RU2079285C1

RU2079285C1 - Device for indication of skin electrical activity

Info

Publication number: RU2079285C1
Application number: RU9393043492A
Authority: RU
Inventors: В.И. Кичкин
Original assignee: Научно-исследовательский центр электронных диагностических систем "Элдис" РАН
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1997-05-20

Abstract

FIELD: medical engineering; estimation of man functional state. SUBSTANCE: the device uses an element of dielectric material, three electrodes connected to a bridge ensuring circuit comprising two resistors cut in the Whetstone bridge arms, unbalance meter and a power source connected across the measuring diagonally opposed pair of junctions and across the power diagonally opposed pair of junctions respectively. The calibrating circuit uses three resistors, one lead of each resistor is connected to the third electrode; two of these resistors are connected to the vertices of the power diagonally opposed pair of junctions via twinned switches. The third resistor is connected in parallel with the second one via a normally-open button. The unbalance meter is a DC differential amplifier, and the first and second electrodes are connected to the vertices of the power diagonally opposed pair of junctions and shunted by a circuit consisting of series-connected first resistor, variable resistor and second resistor. The midpoint of the variable resistor serves as one of the vertices of the measuring diagonally opposed pair of junctions and is connected to the inverting input of the DC differential amplifier; connected to the other vertex of which are the third electrode and the non-inverting input of the differential amplifier; the electrodes are fixed to the dielectric element in such a way that the first and second electrodes are installed symmetrically relative to the third electrode. The dielectric element is made in the form of a plate, and the electrodes are installed in line on its one side. The dielectric element may be made in the form of a cylinder, and the electrodes are made in the form of rings placed coaxially on its element. Besides, the dielectric element may be made in the form of a spring- loaded clip, the electrodes are placed on its inner surface so that the first and second ones are positioned on the same surface, and the third electrode - on the opposite part of the surface. EFFECT: enhanced effectiveness. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в практике прикладного и экспериментального психофизиологического обследования для оценки функционального состояния человека. The invention relates to medicine and can be used in the practice of applied and experimental psychophysiological examination to assess the functional state of a person.

Известно, что электрическая активность кожи (ЭАК), проявляющаяся в величине и характере электродермальных реакций (ЭДР), отражает процессы, происходящие в мозгу человека, являясь чувствительным индикатором его эмоционального состояния. It is known that the electrical activity of the skin (EAA), manifested in the magnitude and nature of electrodermal reactions (EDR), reflects the processes occurring in the human brain, being a sensitive indicator of his emotional state.

Типовое обследование психосоматического статуса конкретного человека включает в себя регистрацию комплекса физиологических показателей, в том числе ЭАК, в ответ на влияние эмоциональных воздействий. На уровне фона (тоническая активность характеризуется квазипостоянным уровнем выходного электрического сигнала) появляется электрический импульс, параметры которого амплитуда, длительность, форма, описывают собственно фазическую составляющую ЭАК. A typical examination of the psychosomatic status of a specific person includes the registration of a set of physiological indicators, including EAA, in response to the influence of emotional influences. At the background level (tonic activity is characterized by a quasi-constant level of the output electric signal), an electric pulse appears whose parameters, amplitude, duration, shape, describe the phase component of the EAA itself.

Классическим устройством для регистрации указанного процесса является устройство (А. А. Алдерсонс, Механизмы электродермальных реакций. Рига, "ЗИНАТНЕ", 1985, с. 56 63) [1] содержащее генератор стабильного тока (или напряжения), подключенный через токоограничительный резистор к двум электродам активному и пассивному. При этом сигнал ЭДР снимают либо с дополнительного резистора (измерение проводимости), либо непосредственно с электродов (измерение сопротивления) на подключенный параллельно указанным элементам регистратор. A classic device for recording this process is a device (A. A. Aldersons, Electrodermal Reaction Mechanisms. Riga, ZINATNE, 1985, p. 56 63) [1] containing a stable current (or voltage) generator connected via two current limiting resistors to two electrodes active and passive. In this case, the EDR signal is removed either from an additional resistor (conductivity measurement) or directly from the electrodes (resistance measurement) to a recorder connected in parallel to these elements.

