Устройство для корректирования функций вестибулярного аппарата

Полезная модель относится к медицинской технике, может быть использована для корректирования, исследования и лечения вестибулярного аппарата методом электротактильной стимуляции тканей человека, и содержит подключенный к контроллеру электротактильный датчик с размещенным на его поверхности множеством электродов и акселерометром. В контроллере между выходом блока приема сигналов акселерометра и входом блока передачи электрических сигналов на электротактильный датчик установлен блок калибровки, при этом вход управления блока калибровки подключен к блоку управления, соединенному с человеко-машинным интерфейсом устройства. Введение блока калибровки в контроллер устройства позволяет исключить индивидуальные особенности положения головы или тела человека в пространстве из процесса корректирования, исследования и лечения, что, в целом, ведет к расширению возможностей адаптации устройства к индивидуальным особенностям нормального положения головы или тела в пространстве конкретного человека, а также к увеличению качества и сокращению времени проводимых процедур. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для корректирования, исследования и лечения вестибулярного аппарата методом электротактильной стимуляции тканей человека. Устройство может применяться при нарушениях функций равновесия тела человека, расстройствах вестибулярного аппарата, опорно-двигательного аппарата, и двигательно-координационных нарушениях.

Действие подобных устройств направлено на создание дополнительного потока информации, который компенсирует ее недостаток, вызванный утратой или нарушением естественных сенсорных каналов, отвечающих за ориентацию в пространстве. Такие устройства определяют положение в пространстве головы или тела человека и передают эту информацию мозгу через действующие сенсорные каналы, например, посредством электротактильной стимуляции тканей. Электротактильная стимуляция подразумевает подачу электрических сигналов, которые воспринимаются нервными окончаниями человека, с помощью электродов, находящихся в контакте с его телом. В процессе работы с такими устройствами у человека вырабатываются ассоциации между положением в пространстве головы или тела и электрическим сигналом, формируемым по заранее заданному правилу на одном или нескольких электродах устройства, что положительно влияет на восстановление нарушенных функций вестибулярного аппарата.

Известно устройство по патенту РФ RU 2463088 C2 «Способ и устройство для стимуляции тканей» (опубл. 10.10.2012 г. ). В данном устройстве передача информации осуществляется с помощью вводимого в ткань человека проводника, который генерирует электрическое поле в трех измерениях. Проводник содержит множество электродов, которые расположены вокруг продольной оси в двумерном плотноупакованном массиве. Стимуляция тканей человека осуществляется посредством изменяющегося электрического поля, формируемого на поверхности проводника, введенного в ткань, и находящегося в контакте с телом человека.

Известно устройство, описанное в заявке на патент США 2011/0071439 A1 «Система тактильного ввода информации» (опубл. 24.05.2011 г. ). В данном устройстве зрительная, осязательная информация, информация о положении в пространстве головы или тела человека, получаемая от различных датчиков устройства, передается мозгу человека посредством имплантированных под кожу электродов. Электроды стимулируют ткани тела человека электрическим, механическим, тепловым воздействиями.

Общим недостатком указанных устройств является инвазивный способ введения электродов для стимуляции тканей человека, что в целом ограничивает их область применения при корректировании, исследовании и лечении вестибулярных нарушений, а в некоторых случаях, при ряде сопутствующих заболеваний у человека, является недопустимым.

Ближайшим аналогом описываемого устройства является устройство, которые приведено в заявке на патент США 2009/0326604 A1 «Устройство для альтернативной стимуляции вестибулярного аппарата и способ работы с ним» (опубл. 31.12.2009 г. ). В патенте описано устройство, которое предназначено для корректирования функций вестибулярного аппарата человека, дополняет, заменяет ослабленные или утраченные функции вестибулярного аппарата. Данное устройство содержит акселерометр, с помощью которого определяют положение в пространстве головы или тела человека, электротактильный датчик, используемый для электротактильной стимуляции языка человека и контроллер, управляющий устройством. Электротактильный датчик представляет собой печатную плату, на поверхности которой размещено множество электродов в количестве 160 штук, к которым подводятся электрические сигналы, вырабатываемые контроллером. При нормальном положении в пространстве головы или тела человека электрический сигнал подается на электроды расположенные в центре множества электродов электротактильного датчика (центральные электроды). При отклонении головы или тела человека по отношению к направлению силы тяжести, электрический сигнал подается на электроды, которые размещены относительно центральных электродов на расстоянии, соответствующем этому отклонению.

