Устройство для оценки психоэмоционального состояния человека

Полезная модель относится к области медицины и медицинской техники, в частности, к устройствам для диагностики состояния живого организма по электрической проводимости кожи, и может быть использована в экспериментальной и клинической медицине, а также в психофизиологии, педагогике и спортивной медицине. Устройство для оценки психоэмоционального состояния человека, содержит: источник питания 1, источник опорного напряжения 2, соединенный с токозадающим резистором 3 входных измерительных цепей 9, электроды 4 для съема кожно-гальванической реакции (КГР), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 соединенный через шину 6 передачи данных с микроэвм 7. Входные измерительные цепи 9 имеют конденсатор 8, соединенный с токозадающим резистором 3 и образующий с ним первый фильтр низких частот входной измерительной цепи. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 имеет прецизионный коммутатор 10 для входных цепей 9 и предназначенный для преобразования измеряемых напряжений с выбранного канала встроенным / модулятором 11 в цифровую форму. Модулятор 11 связан с. программируемым цифровым фильтром 12, который обеспечивает ограничение спектра сигнала и глубокую фильтрацию от помех, в основном, наводок от сети переменного тока и устройств - потребителей электроэнергии. В качестве микроэвм использован микроконтоллер 7, имеющий в своем составе широтно-импульсный модулятор в виде цифро-аналогового преобразователя (ШИМ ЦАП) 13, который через второй фильтр низких частот (ФНЧ) 14 электрически связан с источником опорного напряжения 2, имеющим вход управления от микроконтроллера 7 и выход опорного напряжения для АЦП 5. Микроконтроллер 7 через блок гальванической развязки 15 соединен с проводным интерфейсами USB 16, а также с беспроводным RF интерфейсом 17.,-Выходы интерфейсов 15 и 16 подключаются к внешним устройствам 18, 19 регистрации, анализа КГР и управления устройством в целом. При реализации устройства может быть использовано удаленно расположенное внешнее устройство 20, имеющее связь с устройством для оценки психоэмоционального состояния человека, например, по сети Internet 21. При работе устройства повышается точность и стабильность измерения КГР, в том числе при малозаметных психоэмоциональных реакциях человека, расширяются технические возможности использования устройства и улучшаются его эксплуатационные характеристики. 1 незав. п. фор-лы, 3 илл.

Устройство для оценки психоэмоционального состояния человека.

Полезная модель 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 использована 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 (ЭДА). 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 от десятых долей до единиц 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 вследствии стрессового или иного раздражителя [1. Андерсон А.А. Механизмы электродермальных реакций. - Рига: Зинатне, 1985, с.59-63.].

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 обеспечиваться в блоке, использующем мостовую схему и ряд усилителей постоянного тока с индивидуальной установкой нуля. Значение тонической составляющей вычисляется аналоговым путем, а затем вычитается из сигнала. На эту величину на графопостроителе сдвигается к нулю базовая линия [см. патент US, 4331160, кл. А61В 5/05, 1982.].

Данное техническое решение конструктивно усложнено наличием графопостроителя и технически сложно в управлении.

Известно также устройство для оценки психоэмоционального состояния человека, содержащее источник опорного напряжения, соединенный с токозадающим резистором входных измерительных цепей, электроды для съема кожно-гальванической реакции (КГР), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный с микроэвм, реализующей фильтрацию нижних частот и анализ формы импульсов кожно-гальванической реакции (КГР) (см. патент RU 2107460.)

Данное техническое решение является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели.

Существенными недостатками данного технического решения являются:

низкая точность и стабильность оценки кожно-гальванической реакции (КГР) вследствии возникающих во входных измерительных цепях тепловых дрейфов и шумов;

использование источника опорного напряжения с фиксированным значением напряжения, что ограничивает технологическую возможность использования данного устройства для измерения кожно-гальванической реакции (КГР) по методу Тарханова (без внешнего воздействия протекающим через кожу током), а так же по методу Фере с подстройкой измерительного тока, необходимой для выявления малозаметных психоэмоциональных реакций человека.

Оцифровка аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в данном техническом решении по абсолютным значениям сигнала кожно-гальванической реакции (КГР), без связи с напряжением источника опорного напряжения в источнике тока входной измерительной цепи, приводит к необходимости более тщательной и сложной настройке устройства, необходимости поверок и калибровок в процессе эксплуатации, что является дополнительным источником неточностей измерения величины сигнала кожно-гальванической реакции (КГР).

