Устройство для оценки психологического и функционального состояния человека

(51) 61 39/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ возможность вести измерения вне экранируемых помещений,повышение информативности измеряемого сигнала. Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство, содержит электроды,выполненные из разных металлов, подключенные к входному блоку,выполненному в виде коммутатора,содержащего несколько коммутирующих ключей, один из ключей в исходном положении соединяет измерительный конденсатор и блок регистрации, а в рабочем положении - электроды и измерительный конденсатор, а другой ключ подсоединн к пластинам измерительного конденсатора, причм исполнительные элементы коммутирующих ключей соединены с командным блок - таймером,управляющим их работой. Использование измерительного конденсатора позволяет перейти к принципиально новому способу оценки психологического и функционального состояния человека по измерению электрической мощности КГР (произведения величины тока на напряжение), который одновременно совмещает в себе метод Фере и метод Тарханова.(76) Хайбуллин Марват Рамазанович Гареев Рауф Ахметович Глушко Владимир Павлович Глушко Виталий Владимирович Глушко Владимир Владимирович(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА(57) Изобретение относится к области медицины и к устройствам для диагностики психологического и функционального состояния организма человека по кожно-гальванической реакции (КГР), и может быть использовано в экспериментальной, клинической спортивной и экстремальной медицине,психофизиологии, педагогике. Технический результат изобретения - это исключение известных недостатков методов измерения КГР поляризации тканей при измерении, 24344 Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и в частности - к устройствам для диагностики психологического и функционального состояния организма человека по электрическим свойствам кожи, а именно - по кожно-гальванической реакции (КГР), и может быть использовано в экспериментальной и клинической медицине, а также в психофизиологии, педагогике,спортивной и экстремальной медицине. Известно, что электрические свойства кожи живого организма являются чувствительным индикатором его физиологического и психического состояния,а параметры их отклика(электропроводимости, электропотенциала и т.п.) на внешнее воздействие. Это есть так называемая кожно-гальваническая реакция (КГР), которая позволяет оценивать психофизиологическое состояние (ПФС) или статус индивидуума. При исследовании КГР различают показатели тонической и спонтанной составляющих электродермальной активности кожи. Тоническая активность КГР характеризует собой изменения электрических свойств кожи, происходящие относительно медленно с периодом в несколько минут и более. Спонтанная активность - это процессы, происходящие намного быстрее на фоне тонической активности, - их характерные времена состоят уже от долей до сотых долей секунды. Спонтанная активность проявляет себя в виде периодических,волнообразных процессов,характеризующихся строго определнной амплитудой и частотой - биологическими ритмами,а так же фазовыми отношениями между несколькими ритмами. Именно ритмическая активность, изменения е параметров, соотношения между ритмами, достаточно полно характеризует реакцию организма на внешний раздражитель и в дальнейшем именуется ритмической составляющей КГР, или ПФС. Широкому применению КГР в исследовательских и практических целях положили начало французский невропатолог К. Фере,обнаруживший, что при пропускании слабого тока через предплечье происходят изменения в электрическом сопротивлении кожи (1888), и российский физиолог И.Р. Тарханов (Тархнишвили,Тархан-Моурави), открывший кожный потенциал и его изменение при внутренних переживаниях, а также в ответ на сенсорное раздражение (1889). Эти открытия легли в основу двух главных методов регистрации КГР - экзосоматического (измерения электрического сопротивления кожи, которое производится с помощью внешнего источника электрического тока) и эндосоматического(измерения электрических потенциалов участков кожи, которые генерируются самим организмом). Позже оказалось, что методы Фере и Тарханова дают неодинаковые результаты метод Тарханова более информативен в сравнении с методом Фере и при его использовании не производится никакого электрического воздействия на организм,способного повлиять на его состояние. Это утверждение подтверждено тем обстоятельством,2 что электрофорез является одним из эффективнейших лечебных методов электрического воздействия на организм человека. Известно диагностическое устройство (аналог),основанное на приборной реализации метода К.