RU185025U1

RU185025U1 - ELECTRIC RESISTANCE DEVICE FOR BIOLOGICAL TISSUES

Info

Publication number: RU185025U1
Application number: RU2018120041U
Authority: RU
Inventors: Ярослав Валерьевич Голуб
Original assignee: Ярослав Валерьевич Голуб
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2018-11-19

Abstract

Полезная модель относится к биотехническим средствам, применяемым в психологии, физиологии, спорте и может быть использована для оценки и тренировки психоэмоциональных реакций и оценки состояния биологических тканей.The utility model relates to biotechnological tools used in psychology, physiology, sports and can be used to evaluate and train psycho-emotional reactions and assess the state of biological tissues.

Целью разработки полезной модели является упрощение и удешевление конструкции изделия.The purpose of developing a utility model is to simplify and reduce the cost of product design.

В устройстве регистрации электрического сопротивления биологических тканей применены микроконтроллер с шестью и более цифровыми линиями входов/выходов, измерительными электродами, подключенными ко второй и пятой цифровой линии микроконтроллера, к которым подсоединены конденсатор и ограничивающий разрядный ток резистор, подключенные к соседним цифровым линиям, при этом микроконтроллер имеет возможность попеременного конфигурирования цифровых линий микроконтроллера как «выходов» с подачей логических «0» или «1» и «входов» с определением цифрового состояния «входа», к которому подключен ограничивающий разрядный ток резистор. Для стабилизации подаваемого на измерительные электроды и считываемого на логическом входе напряжения дополнительно применены высокоточные регуляторы напряжения, управляемые дополнительными цифровыми линиями входа/выхода микроконтроллера.In the device for recording the electrical resistance of biological tissues, a microcontroller with six or more digital input / output lines, measuring electrodes connected to the second and fifth digital lines of the microcontroller, to which a capacitor and a discharge current limiting resistor connected to adjacent digital lines are connected, the microcontroller is used has the ability to alternately configure the digital lines of the microcontroller as "outputs" with the supply of logical "0" or "1" and "inputs" with the definition HAND state digital "input" to which is connected a discharge current limiting resistor. To stabilize the voltage supplied to the measuring electrodes and read out at the logic input, high-precision voltage regulators are additionally used, controlled by additional digital input / output lines of the microcontroller.

Description

Полезная модель относится к биотехническим средствам, применяемым в психологии, физиологии, спорте и может быть использована для оценки и тренировки психоэмоциональных реакций, оценки состояния биологических тканей.The utility model relates to biotechnological tools used in psychology, physiology, sports and can be used to evaluate and train psycho-emotional reactions, assess the state of biological tissues.

Электрокожное сопротивление является чувствительным показателем при оценке психоэмоциональных реакций. Электрическое сопротивление тканей позволяет оценить их функциональное состояние. Этим обусловлена необходимость разработки устройств, которые позволяют оценить данный показатель.Electrodermal resistance is a sensitive indicator in assessing psychoemotional reactions. The electrical resistance of tissues allows us to assess their functional state. This necessitates the development of devices that allow to evaluate this indicator.

Из техники известны различные устройства для оценки электрического сопротивления кожи и других тканей с использованием аналогово-цифровых преобразователей высокого разрешения, усилителей, мультиплексоров для переключения диапазонов измерения для обеспечения возможности измерения сопротивления в широком диапазоне значений (Патенты РФ 2173537, 97104551, 99109623, 96112705 и др.).Various devices are known from the technique for assessing the electrical resistance of skin and other tissues using high-resolution analog-to-digital converters, amplifiers, multiplexers for switching measurement ranges to enable measurement of resistance in a wide range of values (RF Patents 2173537, 97104551, 99109623, 96112705, etc. .).