Недостатком устройства [1] является необходимость при измерении перекрытия огромного диапазона изменения проводимости кожи даже в пределах условной нормы (сопротивление изменяется от 10 до 500 Ком), что является крайне сложным. При патологических состояниях диапазон изменений сопротивления может быть еще выше от сотен ом до единиц Мом. Техническая реализация такого измерительного устройства требует введения ряда сложных регулировок, наличия схем компенсации, разделительных ВЧ и НЧ фильтров, схем АРУ и т.д. подобно тому, как это имеет место в изобретении по авт. свид. СССР N1725829 [2] Неизбежны искажения длительности, амплитуды, формы натурной фазной ЭАК, т.е. возможна потеря важнейшей физиологической информации. The disadvantage of the device [1] is the need for measuring the overlap of a huge range of changes in the conductivity of the skin even within the conditional norm (resistance varies from 10 to 500 Kom), which is extremely difficult. In pathological conditions, the range of resistance changes can be even higher from hundreds of ohms to units of megohms. The technical implementation of such a measuring device requires the introduction of a number of complex adjustments, the presence of compensation circuits, high-pass and low-pass filters, AGC circuits, etc. just as it takes place in the invention by ed. testimonial. USSR N1725829 [2] Inevitable distortion of the duration, amplitude, shape of a full-scale phase EAA, ie possible loss of vital physiological information.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для регистрации ЭАК, включающее в себя чувствительный элемент с тремя электродами, подключенными к мостовой схеме измерения, первый и второй резисторы, включенные в ее плечах, выходной блок для регистрации разбаланса моста, по величине которого судят о возможной патологии (Международная заявка РСТ (WO) N91/09566, A 61 5/05, 1991) [3]
Однако устройство прототип предназначено для измерения и сравнения уровней сопротивления двух зондируемых участков поверхности кожи по принципу "больше-равно-меньше" и не может быть использовано для измерения быстрых переходных процессов, а именно, фазической составляющей ЭДР.The closest in technical essence and the achieved result is a device for recording the EAA, which includes a sensitive element with three electrodes connected to the bridge measurement circuit, the first and second resistors included in its shoulders, the output unit for detecting the unbalance of the bridge, the value of which is judged on possible pathology (PCT International Application (WO) N91 / 09566, A 61 5/05, 1991) [3]
However, the prototype device is designed to measure and compare the resistance levels of two probed areas of the skin surface according to the principle of "more-equal-less" and cannot be used to measure fast transients, namely, the phase component of the EDR.

Техническим результатом изобретения является возможность обеспечения регистрации и измерения натурной фазической составляющей ЭДР в широком диапазоне фоновых и текущих значений уровня сопротивления и колебаний спонтанной активности сопротивления кожи конкретного индивидуума. The technical result of the invention is the ability to record and measure the natural phase component of the EDR in a wide range of background and current values of the level of resistance and fluctuations in the spontaneous activity of the skin resistance of a particular individual.

Технический результат обеспечивается вследствие того, что устройство для регистрации электрической активности кожи содержит три электрода, подключенных к мостовой схеме измерений, включающей два резистора, включенные в плечи моста, измеритель разбаланса и источник питания, включенные, соответственно, в измерительной диагонали к диагонали питания. В устройство введена схема калибровки, содержащая три резистора, каждый из которых одним выводом соединен с третьим электродом, причем два из этих резисторов через спаренные переключатели подключены к вершинам диагонали питания. Третий подключен параллельно второму через нормально разомкнутую кнопку. Измеритель разбаланса выполнен в виде дифференциального усилителя постоянного тока, а первый и второй электроды подключены к вершинам диагонали питания и зашунтированы цепью, состоящей из последовательно соединенных первого резистора, переменного резистора и второго резистора. Средняя точка переменного резистора является одной из вершин измерительной диагонали и подключена к инвертирующему входу дифференциального усилителя постоянного тока, к другой вершине которой подключены третий электрод и неинвертирующий вход дифференциального усилителя, при этом электроды установлены на диэлектрическом элементе неподвижно относительно друг друга так, что первый и второй электроды установлены симметрично относительно третьего электрода. The technical result is achieved due to the fact that the device for recording the electrical activity of the skin contains three electrodes connected to a bridge measurement circuit, including two resistors included in the shoulders of the bridge, an unbalance meter and a power source included, respectively, in the measuring diagonal to the power diagonal. A calibration circuit containing three resistors is introduced into the device, each of which is connected to the third electrode by one output, and two of these resistors are connected to the vertices of the power supply via paired switches. The third is connected in parallel with the second through a normally open button. The unbalance meter is made in the form of a differential DC amplifier, and the first and second electrodes are connected to the vertices of the power diagonal and are bridged by a circuit consisting of a series resistor and a second resistor connected in series. The midpoint of the variable resistor is one of the vertices of the measuring diagonal and is connected to the inverting input of the differential DC amplifier, the other top of which is connected to the third electrode and the non-inverting input of the differential amplifier, while the electrodes are mounted on the dielectric element motionless relative to each other so that the first and second the electrodes are mounted symmetrically with respect to the third electrode.