Использование в данном устройстве фильтра низких частот для ограничения частотного спектра кожно-гальванической реакции (КГР) с частотой среза порядка 1 Гц, является недостаточным, т.к. частотный спектр сигнала кожно-гальванической реакции (КГР), снимаемого с пациента гораздо шире и несет важную информацию и в более высоких частотах.

Кроме того, обязательное использование в данном устройстве фильтра нижних частот с блоком анализа, выполненных на базе персонального компьютера, делает решение громоздким и ограничивает сферы применения лабораторными и клиническими исследованиями, а наличие в устройстве аналоговых активных элементов требует наладки и регулярной поверки и калибровки устройства в целом.

Таким образом, известное техническое решение имеет ограниченные технические возможности по оценке психоэмоционального состояния человека.

Задача заявляемой полезной модели состояла в создании устройства для оценки психоэмоционального состояния человека, обеспечивающего технический результат:

по расширению технических возможностей устройства за счет повышения точности и стабильности измерения кожно-гальванической реакции (КГР), в том числе при малозаметных психоэмоциональных реакциях человека;

по расширению сфер применения устройства и улучшения его эксплуатационных характеристик.

Для решения поставленной технической задачи предложено устройство для оценки психоэмоционального состояния человека, содержащее источник опорного напряжения, соединенный с токозадающим резистором входных измерительных цепей, электроды для съема кожно-гальванической реакции (КГР), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный с микроэвм, реализующей фильтрацию нижних частот и анализ формы импульсов кожно-гальванической реакции (КГР), при этом входные измерительные цепи снабжены конденсатором, соединенным с токозадающим резистором и образующим сним первый фильтр низких частот (ФНЧ), выходы конденсатора подсоединены к электродам для съема кожно-гальванической реакции и к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), микроэвм выполнена в виде микроконтоллера, имеющего в своем составе цифро-аналоговый преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ ЦАП), с которым через второй фильтр низких частот (ФНЧ) электрически связан источник опорного напряжения, имеющий вход управления от микроконтроллера и выход опорного напряжения для аналого-цифровой преобразователя (АЦП), микроконтроллер соединен с интерфейсами (проводным USB и беспроводным RF) для подключения к внешним устройствам анализа КГР и управления устройством.

Согласно полезной модели, устройство снабжено автономным индикатором тонической составляющей КГР, клавиатурой, системным индикатором режимов работы, времени и результатов, подключенными к микроконтроллеру по цифровой шине, а также аналоговым индикатором фазической составляющей, соединенным с дополнительным ШИМ ЦАП микроконтроллера через третий фильтр низких частот.

Согласно полезной модели, фильтры низких частот между цифро-аналоговым преобразователем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ ЦАП) микроконтроллера и источником опорного напряжения и между аналоговым индикатором фазической составляющей и ШИМ ЦАП микроконтроллера выполнены в виде фильтра низких частот первого порядка на RC-цепочке.

При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, что свидетельствует о соответствии его критерию полезной модели «новизна».

Настоящая полезная модель может быть промышленно реализована с использованием стандартных технических средств, что подтверждается ниже приведенным описанием.

Полезная модель поясняется представленными ниже рисунками, где на:

рис.1 показана общая блок схема устройства для оценки психоэмоционального состояния человека;

рис.2 - схема входной измерительной цепи с подсоединением к ней электродов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

рис.3 - принципиальная схема фильтра низких частот первого порядка на RC-цепочке.

Устройство для оценки психоэмоционального состояния человека, содержит:

источник питания 1, источник опорного напряжения 2, соединенный с токозадающим резистором 3 входных измерительных цепей 9, электроды 4 для съема кожно-гальванической реакции (КГР), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 соединенный через шину 6 передачи данных с микроэвм 7.

Источник опорного напряжения, предпочтительно, имеет стандартное исполнение, как например, в источнике информации «Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа» Выпуск 1 - ДОДЭКА, 1996 г. ISBN-5-87835-008-4 ББК.32.85 М59 УДК 621.375(03).

Входные измерительные цепи 9 имеют конденсатор 8, соединенный с токозадающим резистором 3 и образующий с ним первый фильтр низких частот входной измерительной цепи. Входные измерительные цепи обеспечивают приведение измеряемых сигналов к рабочему диапазону АЦП и предварительную аналоговую частотную фильтрацию.

В устройстве использован многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 (Sigma/delta АЦП 24 бит), имеющий встроенный прецизионный коммутатор 10 для входных цепей 9 и предназначенный для преобразования измеряемых напряжений с выбранного канала встроенным / модулятором 11 в цифровую форму. / модулятор 11 связан с.программируемым цифровым фильтром 12, который обеспечивает ограничение спектра сигнала и глубокую фильтрацию от помех, в основном, наводок от сети переменного тока и устройств-потребителей электроэнергии.