Однако, в связи с тем, что каждому человеку присуще индивидуальное положение в пространстве головы или тела относительно направления силы тяжести, которое можно считать для него нормальным, электрический сигнал будет подаваться на электроды, которые размещены относительно центральных электродов на расстоянии, соответствующем этому индивидуальному положению. В результате этого у человека создаются неправильные ассоциации между положением его головы относительно направления силы тяжести и электрическими сигналами на электродах электротактильного датчика.

Таким образом, задачей, на решение которой направлена разработанная полезная модель, является разработка устройства для корректирования функций вестибулярного аппарата с расширенными возможностями адаптации к индивидуальным особенностям нормального положения в пространстве головы или тела конкретного человека.

Сущность разработанного устройства для корректирования функций вестибулярного аппарата заключается в том, что оно так же, как ближайший аналог, содержит подключенный к контроллеру электротактильный датчик с размещенным на его поверхности множеством электродов и акселерометром.

Новым в разработанном устройстве является то, что в контроллере между выходом блока приема сигналов акселерометра и входом блока передачи электрических сигналов на электротактильный датчик, установлен блок калибровки, при этом вход управления блока калибровки подключен к блоку управления, соединенному с человеко-машинным интерфейсом устройства.

В конкретной реализации полезной модели поверхностью электротактильного датчика, на которой размещено множество электродов, служит поверхность жесткой части многослойной гибко-жесткой печатной платы.

В другой конкретной реализации полезной модели контроллер устройства содержит внутреннее зарядное устройство, выполненное с возможностью заряда как никель-кадмиевых, так и никель-металлогидридных аккумуляторных батарей.

Решение поставленной задачи повышения возможностей адаптации устройства достигается за счет введения блока калибровки в контроллер устройства. Таким образом, техническим результатом является исключение из процедуры корректирования функций вестибулярного аппарата влияния индивидуальных особенностей положения в пространстве головы или тела человека, что ведёт, в конечном итоге, к повышению качества и сокращению времени процедур. Использование многослойной гибко-жесткой печатной платы, поверхность жесткой части которой и является поверхностью электротактильного датчика, на которой размещено множество электродов, увеличивает технологичность и ремонтопригодность разработанной полезной модели. Наряду с этим, использование в контролере устройства внутреннего зарядного устройства расширяет функциональные возможности устройства, и обеспечивает дополнительную энергонезависимость устройства в различных условиях использования.

На фиг. 1 показана структурная схема разработанного устройства в соответствии с п. 1 формулы полезной модели.

На фиг. 2 приведен общий вид электротактильного датчика в соответствии с п. 2 формулы полезной модели.

На фиг. 3 показан общий вид электротактильного датчика в разрезе согласно п. 2 формулы полезной модели.

На фиг. 4 изображены возможные положения головы человека в пространстве по отношению к направлению силы тяжести и соответствующие им электроды на множестве электродов электротактильного датчика.

На фиг. 5 показаны возможные положения головы человека в пространстве по отношению к направлению силы тяжести и соответствующие им электроды на множестве электродов электротактильного датчика при калибровке устройства.

Устройство для корректирования функций вестибулярного аппарата по фиг. 1 содержит контроллер 1 устройства, к которому через разъем 2 питания подключено внешнее зарядное устройство 3, которое в свою очередь подключено к бытовой сети электропитания посредством сетевой вилки 4. К контроллеру 1 подключен электротактильный датчик 5.

Контроллер 1 состоит из следующих блоков: внутреннего зарядного устройства (ВЗУ) 11, аккумуляторных батарей (АБ) 12, преобразователя человеко-машинного интерфейса (ПЧМИ) 13, преобразователя выходных каскадов (ПВК) 14, преобразователя микропроцессора (ПМП) 15, микропроцессора (МП) 16, человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) 17, выходных каскадов формирования электрических сигналов (ВК) 18.

В состав МП 16 входят блок приема сигналов акселерометра (БПА) 21, блок калибровки (БК) 22, блок передачи электрических сигналов (БПС) 23, блок управления (БУ) 24.

В состав датчика 5 входят акселерометр 34 и множество 35 электродов 36.

Датчик 5 по фиг. 2 представляет собой множество 35 электродов 36, в количестве 100 штук, расположенных на жёсткой части 42, которая соединена с гибкой частью 43.

Конструкция датчика 5 по фиг. 3 включает в себя электроды 36, жёсткую основу 51, гибкие слои 52, внутренние проводящие слои 53, сквозные металлизированные переходные отверстия 54, воздушную прослойку 55 между слоями 52, защитную маску 56, 57, корпус 58 датчика 5.