Изобретение характеризуется также тем, что диэлектрический ческий элемент выполнен в форме пластины, а электроды установлены в ряд на одной ее стороне. Диэлектрический элемент может быть выполнен в форме цилиндра, а электроды выполнены в форме колей, размещенных аксиально на его образующей. Кроме того, диэлектрический элемент может быть выполнен в виде подпружиненного клипс-зажима, электроды размещены на его внутренней поверхности так, что первый и второй находятся на одной поверхности, а третий на противолежащей части поверхности. The invention is also characterized in that the dielectric element is made in the form of a plate, and the electrodes are mounted in a row on one side thereof. The dielectric element can be made in the form of a cylinder, and the electrodes are made in the form of ruts placed axially on its generatrix. In addition, the dielectric element can be made in the form of a spring-loaded clip-on clip, the electrodes are placed on its inner surface so that the first and second are on the same surface, and the third on the opposite part of the surface.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена электрическая схема устройства, на фиг.2, 3, 4 варианты выполнения датчика, на фиг. 5 запись натурной ЭДР с помощью предлагаемого устройства. The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows an electrical diagram of the device, in Fig.2, 3, 4 embodiments of the sensor, in Fig. 5 record full-scale EDR using the proposed device.

Устройство содержит электродный датчик, состоящий из элемента 1 из диэлектрического материала и расположенных на нем трех электродов 2, 3, 4, которые с помощью гибких проводников в экранированной оболочке подключены к схеме измерений. Она представляет собой мост Уитстона, питаемый от источника 5 питания (виде источника постоянного тока) через токоограничительный резистор 6. При этом электроды 2 и 4 подключены соответственно к вершинам C и D диагонали питания, а электрод 3 подключен к вершине A измерительной диагонали указанного моста. К вершине C подключен положительный полюс источника постоянного тока. The device comprises an electrode sensor consisting of an element 1 of a dielectric material and three electrodes 2, 3, 4 located on it, which are connected to the measurement circuit using flexible conductors in a shielded sheath. It is a Wheatstone bridge, powered from a power supply 5 (as a direct current source) through a current-limiting resistor 6. In this case, the electrodes 2 and 4 are connected respectively to the vertices C and D of the power diagonal, and the electrode 3 is connected to the vertex A of the measuring diagonal of this bridge. To the vertex C is connected the positive pole of the DC source.

Сопротивления участков 7 и 8 поверхности кожи биообъекта 9 между электродами 2 и 4, выполняющими функции токовых, и измерительным электродом 3 образуют плечи измерительного моста. The resistance of sections 7 and 8 of the skin surface of the biological object 9 between the electrodes 2 and 4, which perform the functions of the current, and the measuring electrode 3 form the shoulders of the measuring bridge.

Противолежащие плечи указанного моста образованы резисторами 10 и 11 одинакового номинала, одни выводы которых подключены к вершинам C и D диагонали питания, а другие выводы к выводам переменного резистора 12, включенного между ними. При этом средняя точка (ползунок) переменного резистора 12 подключена к вершине B измерительной диагонали моста. The opposite shoulders of the specified bridge are formed by resistors 10 and 11 of the same nominal value, some of the conclusions of which are connected to the vertices C and D of the power diagonal, and the other conclusions to the conclusions of the variable resistor 12 connected between them. In this case, the midpoint (slider) of the variable resistor 12 is connected to the vertex B of the measuring diagonal of the bridge.