Фере, которое состоит из двух электродов,выполненных из одного и того же металла,накладываемых на тело человека. С их помощью через организм пропускают электрический ток от специального источника электрических сигналов. В электрическую цепь, состоящую из источника электротока, электродов и исследуемого организма человека,включен измеритель величины электрического тока, обычно им является микроамперметр (Устройство для регистрации электрической активности кожи. Патент РФ 2079285, кл. А 61 В 5/05, 1997 г). По величине тока и его изменениям (по величине электропроводности участка тела, лежащего между электродами, через которые пропущен электрический ток) судят о функциональном состоянии организма человека(Юсевич Ю.С.,Очерки по клинической электромиографии. - М., 1972). Разработка этого метода привела к созданию таких мощнейших диагностических примов и соответствующего аппаратурного обеспечения, как электромиографии и реоплетизмографии(Персон Р.С.,Электромиография в исследованиях человека. - М. 1969). Известно другое диагностическое устройство(аналог), основанное на методе Тарханова, которое состоит из нескольких электродов, выполненных так же из одного и того же металла, и высокоточного измерителя электрического тока (обычно им является микровольтметр). Электроды накладываются на тело человека и подсоединяются к микровольтметру, с целю измерения разности электропотенциалов,возникающих между электродами. Электрические потенциалы кожи в местах наложения электродов генерируются самим организмом, здесь нет внешнего источника тока(Леонова А.Б. Психодиагностика функциональных состояний человека. - М., 1984). Метод был развит в два мощнейших диагностических прима с соответствующим приборным обеспечением метод оценки деятельности сердца по электрокардиограмме - ЭКГ (Зудилов Ю.И. Азбука ЭКГ. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2003) и метод оценки деятельности мозга человека по электроэнцефалограмме - ЭЭГ (Гусельников В.И. Электрофизиология головного мозга.- М. Высшая школа,1976 Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии. - М. Мед-пресс-информ, 2002). Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство(взятое за прототип), состоящее из комбинации перечисленных выше примов, то есть основанное,как на методе Фере (измеряется электропроводность участка тела человека, находящаяся между электродами,с использованием источника электрического тока), так и на методе Тарханова состав которого входит сам организм человека). Устройство включает в себя электроды,выполненные из разных металлов, которые подсоединяются к точному измерителю электрического тока.(Способ определения эмоционального напряжения (КГР по Тарханову) в модификации Соколова. Патент РФ 2098013. По кл. А 61 В 5/05 и А.с. СССР 133845, 1987 г.) В качестве измерителя может использоваться, как микроамперметр, так и микровольтметр. В этом случае источником электротока (источником диагностического сигнала) является пара металлов,находящаяся в контакте с телом организма человека(используется электрогальваническое явление возникновения контактной разности потенциалов в месте контакта двух тел, выполненных из разных материалов) (Иванов Ю.К. История, теория и практика исследования кожно-гальванических реакций у человека. - Киев, 1974). Основной особенностью данного направления диагностики психофизиологического состояния человека является специфический источник электрического тока, в который включн участок тела человека, находящийся между парой электродов. С одной стороны контактная разность потенциалов, возникающая в месте контакта металла с участком кожи, обеспечивает вполне определнное значение величины электродвижущей силы этого источника тока, которое находится в прямой зависимости от выделения пота, то есть физиологического и эмоционального состояния человека. А с другой стороны, внутреннее сопротивление этого источника электротока (через который течт измеряемый ток) так же полностью зависит от физиологического и эмоционального состояния подкожных участков тела человека. Перечисленные обстоятельства указывают на большую информативность этого метода оценки психофизиологического состояния (ПФС) человека.(Маханов В.П. Осений А.С. Модель формирования электрического потенциала кожи. - Биофизика. 