Багатоканальний датчик електроміограми

Реферат: Винахід належить до вимірів для діагностичних цілей, зокрема до вимірів біологічних сигналів організму або його частин, і може бути використаний для отримання результуючого сигналу в цифровій формі, придатного для подальшої обробки на пристроях подальшої обробки електроміограми, зокрема для розпізнавання жестів людини. Датчик містить електроди, з'єднані послідовно з мультиплексором, попереднім підсилювачем, другим мультиплексором, підсилювачем, аналого-цифровим перетворювачем, блоком керування, який сполучено з аналого-цифровим перетворювачем, мультиплексорами і електронними ключами, з'єднаними з електродами, при цьому другий мультиплексор сполучено з фільтром високої частоти. Створено універсальний багатоканальний датчик електроміограми з високою чутливістю, який зменшує вартість вироблення пристрою і габарити, підвищує його стабільність. UA 113778 C2 (12) UA 113778 C2 UA 113778 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювання для діагностичних цілей, зокрема до вимірювання біологічних сигналів організму або його частин, і може бути використаний для отримання результуючого сигналу в цифровій формі, придатного для подальшої обробки на пристроях обробки електроміограми, зокрема для розпізнавання жестів людини. Електроміографія - метод вимірювання функціонального стану скелетних м'язів, що базується на реєстрації електричних потенціалів, які виникають у них. Пристрій, що використовується у електроміографії, називають електроміограф, а результатом реєстрації електричних потенціалів м'яза є електроміограма. Електроміографія використовується в медицині для діагностики периферичних нервів та м'язів, зокрема при захворюваннях м'язів, для виготовлення протезів кінцівок тощо. Крім того, електроміограф застосовують для взаємодії людини з комп'ютером (human-computer interaction або muscle-computer interaction), в такому випадку електроміографи мають найчастіше портативний розмір і можуть бути використані для контролю стану нервово-м'язової системи хворих, спортсменів, а також керування електронними пристроями за допомогою жестів для роботи та розваг людини у повсякденному житті. Звичайне виконання електроміографа включає апаратну та програмну частини, апаратна частина виконує прийом сигналу та його початкову обробку (підсилення та фільтрацію), а програмна частина пристрою виконує подальшу обробку сигналу відповідно до призначених завдань з використанням різних алгоритмів обробки та додаткових програмних і апаратних засобів. Пристрої розпізнавання жестів, зокрема на основі електроміографів, найчастіше взаємодіють з руками людини, рухи яких найбільш активні, різноманітні та точні. У винаході US8447704 В2, G06F15/18, 2013, пристрій розташовано на верхній частині передпліччя людини. Таке розміщення дозволяє знімати біопотенціали м'язів, за допомогою яких здійснюються жести пальців та кисті. Розміщення пристрою на місці зосередження великої кількості м'язів дозволяє зробити процес його зручнішим для повсякденного використання, проте такий пристрій складніше реалізувати. Локалізація електродів на обмеженій поверхні передпліччя полегшує процес узгодження сигналів, отриманих від різних м'язів, але вносить додаткові похибки, спричинені паразитними зарядами від інших електродів та сигналами, отриманими від сусідніх м'язів. У винаході ЕР1656883 А1, А61В5/0488, 2006, пропонується використання пари поверхневих електродів - сенсорного (інформативного, чутливого) та референсного, сполучених через підсилювач і смуговий фільтр з аналого-цифровим перетворювачем і мікроконтролером. Використання однієї пари електродів (одного каналу) дозволяє виміряти зміни потенціалів одного м'яза, що недостатньо для задачі розпізнавання жестів, проте підходить для заявлених медичних цілей. Більш універсальним пристроєм є багатоканальний електроміограф, кожному каналу якого відповідає пара електродів - сенсорного (інформативного, чутливого) та референсного. Наприклад, у винаході US8170656 В2, А61В5/0488, G06F3/015, 2012, такі пари електродів пропонується розмістити у манжеті або браслеті, що носять на зап'ясті, або в елементі одягу і використовувати електроміограф для взаємодії людини з комп'ютером. Автори патенту передбачають з'єднання кожної пари електродів напряму з підсилювачем або через мультиплексор, керований мікропроцесором. Таке виконання аналогової частини датчика призводить до накопичення локальних зарядів на електродах внаслідок електролітичних явищ у місті контакту електродів зі шкірою. У випадку використання мультиплексора кількість каналів, що підсилюють, і як наслідок, кількість підсилювачів менша, ніж кількість пар електродів, що зменшує ресурси, затрачені на отримання електроміограми активних м'язів, проте вищевказана проблема накопичення зарядів цим не вирішується. Передбачається також застосування додаткових пар електродів як зондуючих для складання карти розміщення сенсора. Проте вони прикладають до шкіри додаткові потенціали, що створює додаткові перешкоди корисному сигналу, а також збільшує паразитні заряди, накопичені на електродах. Найближчим до корисної моделі, що заявляється, є пристрій, призначений для моніторингу електричного сигналу, створеного активністю м'язів з індикацією (зворотним зв'язком) у вигляді візуальної шкали та акустичного сигналу [US 4170225, А61В5/0488, 1979]. Пристрій не багатоканальний, він використовує два електроди як чутливі і один електрод як спільний референсний. Як наслідок, якість контакту погіршується, а кількість одночасно досліджуваних м'язів недостатня. У пристрою є два каскади підсилення сигналу з електродів попередній підсилювач і основний, між якими виконані фільтр високої частоти (ФВЧ) та фільтр низької частоти (ФНЧ). Проте ФНЧ розміщено не в кінці ланцюжка, а після попереднього 1 UA 113778 