Цепь калибровки включает в себя образцовые резисторы 13 и 14, калибровочный резистор 15, спаренные переключатели 16 и 17 и кнопку 18 с замыкающим контактом. Замыкающие контакты спаренных переключателей 16 и 17 подключены к вершинам C и D диагонали питания. Одни выводы резисторов 13, 14, 15 соединены друг с другом и электродом 3, являясь вершиной A измерительной диагонали. Другие выводы резисторов 13 и 14 подключены к контактам спаренных переключателей 16 и 17. Калибровочный резистор 15 вторым своим выводом через кнопку 18 с замыкающим контактом присоединен параллельно резистору 13. The calibration circuit includes reference resistors 13 and 14, a calibration resistor 15, coupled switches 16 and 17, and a button 18 with a make contact. The closing contacts of the paired switches 16 and 17 are connected to the vertices C and D of the power diagonal. Some conclusions of the resistors 13, 14, 15 are connected to each other and to the electrode 3, being the vertex A of the measuring diagonal. The other terminals of the resistors 13 and 14 are connected to the contacts of the paired switches 16 and 17. The calibration resistor 15 is connected in parallel with the resistor 13 through its button 18 with a make contact.

В качестве измерителя разбаланса моста использован дифференциальный усилитель 19 постоянного тока. Инвертирующий вход усилителя 19 подключен к ползунку переменного резистора 12 (т.е. к вершине B измерительной диагонали). Неинвертирующий вход усилителя 19 подключен к вершине A измерительной диагонали. Выход усилителя 19 подключен к регистратору 20. В качестве регистратора может быть использован осциллоскоп, самописец, аналого-цифровой преобразователь с соответствующей системой индикации и пр. As a bridge unbalance meter, a differential DC amplifier 19 was used. The inverting input of the amplifier 19 is connected to the slider of the variable resistor 12 (i.e., to the vertex B of the measuring diagonal). The non-inverting input of the amplifier 19 is connected to the top A of the measuring diagonal. The output of the amplifier 19 is connected to the recorder 20. An oscilloscope, a recorder, an analog-to-digital converter with an appropriate display system, etc. can be used as a recorder.

На фиг. 2, 3, 4 показана форма выполнения электродного датчика. Датчик может быть выполнен из диэлектрической пластины с односторонним расположением электродов 2, 3, 4, однако существенным является такое расположение их, когда измерительный электрод 3 расположен симметрично относительно электродов 2 и 4. Два варианта расположения, показанного на фиг.2, это выполнение токовых электродов 2 и 4 равной площади и размещение измерительного электрода 3 между ними в ряд. In FIG. 2, 3, 4 show an embodiment of an electrode sensor. The sensor can be made of a dielectric plate with a one-sided arrangement of electrodes 2, 3, 4, however, such an arrangement of them is important when the measuring electrode 3 is located symmetrically with respect to the electrodes 2 and 4. Two variants of the arrangement shown in Fig. 2 are the embodiment of current electrodes 2 and 4 of equal area and the placement of the measuring electrode 3 between them in a row.

Диэлектрический элемент 1 может быть выполнен в виде цилиндра, а электроды 2, 3, 4 в форме колец, размещенных аксиально на его образующей (см. фиг. 3). При этом условие симметричности, как и для варианта, изображенного на фиг.2, должно соблюдаться. The dielectric element 1 can be made in the form of a cylinder, and the electrodes 2, 3, 4 in the form of rings placed axially on its generatrix (see Fig. 3). In this case, the symmetry condition, as for the variant depicted in figure 2, must be observed.