Основными недостатками являются:The main disadvantages are:

1 - относительная дороговизна и сложность схемной реализации;1 - the relative high cost and complexity of the circuit implementation;

2 - применение постоянного измерительного напряжения, что может вызывать эффект поляризации подлежащих тканей, подэлектродные электрохимические процессы, что вносит искажения в процесс регистрации;2 - the use of a constant measuring voltage, which can cause the polarization effect of the underlying tissues, sub-electrode electrochemical processes, which introduces distortions in the registration process;

3 - сложность многоканальной регистрации, за счет «проникновения с канала на канал».3 - the complexity of multi-channel registration, due to "penetration from channel to channel."

Эта задача решается применением микроконтроллера с большим количеством цифровых линий ввода/вывода, что позволяет подавать напряжение различной полярности к измерительным электродам за счет подключения их к двум линиям и попеременного формирования на них логического «0» и «1», что имитирует попеременную подачу «минуса» и «плюса», при этом к соседним линиям ввода/вывода подключены ограничивающие разрядный ток резисторы и конденсаторы, время заряда конденсатора зависит от измеряемого электрического сопротивления тканей, для расчета которого выводится формула по калибровочному графику зависимости известных калибровочных сопротивлений и измеренного времени по таймеру микроконтроллера. Такой подход позволяет измерять электрическое сопротивление биологических тканей в достаточно широком диапазоне (от 10 кОм до 2 мОм), используя дешевое схемотехническое решение. В виде выходного показателя используется измеренное время заряда конденсатора или уже рассчитанное по заложенной программе микроконтроллером сопротивление, этот показатель передается через интерфейс сопряжения (USB, RS232, радиоканал) в персональный компьютер, смартфон и т.п.или отображается на шкале, подключенной к микроконтроллеру. Дополнительное использование высокоточных регуляторов напряжения, управление которыми осуществляется также через цифровые линии входа/выхода позволяет повысить стабильность и точность измерения сопротивления за счет нивелирования возможных флуктуаций напряжений на линиях микроконтроллера, что позволяет как подавать стабильное напряжение, так и определять стабильный уровень логической «1». Попеременная подача напряжения путем варьирования подачей логических «0» и «1» на измерительные электроды (или попеременного включения регуляторов напряжения) позволяет избавиться от возможных эффектов поляризации при прикладывании постоянного измерительного напряжения к электродам. Использование микроконтроллера с большим количеством цифровых линий позволяет проводить многоканальные измерения. Все это существенно повышает эксплуатационные характеристики и расширяет возможности и оперативность применения устройства.This problem is solved by using a microcontroller with a large number of digital input / output lines, which allows you to apply voltage of different polarity to the measuring electrodes by connecting them to two lines and alternately forming a logical “0” and “1” on them, which simulates the alternating supply of “minus” ”And“ plus ”, while resistors and capacitors limiting the discharge current are connected to adjacent input / output lines, the charge time of the capacitor depends on the measured electrical resistance of the tissues, to calculate the The formula is derived from the calibration graph of the known calibration resistances and the measured time using the timer of the microcontroller. This approach allows you to measure the electrical resistance of biological tissues in a fairly wide range (from 10 kOhm to 2 mOhm) using a cheap circuitry solution. In the form of an output indicator, the measured capacitor charge time or the resistance already calculated by the microcontroller program is used, this indicator is transmitted via the interface (USB, RS232, radio channel) to a personal computer, smartphone, etc., or displayed on a scale connected to the microcontroller. The additional use of high-precision voltage regulators, which are also controlled through digital input / output lines, allows to increase the stability and accuracy of resistance measurement by leveling out possible voltage fluctuations on the microcontroller lines, which allows both supplying a stable voltage and determining a stable logical level of “1”. Alternating supply of voltage by varying the supply of logical “0” and “1” to the measuring electrodes (or alternately turning on the voltage regulators) allows you to get rid of the possible effects of polarization when applying a constant measuring voltage to the electrodes. Using a microcontroller with a large number of digital lines allows for multi-channel measurements. All this significantly improves operational characteristics and expands the capabilities and efficiency of the device.