1991 г.) Известные (описанные выше) способы, а,следовательно, и устройства снятия информации о ПФС человека, ограничены двумя техническими примами, которым присущи серьзные недостатки,ограничивающие их широкое применение в диагностических целях. В первом случае, как указывалось выше,измеряется величина электрического тока, текущего через электроды, в связи с чем электроды непосредственно подсоединяются к микроамперметру. В этом случае производится прямое измерение величины электротока, причм максимального значения,который только и может дать этот специфический источник электрического тока, работающий в режиме короткого замыкания. Действительно, при использовании микроамперметра(внутреннее сопротивление которого практически равно нулю) другие режимы измерения электротока принципиально невозможны. Включение в электрическую цепь измерения тока добавочного сопротивления снижает не только величину тока, но 3 и информативность метода, причм во столько раз,во сколько раз величина этого сопротивления больше внутреннего сопротивления источника тока,так как именно внутреннее сопротивление источника отражает состояние организма. Заметим,что внутреннее сопротивление микроамперметра в расчт не бертся, поскольку оно практически равно нулю. Указанное обстоятельство (максимальное значение электротока источника) приводит к тому,что ионы, движущиеся внутри тела, скапливаются у электродов и внутреннее сопротивление источника тока резко возрастает. Происходит так называемая поляризация источника электротока. Это обстоятельство приводит не только к ошибкам измерения, но и полностью исключает возможность вести измерение ПФС длительное время. В этом режиме работы (на пределе электрической мощности источника тока) информативность измерения резко падает (Патент США 5029590, кл. А 61 К 5/04, 1991 г.) А во втором случае, электроды этого источника тока подсоединяются к вольтметру (обычно это милливольтметр) и измеряется разность потенциалов, возникающая на них (Способ контроля психофизиологической реакции и система его осуществления. Патент РФ 2099007, кл. А 61 В 5/16, 1997 г.) Поскольку величина внутреннего сопротивления милливольтметра огромная(достигает значений в миллионы Ом, а межэлектродное сопротивление участка тела составляет всего единицы килоОм), то практически измеряемые значения тока, вырабатываемые этим источником,минимальны и сравнимы с электротоками помех от обычных бытовых приборов. Это обстоятельство является серьзной проблемой измерения потенциалов вне экранируемых помещений от некоторых участков тела и в частности делает невозможным работу с такими приборами при снятии потенциалов с головы пациента. Помимо этого обстоятельства огромная величина сопротивления милливольтметра, которая на несколько порядков перекрывает величину внутреннего сопротивления этого источника электротока(омическое сопротивление участка тела человека, находящегося между электродами), исключает возможность измерения внутреннего сопротивления этого источника тока, а, следовательно, в измеряемом сигнале будет отсутствовать информация о некоторой части психофизиологического состояния организма (та часть, которая связана с методикой Фере), что значительно снижает информативность измерения ПФС человека этим методом. (Чернов С.П. Устойчивый потенциал кожи и кожногальваническая реакция человека. - Кубан. науч. мед. вест. 1997 г., Шпунт.В.Х. Динамические электрические свойства кожи человека. Мед.техника, 1997 г.). Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для целей диагностики ПФС человека,лишнное перечисленных выше недостатков известных методов измерения КГР, а именно исключение поляризации тканей при измерении, предоставление возможности вести измерения вне экранируемых помещениях, а так же повышение информативности измеряемого сигнала. Технический результат изобретения - это исключение поляризации тканей при измерении,предоставление возможности вести измерения вне экранируемых помещениях, а так же повышение информативности измеряемого сигнала. Технический результат достигается тем, что устройство для оценки психологического и функционального состояния человека, содержащее электроды, выполненные из разных металлов, со средствами их крепления к коже человека,подключенные к входному блоку, к которому подсоединн и блок регистрации в устройстве входной блок выполнен в виде коммутатора,который содержит несколько коммутирующих ключей, один из ключей в исходном положении соединяет между собой измерительный конденсатор и блок регистрации, а в рабочем положении электроды и измерительный конденсатор, а другой ключ подсоединн к пластинам измерительного конденсатора, причм исполнительные элементы коммутирующих ключей соединены с командным блок - таймером, управляющим их работой. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для регистрации кожно-гальванических реакций в соответствии с настоящим изобретением на фиг. 2 изображены (а и б) - временные диаграммы,поясняющие функционирование командного блока - таймера (в) - пример предполагаемой формы разности потенциалов,возникающих на электродах и (г) - пример измеренной формы разности потенциалов,подаваемой на регистрирующий блок. Устройство для регистрации кожногальванической реакции (фиг.1) включает в себя входной блок - коммутатор 1, подключенный к электродам 2 и 3, которые закреплены на коже 4 человека. Электроды могут быть выполнены в различных вариантах, например в виде двух колец браслета на запястье и кольца браслета из диэлектрического материала с двумя электрическими контактами. Электроды изготавливаются из различных металлов, например медь и олово, медь и цинк и т.