На фиг. 4 показана форма выполнения электродного датчика в виде подпружиненного клипс-зажима. В этом случае диэлектрический элемент 1 является основанием 21 клипс-зажима и снабжен пружиной 22. Электроды 2 и 4 размещены на внутренней поверхности основания 21, а измерительный электрод 3 на противолежащей пластине 23 с внутренней ее стороны. Пластина 23 может быть выполнена цельнометаллической. Как и для предыдущих вариантов является необходимым условием симметричности электродов, которое в данном варианте проявляется как равенство площадей рабочих поверхностей токовых электродов 2 и 4, а также равенство расстояний между токовыми 2 и 4 и измерительным электродом 3. In FIG. 4 shows an embodiment of an electrode sensor in the form of a spring-loaded clip clip. In this case, the dielectric element 1 is the base 21 of the clip-on clamp and is equipped with a spring 22. The electrodes 2 and 4 are placed on the inner surface of the base 21, and the measuring electrode 3 on the opposite plate 23 from its inner side. The plate 23 can be made all-metal. As for the previous options, it is a necessary condition for the symmetry of the electrodes, which in this embodiment is manifested as the equality of the areas of the working surfaces of the current electrodes 2 and 4, as well as the equality of the distances between the current 2 and 4 and the measuring electrode 3.

Датчик, изображенный на фиг.2, универсального назначения: он прикрепляется к исследуемой поверхности кожи пациента с помощью, например, эластичной ленты или лейкопластыря. Датчик, изображенный на фиг.3, удобно использовать для измерений на ладонной поверхности кожи пациента. В процессе исследований пациент сжимает датчик рукой. The sensor depicted in figure 2, for universal use: it is attached to the studied surface of the patient’s skin using, for example, an elastic tape or adhesive plaster. The sensor depicted in figure 3, it is convenient to use for measurements on the palm surface of the skin of the patient. In the process of research, the patient squeezes the sensor with his hand.

Датчик, изображенный на фиг.4, фиксируется на кисти пациента так, что токовые электроды 2 и 4 имеют контакт с ладонной поверхностью, а измерительный электрод 3 с кожей тыльной поверхности кисти руки пациента. The sensor depicted in FIG. 4 is fixed on the patient’s hand so that the current electrodes 2 and 4 are in contact with the palm surface, and the measuring electrode 3 with the skin of the back surface of the patient’s hand.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

После наложения на пациента электродного датчика, спаренные переключатели 16 и 17 переводят в режим "калибровка", т.е. правое по схеме положение. After applying an electrode sensor to the patient, the paired switches 16 and 17 are transferred to the "calibration" mode, i.e. right position according to the scheme.

При подключенном питании на клемме 5, переменным резистором 12 балансируют мост таким образом, чтобы напряжение между вершинами A и B измерительной диагонали, а следовательно и на выходе дифференциального усилителя 19, равнялось нулю. Периодически замыкая кнопку 18, подключают калибровочной резистор 15, добиваясь формирования сигнала разбаланса заданной величины. Регулировкой коэффициента усиления усилителя 19 устанавливают величину сигнала таким образом, чтобы обеспечить устойчивую регистрацию калибровочного сигнала на регистраторе 20, исходя из чувствительности последнего. When the power is connected to terminal 5, the bridge is balanced by a variable resistor 12 so that the voltage between the vertices A and B of the measuring diagonal, and therefore the output of the differential amplifier 19, is zero. Periodically closing the button 18, connect the calibration resistor 15, achieving the formation of an unbalance signal of a given value. By adjusting the gain of the amplifier 19, the signal value is set in such a way as to ensure stable registration of the calibration signal on the recorder 20, based on the sensitivity of the latter.

Далее, спаренные переключатели 16, 17 переводят в левое положение "работа". Если после подключения электродов датчика происходит резкий разбаланс моста вследствие незавершившихся переходных процессов, обусловленных поляризационным и электрохимическим явлениями "поверхность кожи электроды", то производят дополнительную балансировку. С помощью переменного резистора 12 добиваются на выходе регистратора низкоамплитудного сигнала с периодом флуктуаций 1 5 сек. Этот уровень характеризует спонтанную активность кожи. Next, the paired switches 16, 17 translate into the left position "work". If after connecting the sensor electrodes there is a sharp imbalance of the bridge due to incomplete transients caused by polarization and electrochemical phenomena "skin surface electrodes", then additional balancing is performed. Using a variable resistor 12, a low-amplitude signal with a fluctuation period of 1 5 sec is achieved at the output of the recorder. This level characterizes the spontaneous activity of the skin.