С этой целью в устройстве регистрации электрического сопротивления биологических тканей применены микроконтроллер с не менее, чем шестью цифровыми линиями входов/выходов, конденсаторы, включенные в электрическую цепь между 1 и 2, 5 и 6 цифровыми линиями, резисторы, ограничивающие разрядный ток конденсатора, включенные в электрическую цепь между 2 и 3, 4 и 5 цифровыми линиями, измерительные электроды, подключенные ко 2 и 5 цифровым линиям микроконтроллера. Для стабилизации подаваемого на измерительные электроды и считываемого на логическом входе напряжения дополнительно применены дополнительные высокоточные регуляторы напряжения, включенные в электрические цепи между измерительным электродом и источником входного напряжения и между резистором, ограничивающим разрядный ток конденсатора и дополнительной цифровой линией с возможностью программного включения/выключения через дополнительные цифровые линии.For this purpose, a microcontroller with at least six digital input / output lines, capacitors included in the electric circuit between 1 and 2, 5 and 6 digital lines, and resistors that limit the discharge current of the capacitor included in an electric circuit between 2 and 3, 4 and 5 digital lines, measuring electrodes connected to 2 and 5 digital lines of the microcontroller. To stabilize the voltage supplied to the measuring electrodes and read out at the logic input, additional high-precision voltage regulators are used, included in the electric circuits between the measuring electrode and the input voltage source and between the resistor that limits the discharge current of the capacitor and an additional digital line with the possibility of programmed on / off via additional digital lines.

Техническим результатом, обеспечиваемым наличием приведенной совокупности признаков у предлагаемой полезной модели, является простота и удешевление конструкции, что расширяет области использования методик оценки электрического сопротивления биологических тканей.The technical result provided by the presence of the given set of features of the proposed utility model is the simplicity and cheapening of the design, which expands the use of methods for assessing the electrical resistance of biological tissues.

Конструкция устройства регистрации электрического сопротивления биологических тканей поясняется фиг. 1-2.The design of the device for recording electrical resistance of biological tissues is illustrated in FIG. 1-2.

Устройство регистрации электрического сопротивления биологических тканей (фиг. 1-2) содержит микроконтроллер 1 с цифровыми линиями входа/выхода, условно обозначенными как «пин 1-9»; измерительные электроды 4, подключенные к «пинам 2 и 5»; ограничивающие разрядный ток конденсаторов резисторы 3 (например, номиналом 360±100 Ом) и конденсаторы 2 (например, номиналом 0,1±0,02 мкФ), подключенные к соседним «пинам»: «1-2», «2-3» и «4-5», «5-6»; интерфейс для передачи данных 5 от микроконтроллера 1 к персональному компьютеру или смартфону и т.п.Дополнительно могут быть применены высокоточные регуляторы напряжения (например, ADP3303) 6 и 7 для подачи измерительного напряжения - 6 и фиксации достигнутого порогового значения напряжения - 7 (на фиг. 2. схематично показано подключение для формирования одного полуцикла измерения с одной полярностью, второй полуцикл измерения с обратной полярностью формируется при аналогичном подключении дополнительных регуляторов напряжения для подачи на электроды напряжения обратной полярности и считывания показаний при определении времени заряда конденсатора).The device for recording the electrical resistance of biological tissues (Fig. 1-2) contains a microcontroller 1 with digital input / output lines, conventionally designated as "pin 1-9"; measuring electrodes 4 connected to “pins 2 and 5”; resistors 3 limiting the discharge current of capacitors (for example, with a nominal value of 360 ± 100 Ohms) and capacitors 2 (for example, with a nominal value of 0.1 ± 0.02 μF) connected to adjacent “pins”: “1-2”, “2-3” and “4-5”, “5-6”; an interface for transmitting data 5 from the microcontroller 1 to a personal computer or smartphone, etc. In addition, high-precision voltage regulators (for example, ADP3303) 6 and 7 can be applied to supply a measuring voltage of 6 and fixing the reached threshold voltage value of 7 (in FIG. 2. The connection diagram for the formation of one measurement half-cycle with one polarity is shown schematically, the second measurement half-cycle with reverse polarity is formed with the same connection of additional voltage regulators for supplying Electrode voltages of opposite polarity and readout in determining the charging time of the capacitor).

