 4 of differential digital amplifiers 5. The midpoints of two pairs of coils are connected to the common wire (not shown in the drawing) of digital amplifier 5. Information is acquired simultaneously on two channels 6, 7 and transmitted to digital filters 8 of program block 9. Registration and analysis of information is performed in the block of spectral analysis and segmental matrix 10.

Такое расположение катушек 1, 2 позволяет значительно уменьшить артефакты различного происхождения в низкочастотной области (менее 0,5 Гц) и устойчиво регистрировать электромагнитные излучения головного мозга человека в частотном диапазоне от 27 до 0,13 Гц. Предложенный магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека позволяет формировать длительность эпохи анализа более 2 мин.This arrangement of coils 1, 2 can significantly reduce artifacts of various origin in the low-frequency region (less than 0.5 Hz) and stably register electromagnetic radiation of the human brain in the frequency range from 27 to 0.13 Hz. The proposed magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the human brain biopotentials allows one to form a duration of the analysis epoch of more than 2 minutes.

Следует отметить, что известен метод спектрального анализа ЭЭГ в частотном диапазоне 0,5-30 Гц., с определением среднего нормированного значения мощностей ритмов ЭЭГ и выделением 20 поддиапазонов с соответствующими центральными частотами и эпохой анализа 20 секунд, при частоте дискретизации 330 Гц. (см. Подольский И.Я. Длительные изменения спектров ЭЭГ гиппокампа и неокортекса при фармакологических воздействиях на холинергическую систему/И.Я.Подольский, В.В.Воробьев, Н.А.Белова//Высшая нервная деятельность. - 2000. - Т.50. - №6. - С.982-989).It should be noted that the known method of spectral analysis of EEG in the frequency range of 0.5-30 Hz., With the determination of the average normalized value of the power of the EEG rhythms and the allocation of 20 sub-bands with the corresponding center frequencies and the analysis era of 20 seconds, with a sampling frequency of 330 Hz. (see Podolsky I.Ya. Long-term changes in the EEG spectra of the hippocampus and neocortex under pharmacological effects on the cholinergic system / I.Ya. Podolsky, V.V. Vorobyov, N.A. Belova // Higher nervous activity. - 2000. - T .50. - No. 6. - S.982-989).

Предлагаемая полезная модель позволяет повысить удобство и простоту наложения электромагнитного индукционного датчика, предоставляет возможность The proposed utility model improves the usability of an electromagnetic induction sensor, provides an opportunity

самостоятельного наложения и съема его самим пациентом, при этом смещение датчика относительно головы пациента не влияет на результат измерения.self-imposition and removal by the patient himself, while the displacement of the sensor relative to the patient’s head does not affect the measurement result.

Преимущества предложенной полезной модели заключаются также в отсутствии электрического контакта с пациентом, нечувствительности к внешним помехам (отпадает необходимость в экранированной комнате), в отказе от необходимости применения нейтрального электрода.The advantages of the proposed utility model also lie in the absence of electrical contact with the patient, insensitivity to external noise (there is no need for a shielded room), and the need to use a neutral electrode is rejected.

Из-за этого расширяются функциональные и эксплуатационные возможности использования полезной модели, позволяя устойчиво регистрировать электромагнитные излучения головного мозга человека в частотном диапазоне от 27 до 0,13 Гц. Малогабаритность, простота конструкции, возможность мобильного исполнения, а также относительно низкая стоимость расширяет область использования полезной модели.Because of this, the functional and operational capabilities of using the utility model are expanding, making it possible to stably register electromagnetic radiation of the human brain in the frequency range from 27 to 0.13 Hz. The small size, simplicity of design, the possibility of mobile execution, as well as the relatively low cost, expand the scope of the utility model.

Предложенный магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека может найти применение в практическом здравоохранении для анализа функционального состояния пациентов и оперативной передачи данных в реальном масштабе времени по коммуникационным каналам.The proposed magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the human brain biopotentials can be used in medical practice for analyzing the functional state of patients and real-time real-time data transmission via communication channels.

Claims (3)

1. Магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека, содержащий электромагнитный индукционный датчик, выполненный в виде двух пар катушек, отличающийся тем, в каждой паре катушки установлены встречно друг другу, одна из катушек - активная и расположена на голове человека, вторая катушка - пассивная, причем пассивные катушки из каждой пары совмещены друг с другом за счет намотки в два провода, активные и пассивные катушки размещены таким образом, чтобы витки одной из них не перекрывали витки другой, при этом активные и пассивные катушки расположены в одной плоскости, с возможностью съема сигналов через каналы цифрового усилителя и передачи сигналов на блок регистрации и анализа информации.1. Magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of human brain biopotentials, containing an electromagnetic induction sensor made in the form of two pairs of coils, characterized in that each pair of coils are mounted opposite each other, one of the coils is active and located on the human head, the second coil is passive, and passive coils from each pair are combined with each other due to winding in two wires, active and passive coils are placed so that the turns of one of them do not overlap another, while the active and passive coils are located in the same plane, with the possibility of picking up signals through the channels of a digital amplifier and transmitting signals to the information recording and analysis unit. 2. Магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека по п.1, отличающийся тем, что пассивные катушки размещены от головы на расстоянии не менее чем 40 мм.2. Magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of biopotentials of the human brain according to claim 1, characterized in that the passive coils are placed from the head at a distance of not less than 40 mm 3. Магнитоэнцефалографический спектральный анализатор-сумматор биопотенциалов головного мозга человека по п.1, отличающийся тем, что активные и пассивные катушки имеют одинаковый диаметр, выполнены из провода с одинаковым сечением и электрохимическими характеристиками, содержат равное число витков не менее 5000.

3. Magnetoencephalographic spectral analyzer-adder of the human brain biopotentials according to claim 1, characterized in that the active and passive coils have the same diameter, are made of wire with the same cross section and electrochemical characteristics, contain an equal number of turns of at least 5000.