В качестве микроЭВМ использован микроконтоллер 7, имеющий в своем составе широтно-импульсный модулятор в виде цифро-аналогового преобразователя (ШИМ ЦАП) 13, который через второй фильтр низких частот (ФНЧ) 14 электрически связан с источником опорного напряжения 2, имеющим вход управления от микроконтроллера 7 и выход опорного напряжения для АЦП 5.

Микроконтроллер 7 является стандартной однокристальной микроЭВМ, например, семейства AVR (Atmel), с необходимым для построения системы набором периферийных узлов.

Микроконтроллер 7 через блок гальванической развязки 15 соединен с проводным интерфейсами USB 16, а также с беспроводным RF интерфейсом 17.

Выходы интерфейсов 15 и 16 подключаются к внешним устройствам 18, 19 регистрации, анализа КГР и управления устройством в целом. При реализации устройства может быть использовано удаленно расположенное внешнее устройство 20, имеющее связь с устройством для оценки психоэмоционального состояния человека, например, по сети Internet 21.

Описанная выше блок схема устройства для оценки психоэмоционального состояния человека, реализует процесс измерения кожно-гальванической реакции (КГР) с регистрацией и анализом на внешнем устройстве.

Для использования данного устройства в автономном режиме (без внешних устройств 18, 19) предусмотрен вариант исполнения устройства, в состав которого включены автономные индикаторы, соответственно тонической составляющих КГР 22, клавиатура 23, системный индикатор 24 режимов работы, времени и результатов, подключенные к микроконтроллеру 7 по цифровым шинам. Устройство снабжено также аналоговым индикатором 25 фазической составляющей. Аналоговый индикатор 25 фазической составляющей соединен с третьим фильтром низких частот (ФНЧ) 26, который соединен с дополнительным цифро-аналоговым преобразователем с широтно-импульсным модулятором (ШИМ ЦАП) 27 микроконтроллера 7.

Указанные ФНЧ 14 и ФНЧ 26 являются ФНЧ - 1-го порядка и реализованы в виде RC цепочки, (рис.3). В этом режиме устройство питается от автономного химического источника питания 28, например гальванической батареи или аккумулятора.

При работе устройства:

Многоканальный АЦП 5 преобразует измеряемые напряжения с выбранного встроенным прецизионным коммутатором канала 10 в цифровую форму / модулятором 11. Программируемый цифровой фильтр 12 обеспечивает ограничение спектра сигнала и глубокую фильтрацию от помех (в основном это наводки от сети переменного тока и устройств - потребителей электроэнергии). Программирование режимов работы АЦП 5 и обмен данными с микроконтроллером 7 происходит через цифровой последовательный интерфейс 29 АЦП посредством записи и чтения внутренних регистров 30.

Микроконтроллер 7 управляет работой всех узлов устройства, получает результаты измерений АЦП 5, производит их дополнительную цифровую фильтрацию. Выделяет из сигнала КГР тоническую и фазическую составляющие и выводит эти значения на индикаторы тонической 22 и фазической 25 составляющих. Опрашивает клавиатуру 23, выводит информацию о времени, состоянии и режимах работы устройства на системный индикатор 24. Через интерфейсы 16, 17 микроконтроллер 7 имеет возможность обмениваться данными с компьютером/компьютерами 18, 19. Записанная во Flash памяти программа работы микроконтроллера может быть модифицирована с подключенного компьютера 18, 19.

Управляемый источник опорного напряжения 2 вырабатывает высокостабильное опорное напряжение для АЦП 5 и входных цепей 9.

Управляется (значение выходного напряжения отлично от нуля - метод Ферэ, или режим высокоимпедансного состояния - метод Тарханова) микроконтроллером 7.

Управляемый источник питания 1 обеспечивает экономичное расходование энергии химического источника питания 28, отключая неиспользуемые в текущем режиме работы устройства.

Индикатор фазической составляющей КГР 25 отображает в аналоговом виде обычно быстро изменяющуюся фазическую составляющую КГР.

Индикатор тонической составляющей КГР 22 отображает в цифровом виде обычно медленно изменяющуюся тоническую составляющую КГР.

Системный индикатор 24 отображают информацию о времени, состоянии и режимах работы устройства.

Клавиатура 23 позволяет оператору оперативно управлять режимами работы.