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підсилювача. Крім того, відсутній мультиплексор, який би дозволив спростити принципову схему, зменшити габарити пристрою, підвищити його стабільність. В основу винаходу поставлено задачу створення універсального багатоканального датчика електроміограми з високою чутливістю, який би зменшив вартість вироблення пристрою і габарити, підвищив би його стабільність. Поставлену задачу вирішують тим, що багатоканальний датчик електроміограми, який містить електроди, два каскади підсилення - основний і попередній підсилювачі, фільтр високої частоти, згідно з винаходом, додатково містить два мультиплексори, електронні ключі, аналогоцифровий перетворювач, блок керування, при цьому кожен канал складається з пари електродів, з'єднаних послідовно з мультиплексором, попереднім підсилювачем, другим мультиплексором, підсилювачем, аналого-цифровим перетворювачем, блоком керування, який сполучено з мультиплексорами і електронними ключами, з'єднаними з електродами, а фільтр високої частоти сполучено з другим мультиплексором. Багатоканальний датчик може додатково містити фільтр низької частоти, розміщений між підсилювачем і аналого-цифровим перетворювачем. Конструкція багатоканального датчика електроміограми на основі поверхневих електродів забезпечує стабільну роботу кожного каналу без спотворення сигналів перешкодами, що спричинені іншими електродами, активністю (рухом) сторонніх м'язів і тканин тіла, зовнішніми джерелами шуму, накопиченням постійної складової, накопиченими паразитними зарядами в місці контактів електродів зі шкірою. Використання попереднього підсилювача підвищує чутливість електроміографа. Фільтр високої частоти і фільтр низької частоти забезпечують отримання підсиленого сигналу каналів електроміографа потрібного характеру та діапазону частот. Використання мультиплексорів дозволяє значно спростити структурну схему, зменшити вартість пристрою і габарити, підвищити його стабільність. Результуючий сигнал в цифровій формі, що отримують, придатний для подальшої обробки на пристроях обробки електроміограми, зокрема для розпізнавання жестів. Винахід пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 - зображено багатоканальний датчик електроміограми без фільтра низької частоти; на Фіг. 2 - багатоканальний датчик електроміограми з фільтром низької частоти; Багатоканальний датчик електроміограми містить електроди 1, з'єднані послідовно з мультиплексором 2, попереднім підсилювачем 3, другим мультиплексором 4, підсилювачем 5, аналого-цифровим перетворювачем 6, блоком 7 керування, який сполучено з аналогоцифровим перетворювачем (АЦП) 6, мультиплексорами 2, 4 та з електронними ключами 8, з'єднаними з електродами 1, при цьому другий мультиплексом 4 сполучено з фільтром 9 високої частоти (ФВЧ). Багатоканальний датчик може додатково містити фільтр 10 низької частоти (ФНЧ), розміщений між підсилювачем 5 та АЦП 6. Кожен канал багатоканального датчика електроміограми для більшої точності приєднують до шкіри людини парою поверхневих електродів 1. Мультиплексори 2 і 4 спрощують схему обробки сигналів з різних каналів датчика. Електронні ключі 8 слугують для використання вільних у поточний момент електродів 1 як референсних (reference electrode, virtual ground). Будь-яка кількість незайнятих електродів 1 може виступати референсними одночасно. Це означає, що визначена кількість незайнятих електродів 1 замикаються між собою, що, в свою чергу, дозволяє розряджати локальні заряди на електродах 1, що утворені в результаті електролітичних ефектів у місці контакту зі шкірою. Підсилення сигналу, знятого з електродів 1, відбувається в два етапи, тобто виконується попереднім підсилювачем 3 (preamplifier), потім сигнал через другий мультиплексор 4 проходить через фільтр 9 високих частот (ФВЧ, high-passfilter, HPF), що прибирає з сигналу постійну складову, яка може з'являтись внаслідок паразитних зарядів на електродах 1, і підсилюється підсилювачем 5 з високим коефіцієнтом підсилення. Кількість фільтрів 9 високих частот відповідає кількості пар електродів 1, тобто максимальному числу каналів датчика, оскільки кожен фільтр налаштовується під параметри сигналів конкретного каналу. Використання фільтра 9 високих частот попереджає перевантаження підсилювача (з великим коефіцієнтом підсилення) постійною складовою та позбавляє від необхідності використання активного віртуального заземлення (virtual ground). Після підсилювача 5 сигнал електроміограми може проходити через фільтр низької частоти 10 (low-passfilter, LPF), після чого оцифровується на аналого-цифровому перетворювачі 6 (АЦП, ADC) і надходить на блок 7 керування, де обробляється в цифровому вигляді або направляється для подальшої обробки на інші цифрові та аналогові пристрої. 2 UA 113778 C2 Блок 7 керування також виконує керування роботою мультиплексорів 2, 4 і електронних ключів 8. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Багатоканальний датчик електроміограми, що містить електроди, два каскади підсилення основний і попередній підсилювачі, фільтр високої частоти, який відрізняється тим, що додатково містить два мультиплексори, електронні ключі, аналого-цифровий перетворювач, блок керування, при цьому кожен канал складається з пари електродів, з'єднаних послідовно з мультиплексором, попереднім підсилювачем, другим мультиплексором, підсилювачем, аналогоцифровим перетворювачем, блоком керування, який сполучено з аналого-цифровим перетворювачем, мультиплексорами і електронними ключами, з'єднаними з електродами, а фільтр високої частоти сполучено з другим мультиплексором. 2. Багатоканальний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить фільтр низької частоти, розміщений між підсилювачем і аналого-цифровим перетворювачем. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3