RU2528075C2

RU2528075C2 - Способ определения электродермальной активности кожи в режиме реального времени и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2528075C2
Application number: RU2012147333/14A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Варнавский; Юлия Сергеевна Крахмаль
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-09-10
Also published as: RU2012147333A

Abstract

Изобретение относится к области медицины. Устройство определения электродермальной активности кожи в режиме реального времени содержит электроды со средствами их крепления, входное устройство, фильтр, первый и второй блоки определения дисперсии, блок определения математического ожидания, первый и второй блоки определения коэффициентов вариаций, вычитатель, формирователь порогового уровня, компаратор, счетчик. Изобретение позволяет повысить достоверность и точность определения электродермальной активности в режиме реального времени и психоэмоционального состояния на ее основе при снижении требований к аппаратной части и возможности выделения относительно медленно меняющихся фазических составляющих 2 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, в частности к способам и устройствам для диагностики состояния живого организма по электрической проводимости кожи, и может быть использовано в экспериментальной и клинической медицине, а также в психофизиологии, педагогике и спортивной медицине.

Известно, что электрическая проводимость кожи живого организма является чувствительным индикатором его физиологического и психического состояния, а параметры отклика проводимости на внешнее воздействие, так называемая кожно-гальваническая реакция (КГР), позволяет оценить психофизиологический статус индивидуума. При исследовании КГР различают показатели тонической и фазической составляющих электродермальной активности. Тоническая активность характеризует собой изменения проводимости кожи, происходящие относительно медленно с периодом нескольких минут и более. Фазическая активность - это процессы, происходящие много быстрее на фоне тонической активности, - их характерные времена единицы секунд. Именно фазическая активность в большей мере и характеризует реакцию организма на внешний раздражитель и в дальнейшем именуется фазической составляющей, или КГР.

Известные способы регистрации КГР предусматривают наложение на кожу испытуемого пары электродов, подключенных к источнику зондирующего тока и регистратору тока в цепи электроды - источник тока. Реакция имеет место, когда потовые железы выпрыскивают секрет и в цепи возникают кратковременные импульсы электрического тока. Такие импульсы генерируются либо спонтанно, либо вследствие стрессового или иного раздражителя.

Известные устройства для регистрации КГР включают источник тока, подключенный к электродам, а также блок регистрации изменения во времени электрического сигнала и его обработки. Обработка сигнала заключается в выделении фазической составляющей на фоне тонической составляющей. Это может обеспечиваться, например, в блоке, использующем мостовую схему и ряд усилителей постоянного тока с индивидуальной установкой нуля. Значение тонической составляющей (далее именуемой тренд) вычисляется аналоговым путем, а затем вычитается из сигнала. На эту величину на графопостроителе сдвигается к нулю базовая линия [1].

Прототипом изобретения является способ регистрации кожно-гальванических реакций, включающий закрепление на теле человека двух электродов, подачу электрического напряжения на них, регистрацию изменения во времени электрического тока, протекающего между электродами и фиксацию импульсов тока в полосе частот фазической составляющей электродермальной активности. Далее анализируют форму каждого импульса в последовательности импульсов в полосе частот фазической составляющей, для чего регистрируют сигнал в виде производной по времени от логарифма численного значения электрического тока, определяют величину тренда, обусловленного изменениями сигнала в полосе частот тонической составляющей электродермальной активности, и корректируют величину первой производной, вычитая из нее величину тренда, регистрируют вторую производную по времени от логарифма численного значения электрического тока, определяют начало импульса упомянутого сигнала по моменту превышения второй производной пороговой величины, а затем определяют соответствие формы импульса установленным критериям и при наличии такого соответствия относят анализируемый импульс к импульсам фазической составляющей, а при отсутствии - относят к артефактам [2].

Недостатки данного способа:

1) качество результата анализа во многом определяется качеством входных цепей, в частности фильтра (что может сказаться на массогабаритных показателях устройства);

2) использование производной в ряде случаев дает близкие к нулю значения при относительно медленных изменениях фазических составляющих, что может исказить результат анализа.