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

Устройство работает следующим образом. Накладываются измерительные электроды 4 на участки тела (обычно на дистальные фаланги указательного и среднего пальца ведущей руки).The device operates as follows. The measuring electrodes 4 are superimposed on parts of the body (usually on the distal phalanges of the index and middle fingers of the leading arm).

Измерение сопротивления ведется при попеременном прикладывании напряжения различной полярности.Resistance is measured by alternately applying voltage of different polarity.

Сначала «пины» 4, 6 и 2 микроконтроллера 1 переводятся в режим «входа» как не участвующие в данном полуцикле измерения.First, the “pins” 4, 6, and 2 of the microcontroller 1 are transferred to the “input” mode as measurements not taking part in this half-cycle.

«Пины» 1, 5 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0». Далее следует временная задержка длительностью 2-3 мсек для разрядки конденсатора 2 за счет соединения его с логическим «0»."Pins" 1, 5 and 3 are transferred to the "exit" mode and a logical "0" is supplied to them. This is followed by a time delay of 2–3 ms for discharging capacitor 2 by connecting it to a logical “0”.

«Пин» 3 переводится в режим «входа» и одновременно на «пин» 5 подается логическая «1» (прикладывается напряжение к измерительным электродам).“Pin” 3 is transferred to the “input” mode and at the same time a “1” is applied to the “pin” 5 (voltage is applied to the measuring electrodes).

Далее запускается таймер и определяется время изменения состояния «пина» 2 с логического «0» на логическую «1» при прохождении тока через резистор 3.Next, the timer starts and the time for changing the state of “pin” 2 from logical “0” to logical “1” is determined when the current passes through resistor 3.

Данное время зависит от электрического сопротивления. При этом значение сопротивления рассчитывается по заранее выведенной формуле, полученной при изучении зависимости при измерении калибровочных сопротивлений.This time depends on the electrical resistance. In this case, the resistance value is calculated according to a previously derived formula obtained by studying the dependence when measuring calibration resistances.

«Пины» 1, 5 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0»."Pins" 1, 5 and 3 are transferred to the "exit" mode and a logical "0" is supplied to them.

Далее следует полуцикл измерения со меной полярности прикладываемого на измерительные электроды напряжения.This is followed by a half-cycle of measurement with a change in polarity of the voltage applied to the measuring electrodes.

«Пины» 1, 3 и 5 переводятся в режим «входа» как не участвующие в данном полуцикле измерения."Pins" 1, 3 and 5 are transferred to the "entry" mode as measurements not taking part in this half-cycle.

«Пины» 4, 6 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0». Далее следует временная задержка длительностью 2-3 мсек для разрядки конденсатора за счет соединения его с логическим «0»."Pins" 4, 6 and 3 are transferred to the "exit" mode and a logical "0" is applied to them. This is followed by a time delay of 2-3 ms for the discharge of the capacitor due to its connection with a logical "0".

«Пин» 4 переводится в режим «входа» и одновременно на «пин» 2 подается логическая «1» (прикладывается напряжение с противоположным знаком к измерительным электродам).“Pin” 4 is transferred to the “input” mode and at the same time a logical “1” is applied to “pin” 2 (voltage is applied with the opposite sign to the measuring electrodes).

Далее запускается таймер и определяется время изменения состояния «пина» 4 с логического «0» на логическую «1».Next, the timer is started and the time for changing the state of “pin” 4 from logical “0” to logical “1” is determined.

Данное время зависит от электрического сопротивления.This time depends on the electrical resistance.

«Пины» 4, 6 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0»."Pins" 4, 6 and 3 are transferred to the "exit" mode and a logical "0" is applied to them.