После указанных операций осуществляют собственно регистрацию фазической составляющей ЭДР в ответ на воздействие эмоционально значимого стимула. Сама методика не отличается от известных (см. например, (2)). After these operations, the phase component of the EDR is actually recorded in response to the effect of an emotionally significant stimulus. The technique itself does not differ from the known ones (see, for example, (2)).

Пример реализации. На фиг.5 показана натурная запись ЭДР с помощью заявленного изобретения у пациентов с различным уровнем сопротивления кожи (кривые а, б). Кривая "а" снята у пациента с сопротивлением кожи ладони 600 кОм, кривая "б" 50 кОм. При измерении использовались электроды в виде клипс-зажима (фиг.4), который укреплялся на левой кисти пациента. Скорость лентопротяжки самописца составляла 0,75 мм/сек. Калибровочный сигнал, обозначенный поз. 24, равен по величине 10 кОм. Различная амплитуда сигнала калибровки на кривых "а" и "б" обусловлена различным уровнем коэффициента усиления усилителя. Позицией 25 обозначен сигнал, связанный с переключением спаренного переключателя 16, 17 из режима "калибровка" в режим "работа". Далее, позицией 26 обозначен участок записи, характеризующий спонтанную активность. На ее фоне проявляются сигналы (поз.27) фазической составляющей, вызванной максимально глубокими вдохами и выдохами пациента, т.е. активацией симпатотонической активности. Implementation example. Figure 5 shows the full-scale recording of EDR using the claimed invention in patients with different levels of skin resistance (curves a, b). Curve "a" was taken from a patient with a palm skin resistance of 600 kOhm, curve "b" was 50 kOhm. When measuring, electrodes were used in the form of a clip-clamp (Fig. 4), which was fixed on the patient’s left hand. The speed of the tape recorder was 0.75 mm / sec. Calibration signal indicated by pos. 24 is equal in magnitude to 10 kΩ. The different amplitude of the calibration signal on the curves “a” and “b” is due to different levels of amplifier gain. 25 denotes a signal associated with the switching of the paired switch 16, 17 from the calibration mode to the operation mode. Further, 26 denotes a recording region characterizing spontaneous activity. Against its background, signals (pos. 27) of the phase component appear, caused by the deepest inhalations and exhalations of the patient, i.e. activation of sympathotonic activity.

Из приведенных кривых видно, что несмотря на существенную разницу сопротивления кожи пациентов, устройство обеспечивает высокую воспроизводимость результатов для различных испытуемых. Кроме того, устройство обладает высокой чувствительностью даже к относительно слабому воздействию, как дыхательная проба. From the above curves it is seen that despite the significant difference in the resistance of the skin of patients, the device provides high reproducibility of the results for various subjects. In addition, the device is highly sensitive even to a relatively weak effect, such as a breath test.

Claims

1. A device for recording electrical activity of the skin, containing three electrodes connected to a bridge measurement circuit, including two resistors included in the shoulders of the bridge, an unbalance meter and a power source included, respectively, in the measuring diagonal of the power supply, characterized in that the circuit is inserted into it calibration, containing three resistors, each of which is connected to the third electrode by one output, and two of these resistors are connected to the vertices of the power diagonal via paired switches, and the third of they are connected in parallel to the second of them through a normally open button, in addition, the unbalance meter is made in the form of a differential DC amplifier, and the first and second electrodes are connected to the vertices of the power diagonal and are bridged by a circuit consisting of a first resistor, a variable resistor, and a second resistor connected in series , the midpoint of the variable resistor is one of the vertices of the measuring diagonal and is connected to the inverting input of the differential DC amplifier, to the other apex of which the third electrode and the non-inverting input of the differential amplifier are connected, while the electrodes are mounted on the dielectric element motionless relative to each other so that the first and second electrodes are mounted symmetrically with respect to the third electrode.

2. The device according to claim 1, characterized in that the dielectric element is made in the form of a plate, and the electrodes are mounted in a row on one side thereof.

3. The device according to p. 1, characterized in that the dielectric element is made in the form of a cylinder, and the electrodes are made in the form of rings placed axially on its generatrix.

4. The device according to p. 1, characterized in that the dielectric element is made in the form of a spring-loaded clip-on clip, the electrodes are placed on its inner surface so that the first and second on one part of the surface, and the third on the opposite part of the surface.