Датчик 5 представляет собой многослойную гибко-жесткую печатную плату, которая изготовлена по стандартной промышленной технологии (подобные изделия изготавливает, например, фирмы ООО «Резонит», http://rezonit.ru/hightech/flex-rigid/index.php). На поверхности части 42 расположено множество 35 электродов 36, каждый электрод 36 состоит из круглой медной площадки, покрытой иммерсионным золотом, с отверстием 54 в центре, посредством которого каждый электрод 36 подключен к слоям 53. Основа 51 изготовлена из стеклотекстолита, слои 52 изготовлены на основе полиимида. Для увеличения надежности и долговечности части 43 датчика 5 между слоями 52 расположена прослойка 55. На стороне датчика 5, противоположной поверхности, на которой расположено множество 35 электродов 36, присутствует акселерометр 34 (например, LIS302 производства фирмы STMicroelectronics, N.V., http://www.st.com/web/en/home.html), который, как и электроды 36, подключен к слоям 53.

Каждый электрод 36 датчика 5, а также сигнальные выводы акселерометра 34 подключены к контроллеру 1 посредством медных проводников, расположенных на слоях 53.

Сигнальные выводы акселерометра 34 подключены к входу БПА 21, который накапливает данные о положении акселерометра 34 в пространстве. Далее эти данные поступают на вход БК 22, который на основе данной информации формирует адрес электрода на датчике 5, на который необходимо в данный момент времени подать электрический сигнал (текущий электрод). Этот адрес поступает на вход БПС 23, который передает данную информацию на вход ВК 18 (например, ADG408 производства фирмы Analog Devices, Inc., http://www.analog.com/ru/index.html). Затем ВК 18 формирует электрический сигнал прямоугольной формы на текущем электроде датчика 5. БУ 24 обеспечивает контроль над БПА 21, БК 22, БПС 23.

На фиг. 4 изображены возможные положения головы человека в пространстве по отношению к направлению силы тяжести и соответствующие им электроды на множестве 35.

Датчик 5 располагают в ротовой полости человека, таким образом, чтобы часть 42 с множеством 35 электродов 36 располагалась на спинке языка. С помощью акселерометра 34 датчика 5 определяется текущее положение головы человека в пространстве по отношению к направлению силы тяжести. При движении головы человека во фронтальной плоскости (положения I и III), электрический сигнал подается на электроды 36, которые расположены в точках I и III на множестве 35 датчика 5 соответственно. Аналогично, при движении головы человека в сагиттальной плоскости (положения IV и V), электрический сигнал подается на электроды 36, которые расположены в точках IV и V на множестве 35 датчика 5 соответственно. Электрический сигнал подается на электроды 36, расположенные в центре (положение II) множества 35 датчика 5 в случае, когда голова человека не наклонена ни во фронтальной, ни в сагиттальной плоскости. Это положение головы человека в пространстве рассматривается как нормальное. При произвольных движениях головы электрический сигнал подается на электроды 36 датчика 5 в соответствии с текущим положением головы человека во фронтальной и сагиттальной плоскости. Таким образом, у человека возникают устойчивые ассоциации между положением в пространстве головы или тела и точкой приложения электрического сигнала на множестве 35 электродов 36 датчика 5.

На фиг. 5 показаны возможные положения головы человека в пространстве по отношению к направлению силы тяжести и соответствующие им электроды на множестве 35 электродов 36 датчика 5 при калибровке устройства, в частном случае при движении головы человека в сагиттальной плоскости. Если нормальное положение головы человека не отличается от положения А, электрический сигнал подается на электроды, расположенные в центре множества 35 электродов 36, при этом поверхность датчика 5 используется максимально эффективно, калибровка устройства не требуется. В случае если нормальное положение головы человека не соответствует положению A (например, принимает положения B и C), электрический сигнал будет подаваться на электроды 36, сдвинутые относительно центра множества 35 на величину, пропорциональную отклонению головы человека от положения A (см. фиг. 5, не калиброванные положения B и C), что создаст у человека неправильные ассоциации между положением его головы относительно направления силы тяжести и электрическими сигналами на электродах 36 датчика 5. После проведения калибровки устройства, электрический сигнал будет подаваться на электроды 36, расположенные в центре множества 35 (см. фиг. 5, калиброванные положения B и C). После этого множество 35 электродов 36 датчика 5 будет использоваться с той же эффективностью, как и в случае A. С помощью БК 22 можно калибровать устройство при изменении нормального положения головы человека и в других плоскостях.