п., то есть из электропроводящих материалов с различной работой выхода электронов из них. Единственное конструктивное требование к ним и к устройству крепления их на человеке электроды должны обеспечивать стабильный электрический контакт с кожей испытуемого. Электроды 2 и 3 подключены в входном блок - коммутаторе 1 непосредственно к коммутирующим ключам 5 и 6, через которые они,на строго нормированное время, могут соединяться с измерительным конденсатором 7. Измерительным конденсатором может быть неполярный конденсатор (не электролитический, например - с диэлектриком из бумаги),с достаточной электрической прочностью, малыми токами утечки и низким значением коэффициента ТКЕ, то есть удовлетворяющий требованиям категории элементов радиоэлектронных измерительных 4 устройств. Коммутирующие ключи 5 и 6 работают синхронно и в исходном положении их контакты соединяют измерительный конденсатор 7 с регистрирующим прибором 8. В состав блок коммутатора 1 входит коммутирующий ключ 9,который, в строго определнные моменты времени(перед началом измерения, то есть перед моментом времени, когда ключи 5 и 6 подсоединят пластины измерительного конденсатора 7 к электродам 2 и 3),на короткое время замыкает пластины измерительного конденсатора 7 друг на друга,производя его разряд (обнуление). В исходном положении коммутирующий ключ 9 всегда разомкнут. Коммутирующими ключами 5, 6 и 9 могут быть любые стандартные электромеханические реле или стандартные электронные реле, выполненные на транзисторах или микросхемах, выпускаемые промышленностью,с функцией коммутации внешних сигналов. Перечисленные выше известные электрические и электронные коммутаторы производят коммутацию сигналов при подачи на них рабочего управляющего напряжения. На фиг.1 показаны только коммутирующие элементы реле (контакты). Регистрирующим прибором 8 может быть любой стандартный измерительный прибор, выпускаемый промышленностью, а именно стрелочный или цифровой вольтметр цифровой самописец или самописец с записью сигнала на бумажный или иной носитель информации аналого-цифровой преобразователь, подсоединнный к компьютеру и т.д. Управление работой входным блоком коммутатором 1 осуществляется с помощью командного блока - таймера 10. Командный блок - таймер 10 вырабатывает управляющие напряжения, которые в строго определнные моменты времени и строго определнной длительности подаются на ключи 5, 6 и 9 входного блока - коммутатора 1. Командный блок - таймер 10 представляет собой стандартный автоматический прибор управления, который вырабатывает два напряжения, состоящие из двух последовательностей импульсов строго определенной длительности и скважности. Одна из последовательностей импульсов а (см. фиг. 2) податся на ключи 5 и 6, а другая последовательность б податся на ключ 9. Частота следования импульсов и промежутки времени между ними(скважность) у обоих последовательностей (а и б) одинакова, а длительность их импульсов различна. Длительность импульсов б подаваемых на ключ 9 в несколько раз меньше длительности импульсов а подаваемых на ключи 5 и 6, примерно в 7 - 10 раз. На кривой г изображен пример возможной формы разницы потенциалов, возникающих на электродах 2 и 3 при каком-либо физическом или эмоциональном воздействии на человека, которое произошло в промежутке времени между 3 и 4. А на диаграмме в показан вид измеренной формы разности потенциалов, изображенной на диаграмме в и преобразованной в сигнала, подаваемой на регистрирующий блок 8. Электропитание блоков устройства в целом может осуществляться как от встроенного источника электротока (батареи гальванических элементов), так и от бытовой электросети(источники электропитания не показаны на рисунке). Устройство для оценки психологического и функционального состояния человека, в зависимости от решаемых задач, может иметь несколько каналов измерения, аналогичных описанному выше. Работает устройство для оценки психологического и функционального состояния человека следующим образом. После закрепления электродов 2 и 3 на коже 4 пациента (см. фиг.1) и включения всего устройства в работу (после подключения к источнику электрического тока) в момент времени 1 (см. фиг.2) ключ 9 (см.