Предлагаемый способ определения электродермальной активности кожи в режиме реального времени позволяет устранить указанные недостатки прототипа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

Закрепляют на теле человека два электрода, подают электрическое напряжение на них, осуществляют регистрацию изменения во времени электрического тока, протекающего между электродами, и фиксацию импульсов тока в полосе частот фазической составляющей электродермальной активности, дискретизируют полученный сигнал. Задают значение n, соответствующее числу отсчетов участка сигнала длительностью 0,25-0,5 с, определяют первую сумму следующих друг за другом n отсчетов, вторую сумму квадратов разностей каждого из следующих друг за другом n отсчетов и среднего значения всех таких n отсчетов, третью сумму квадратов разностей каждого из следующих друг за другом n отсчетов и среднего значения соседних n отсчетов предшествующих каждому отчету. Далее на каждом шаге дискретизации по времени добавляют очередной сформированный отсчет и исключают первый из числа запомненных n отсчетов, вновь определяют первую сумму новой совокупности n отсчетов, вторую сумму квадратов разностей каждого из следующих друг за другом n отсчетов и среднего значения всех таких n отсчетов новой совокупности n отсчетов, третью сумму квадратов разностей каждого из следующих друг за другом n отсчетов и среднего значения соседних n отсчетов, предшествующих каждому отчету, определяют отношение квадратного корня из второй суммы к первой сумме и отношение квадратного корня из третьей суммы к первой сумме и находят разность этих значений. Полученное значение разности сравнивают с пороговым уровнем и считают число превышений порогового уровня, на основании чего делают вывод об уровне электродермальной активности кожи.

Рассмотрим n отсчетов u_k флуктуационного шума. Определим основные статистические характеристики такого сигнала: математическое ожидание M, дисперсию S² и коэффициент вариации v [3]:

,

.

Значение коэффициента вариации для отсчетов шума приобретает достаточно большое значение.

Сместим на значение a рассматриваемые отсчеты шума u_k и определим характеристики M, S² и v полученного сигнала. Очевидно, что коэффициент вариации приобретает достаточно большое значение в случае отсутствия смещения сигнала. Чем больше величина смещения а, тем меньше значение v.

Данный факт может быть положен в основу способа определения электродермальной активности кожи.

Рассмотрим КГР u_k, содержащую изменение величины электрокожного сопротивления (фиг.1). Для удобства будем считать, что сигнал дискретный по времени. Сформируем окно анализа длительностью 0,25 с, которое перемещается по сигналу с шагом, равным интервалу дискретизации. На каждом шаге k будем определять сумму следующих друг за другом n отсчетов M_k, сумму квадратов разностей каждого из следующих друг за другом n отсчетов и среднего значения всех таких n отсчетов (т.е. на этом участке)

, сумму квадратов разностей каждого из следующих друг за другом n отсчетов и среднего значения соседних n отсчетов предшествующих каждому отчету (т.е. на соседних участках)

:

В случае использования аналогового сигнала сумму в формулах (1)-(3) необходимо заменить на интегрирование.

Определим отношения квадратных корней из второй и третьей сумм к первой сумме:

и

и найдем разность полученных значений

Полученный сигнал v_k представляет собой нулевой уровень, относительно которого в области изменения электрокожного сопротивления образуются пики. Используя этот сигнал и соответствующий пороговый уровень Δ=0,05-0,1, можно определить факт изменения электрокожного сопротивления и осуществить счет таких изменений, т.е. фазических составляющих КГР.

Предложенный способ позволяет по сравнению с известным способом (прототипом) снизить требования к аппаратной части и не использовать производную, что позволит анализировать относительно медленно меняющиеся фазические составляющие.

Сущность изобретения и возможный вариант реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:

- фиг.1 - анализ кожно-гальванической реакции;

- фиг.2 - функциональная схема устройства.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности определения электродермальной активности кожи в режиме реального времени, в устройство, содержащее электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, выход которого подключен к входу фильтра, выход фильтра подключен к блоку дискретизации, формирователь порогового уровня подключен к первому входу компаратора, дополнительно введены первый, второй и третий блоки суммирования, первый и второй блоки извлечения квадратного корня, первый и второй блоки деления, вычитатель, счетчик, причем выход блока дискретизации соединен со входами первого, второго и третьего блоков суммирования, выходы второго и третьего блоков суммирования подключены к входам соответственно первого и второго блоков извлечения квадратного корня, к первому и второму входам первого блока деления подключены соответственно выходы первого блока извлечения квадратного корня и первого блока суммирования, к первому и второму входам второго блока деления подключены соответственно выходы второго блока извлечения квадратного корня и первого блока суммирования, выходы блоков деления соединены с входами вычитателя, выход вычитателя подключен к второму входу компаратора, выход компаратора соединен с входом счетчика, выход последнего является выходом устройства.