Далее цикл измерения повторяется со сменой полярности прикладываемого на измерительные электроды напряжения в полуциклах измерения.Further, the measurement cycle is repeated with a change in the polarity of the voltage applied to the measuring electrodes in the measurement half-cycles.

В интервалы времени, заданные алгоритмом производится отправка данных через интерфейс сопряжения 5 на персональный компьютер или мобильное устройство (смартфон).At time intervals specified by the algorithm, data is sent via the interface 5 to a personal computer or mobile device (smartphone).

Для повышения точности измерения напряжение к измерительным электродам подается через управляемые от дополнительных цифровых «пинов» высокоточные регуляторы напряжения 6. Аналогично происходит оценка достижения логической «1» на цифровом «пине» путем применения управляемых от дополнительных цифровых «пинов» высокоточных регуляторов напряжения 7 с малым перепадом напряжения с фиксированным напряжением выхода, соответствующим напряжению логической «1». При этом на цифровой «7 пин» подается логическая «1» и происходит включение высокоточного регулятора напряжения 6, включается отсчет таймера микроконтроллера 1 и подача напряжения к измерительным электродам 4, одновременно для измерения состояния входа цифрового «4 пина» также производится включение высокоточного регулятора напряжения 7 подачей логической «1» на «8 пин» с малым перепадом напряжения с фиксированным напряжением, соответствующим уровню логической «1», при этом на его вход подается напряжение, снимаемое с заряжаемого конденсатора и в момент превышения минимального входного напряжения на выходе регулятора формируется стабильное напряжение, соответствующее логической «1», что фиксируется на «4 пине» и завершается измерение временного интервала. Следующий полуцикл измерения осуществляется аналогично при зеркальном подключении дополнительных высокоточных регуляторов напряжения к дополнительным «пинам» для смены полярности прикладываемого к измерительным электродам напряжения.To increase the accuracy of the measurement, voltage is supplied to the measuring electrodes through high-precision voltage regulators 6 controlled from additional digital “pins”. A similar assessment is made of achieving a logical “1” on a digital “pin” by applying high-precision voltage regulators 7 controlled by additional digital “pins” with a small voltage drop with a fixed output voltage corresponding to a logical voltage of "1". At the same time, a logical “1” is applied to the digital “7 pin” and the high-precision voltage regulator 6 is turned on, the timer of the microcontroller 1 is turned on and the voltage is applied to the measuring electrodes 4, while the high-precision voltage regulator is also turned on to measure the input status of the digital “4 pin” 7 by feeding logical “1” to “8 pins” with a small voltage drop with a fixed voltage corresponding to the level of logical “1”, while the voltage removed from the rechargeable conden Ator and on exceeding the minimum input voltage at the output regulator is formed by a stable voltage corresponding to a logic "1", that is fixed to "4 Pina" and ends the measurement time interval. The next half-cycle of measurement is carried out similarly when mirroring additional high-precision voltage regulators to additional "pins" to change the polarity of the voltage applied to the measuring electrodes.

Практическое использование устройства подтвердило возможность достижения заявленных характеристик, техническую реализуемость, простоту, надежность и доступность использования.The practical use of the device has confirmed the ability to achieve the claimed characteristics, technical feasibility, simplicity, reliability and availability of use.

Claims

1. The device for recording the electrical resistance of biological tissues, containing a microcontroller with at least six digital input / output lines, capacitors included in the electrical circuit between 1 and 2, 5 and 6 digital lines, resistors that limit the discharge current of the capacitor included in the electrical a circuit between 2 and 3, 4 and 5 digital lines, measuring electrodes connected to 2 and 5 digital lines of the microcontroller.

2. The device according to claim 1, containing additional high-precision voltage regulators included in the electrical circuit between the measuring electrode and the input voltage source and between the resistor limiting the discharge current of the capacitor and additional digital lines with the possibility of programmed on / off via additional digital lines.