фиг.1) замыкает пластины измерительного конденсатора 7 и он разряжается (обнуляется) в течение промежутка времени от 1 до 2. В момент времени 2 ключ 9 размыкается, а ключи 5 и 6 подсоединяют измерительный конденсатор 7 к электродам 2 и 3. В течение промежутка времени от 2 и 3 происходит заряд измерительного конденсатора 7 до величины пропорциональной разности потенциалов,возникшей на электродах 2 и 3. В момент времени 3 ключи 5 и 6 возвращаются в сво исходное положение и разность потенциалов (напряжение),которое возникло на пластинах измерительного конденсатора 7, податся на регистрирующий прибор 8. По показаниям регистрирующего прибора 8 судят о психофизиологическом состоянии человека (ПФС). Использование измерительного конденсатора 7 в процессе измерения ПФС, а не прямое подсоединение электродов 2 и 3 к регистрирующему блоку 8, дат следующие преимущества. Выше, в аналитическом обзоре недостатков известных методов измерения ПФС и их аппаратурного осуществления, конкретно указывались причины,снижающие их эффективность, которые прямо связаны с двумя крайностями процесса измерения. Эти крайности связаны с электрическим сопротивлением измерительной аппаратуры в одном случае она равна нулю, когда измеряется электрический ток в другом случае она равна бесконечности (или очень большой величине сопротивления в сравнении с сопротивлением участка тела человека, находящегося между электродами), когда измеряется величина разности потенциалов на электродах(напряжение). Использование измерительного конденсатора позволяет избежать этих крайностей (выбрать золотую середину) перейдя к измерению мощности кожно-гальванической реакции, то есть перейти к измерению произведения величины тока на напряжение. Действительно, энергия заряженного конденсатора равна произведению величины электрического тока заряда конденсатора на время его заряда (величине электрического заряда) умноженного на величину разности потенциалов пластин. Если энергию заряженного конденсатора разделить на время его заряда, то полученная величина будет равна электрической мощности 5 источника тока, производящего заряд конденсатора. Если производить заряд конденсатора от различных источников электротока в течении одного и того же интервала времени (нормируя время заряда конденсатора), то заряд конденсатора будет прямо пропорционален величине электрической мощности источников тока. Поскольку кожно-гальваническая реакция (КГР) зависит, как от состояния кожи и выделения пота в местах расположения электродов(разности потенциалов), а так же от состояния участков тела, расположенных между электродами(электрического сопротивления),а эти характеристики прямо связаны с электрической мощностью этого специфического источника электрического тока, то электрическая мощность КГР отражает психофизиологическое состояние человека. Таким образом,предлагается принципиально новый способ измерения психологического и функционального состояния человека по измерению электрической мощности КГР, который одновременно совмещает в себе метод Фере и метод Тарханова. Такое естественное объединение методов регистрации КГР значительно повышает его информативность. В предложенном варианте измерения ПФС электрическое сопротивление конденсатора в процессе его заряда изменяется от нуля до некоторой значительной величины (в среднем это конечная величина). Напряжение на пластинах конденсатора так же изменяется от нуля до некоторого конечного значения,зависящего от времени заряда конденсатора. Время заряда конденсатора выбирается от 0,1 до 0,7 от величины времени его полного заряда. Поскольку время полного заряда конденсатора прямо пропорционально зависит от величины его электрической мкости, то меняя мкость конденсатора можно исследовать периодические процессы разной длительности,которые протекают в организме человека,длительностью от десятков минут, до миллисекунд. Конечная величина сопротивления такого измерительного комплекса и периодичность процесса измерения устраняет недостаток известного способа измерения КГР с помощью микроамперметра. А опосредованное измерение разности потенциалов на электродах,осуществляемое через заряд конденсатора,позволяет вести измерения вне экранируемых помещениях,используя высокоумные милливольтметры. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для оценки психологического и функционального состояния человека, содержащее электроды, выполненные из разных металлов, со средствами их крепления, подключенные к входному блоку, к которому присоединн блок регистрации, отличающееся тем, что входной блок выполнен в виде коммутатора, который содержит несколько коммутирующих ключей, один из них в исходном положении соединяет между собой измерительный конденсатор и блок регистрации, а в исполнительные элементы коммутирующих ключей соединены с командным блок-таймером,управляющим их работой.