БУ 24, БПА 21, БК 22, БПС 23 реализованы на основе МП 16 (например, STM32F103 производства компании STMicroelectronics, N.V., http://www.st.com/web/en/home.html), питание МП 16 обеспечивает ПМП 15, который преобразует напряжение на выходе АБ 12 до величины 3,3 В (например, на основе MAX1771 производства компании Maxim Integrated, Inc., http://wrww.maximintegrated.com/en.html).

Управление устройством обеспечивает ЧМИ 17, в состав которого входят светодиодные индикаторы (например, серии L-113 производства компании Kingbright Electronic Со, Ltd, http://www.kingbright.com), кнопка питания (например, 1273SHIM-160G-G производства компании Switronic Industrial, Corp., http://www.switronic.com), энкодер (например, PEC11S производства компании Bourns, Inc., http://www.bourns.com). Введенная человеком информация с ЧМИ 17 обрабатывается БУ 24 МП 16. Питание ЧМИ 17 обеспечивает ПЧМИ 13, который преобразует напряжение на выходе АБ 12 до величины 5,0 В (например, на основе МАХ 1771 производства компании Maxim Integrated, Inc., http://www.maximintegrated.com/en.html).

ПВК 14 (например, на основе MAX1771 производства компании Maxim Integrated, Inc., http://www.maximintegrated.com/en.html) обеспечивает питание ВК 18.

АБ 12 обеспечивает питание устройства, и состоит из четырех последовательно соединенных аккумуляторных батарей (например, GP180AAHC производства компании GP Batteries, International Limited, http://www. http://gpbatteries.com/INT/index.php) и датчика температуры (например, B57861S производства компании Epcos, TDK Corp., http://www.epcos.com), сигнал от которого обрабатывает БУ 24.

С помощью ВЗУ 11 (например, на основе МАХ1640 производства компании Maxim Integrated, Inc., http://www.maximintegrated.com/en.html) обеспечивается зарядка АБ 12. Управление функциями ВЗУ 11 обеспечивает БУ 24.

ВЗУ 11 питается от зарядного устройства 3 (например, VEP24US09 производства компании ХР Power, Limited, http://www.xppower.com), который подключен через разъем 2.

Устройство работает следующим образом. После включения устройства с помощью ЧМИ 17, МП 16 проверяет устройство на наличие аварийных состояний, если таковые не обнаружены, обеспечивает перевод устройства в рабочий режим и сигнализирует человеку о готовности к работе с помощью ЧМИ 17. Посредством ЧМИ 17 человек производит калибровку устройства, после чего устройство переводится в режим проведения процедуры.

При проведении калибровки устройства датчик 5 располагают в ротовой полости человека, при этом поверхность с множеством 35 электродов 36 лежит на спинке языка. Человек устанавливает такое положение своей головы в пространстве, которое считает для себя нормальным (это делает врач, если человек не может сам установить нормальное положение головы в пространстве). После чего человек с помощью ЧМИ 17 дает устройству команду на проведение калибровки.

По окончании процесса калибровки устройства, человек с помощью ЧМИ 17 переключает контроллер 1 на проведение процедуры. Контроллер 1 начинает генерировать электрические сигналы на множестве 35 электродов 36 в соответствии с положением головы человека по отношению к направлению силы тяжести. При этом положение датчика 5 в ротовой полости человека должно быть таким же, как при проведении калибровки устройства.

При проведении зарядки АБ 12, отключают датчик 5 от контроллера 1, подключают выход зарядного устройства 3 к разъему 2, подключают вход зарядного устройства 3 к бытовой сети электропитания посредством вилки 4. После этого устройство автоматически переходит в режим зарядки АБ 12. По окончании процесса зарядки устройство выдает сигнал об этом с помощью ЧМИ 17.

1. Устройство для корректирования функций вестибулярного аппарата, содержащее подключенный к контроллеру электротактильный датчик с размещенным на его поверхности множеством электродов и акселерометром, отличающееся тем, что в контроллере между выходом блока приема сигналов акселерометра и входом блока передачи электрических сигналов на электротактильный датчик установлен блок калибровки, при этом вход управления блока калибровки подключен к блоку управления, соединенному с человеко-машинным интерфейсом устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поверхностью электротактильного датчика, на которой размещено множество электродов, служит поверхность жесткой части многослойной гибко-жесткой печатной платы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контроллер устройства содержит внутреннее зарядное устройство, выполненное с возможностью заряда как никель-кадмиевых, так и никель-металлогидридных аккумуляторных батарей.