Устройство состоит (фиг.2) из электродов 1, 2, входного устройства 3, фильтра 4, блока 5 дискретизации, блоков 6, 7, 8 суммирования, блоков 9, 10 извлечения квадратного корня, блоков 11, 12 деления, вычитателя 13, формирователя 14 порогового уровня, компаратора 15, счетчика 16.

Электроды 1, 2 со средствами их крепления подключены к входному устройству 3, выход которого подключен к входу фильтра 4. Выход фильтра 4 соединен с входом блока 5 дискретизации. Выход блока 5 дискретизации соединен со входами первого 6, второго 7 и третьего 8 блоков суммирования, выходы второго 7 и третьего 8 блоков суммирования подключены к входам соответственно первого 9 и второго 10 блоков извлечения квадратного корня. К первому и второму входам первого блока 11 деления подключены соответственно выходы первого блока 9 извлечения квадратного корня и первого блока 6 суммирования, к первому и второму входам второго блока 12 деления подключены соответственно выходы второго блока 10 извлечения квадратного корня и первого блока 6 суммирования. Выходы блоков 11, 12 деления соединены с входами вычитателя 13, выход вычитателя 13 подключен к второму входу 15 компаратора. Формирователь 14 порогового уровня подключен к первому входу компаратора 15, выход компаратора 15 соединен с входом счетчика 16, выход последнего является выходом устройства.

Блок 7 реализует преобразование (2), блок 8 - (3), блок 6 - (1), блок 11 - (4), блок 12 - (5), блок 13 - (6). Блок 16 осуществляет счет числа переходов из 0 в 1 на выходе компаратора 15. Этот переход возникает в момент v_k>Δ.

Реализация устройств может быть легко осуществлена на стандартной элементной базе. Вариант устройства с цифровой обработкой сигнала может быть реализован на основе любого персонального компьютера, а также с использованием любого микроконтроллера или однокристальной микроЭВМ. Связь измерительной части и устройства обработки сигнала (как аналоговой, так и цифровой) может быть осуществлена любым из известных способов как по проводному каналу, так и беспроводным способом, например по радиоканалу или ИК-каналу.

Существует много различных вариантов выполнения устройства в зависимости от умения и профессиональных знаний, а также используемой элементной базы, поэтому приведенные схемы не должны служить ограничениями при реализации изобретения.

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении достоверности и точности определения электродермальной активности кожи в режиме реального времени и психоэмоционального состояния на ее основе при снижении требований к аппаратной части и возможности выделения относительно медленно меняющихся фазических составляющих.

Литература

1. Зоткин Н.В. Основы психодиагностики: учебно-методический комплекс для специальности 030301.65 Психология. Самара: «Универс групп», 2007. 208 с.

2. Патент РФ №2107460, A61B 5/05, A61B 5/103, A61B 5/18. Способ регистрации кожно-гальванических реакций и устройство для его осуществления / Галченков Л.А., Дементиенко В.В., Коренева Л.Г., Марков А.Г., Шахнарович В.М. //Открытия. Изобретения. 1998.

3. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1998, 479 с.

Claims

Устройство определения электродермальной активности кожи в режиме реального времени, содержащее электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, выход которого подключен к входу фильтра, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены первый и второй блоки определения дисперсии, блок определения математического ожидания, первый и второй блоки определения коэффициентов вариаций, вычитатель, формирователь порогового уровня, компаратор, счетчик, причем выход фильтра соединен со входами первого и второго блока определения дисперсии и блока определения математического ожидания, выходы блоков определения дисперсий подключены к первым входам соответствующих блоков определения коэффициентов вариаций, выход блока определения математического ожидания соединен со вторыми входами блоков определения коэффициентов вариаций, выходы блоков определения коэффициентов вариаций подключены к входам вычитателя, выход которого соединен с первым входом компаратора, выход формирователя порогового уровня подключен ко второму входу компаратора, выход компаратора соединен с входом счетчика, выход последнего является выходом устройства.