USB интерфейс 16 позволяет обмениваться информацией с компьютерами по широко распространенной USB шине. Подключение к компьютеру, позволяет проводить расширенный анализ КГР, причем не только одного, но и группы пациентов. Так же открывается возможность дистанционной работы 20 пациент-психолог через доступные каналы связи, например Internet 21.

RF интерфейс 17 позволяет обмениваться информацией с компьютерами по радиоканалу, что придает устройству новые свойства и открывает большой простор для новых областей применения:

идеальная гальваническая развязка, а это означает значительное снижение уровня помех в сигнале КГР, что в свою очередь позволяет фиксировать еще более тонкие реакции организма;

освобождение пациента от привязки проводами к измерительному оборудованию, а значит и кабинету психолога или врача, что позволяет проводить анализ КГР в любой обстановке (спорт, работа, отдых).

Внутренний коммутатор каналов 10 АЦП выбирает нужный канал.

/ модулятор 11 преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, проще говоря, измеряет.

Программируемый цифровой фильтр 12 обеспечивает ограничение спектра сигнала и глубокую фильтрацию от помех (в основном это наводки от сети переменного тока и устройств - потребителей электроэнергии).

Входные цепи 9 обеспечивают приведение измеряемых сигналов к рабочему диапазону АЦП и предварительную аналоговую частотную фильтрацию. В случае режима работы с КГР по Фере (измерение сопротивления) совместно с источником опорного напряжения 2, задают значение зондирующего тока.

Устройство работает следующим образом:

1. Электроды 4 накладываются на кожу пациента и образуют вместе с резистором 3 измерительную цепь. В режиме измерения КГР по методу Ферэ (измерение кожно-гальванической реакции (КГР) с подстройкой измерительного тока, необходимого для выявления малозаметных психоэмоциональных реакций человека), в результате прохождения тока от источника опорного напряжения 2 через измерительную цепь (рис.2), или в режиме измерения по методу Тарханова (измерения кожно-гальванической реакции (КГР) без внешнего воздействия протекающего через кожу тока), без внешнего источника тока, на электродах 4 появляется напряжение. В режиме измерения КГР по Ферэ оно пропорционально сопротивлению кожи. Это напряжение через ФНЧ (рис.2), поступает непосредственно на вход АЦП 5, который передает результат измерения этого напряжения по шине 6 в микроконтроллер 7, где реализуется любой алгоритм обработки в пределах производительности этого микроконтроллера, например с целью разделения тонической и фазической составляющих КГР и вывода их на индикаторы тонической 22 и фазической 25 составляющих КГР. Как сам результат, так и исходные данные могут быть переданы на внешние устройства 18, 19, 20 регистрации, анализа КГР и управления устройством в целом. Режимы работы устройства могут быть отображены на системном индикаторе 24 режимов работы, времени и результатов, и могут быть заданы как с клавиатуры 23, так и с внешних устройств 18, 19 регистрации, анализа и управления.

В автономном режиме устройство питается от химического источника питания 28, а в случае подключения внешнего устройства 18 регистрации, анализа и управления, от шины USB этого устройства, через блок гальванической развязки 15, необходимой как в целях электробезопасности, так и для снижения уровня помех от внешнего устройства 18 регистрации, анализа и управления. Помимо всего прочего, микроконтроллер 7 в данном устройстве имеет возможность управлять режимами работы источников питания 1, 2, что в первом случае позволяет экономить заряд автономного химического источника питания, а во втором, переключать режим работы регистрации КГР по Тарханову или по Фере, а так же регулировать в этом случае измерительный ток.

2. При проведении интервьюирования клиента определяют проблемную зону психоэмоциональной напряженности клиента, влияющую наегодезадаптацию в жизненной сфере. Для определения проблемной зоны психоэмоциональной напряженности, интервьюирование клиента осуществляют по информационным шаблонам тестирования, отражающим посттравматические события (факторы) жизненных сфер человека. При интервьюировании в работу берутся тема, понятие, пункт, состояние или постулат с учетом проговариваемой клиентом цели посещения и выявляемой темы для работы жизненной сферы (семейная, профессиональная, личная), уточняется, есть ли интерес работать по этой теме у клиента. Процесс интервьюирования осуществляется с использованием методики предложенной по патенту RU 2373965 «Способ гармонизации психоэмоционального состояния человека» и при использовании устройства по настоящей полезной модели. На каждый вопрос отслеживается психофизиологическая реакция КГР по показаниям на индикаторе устройства для оценки психоэмоционального состояния человека. При регистрации на индикаторе устройства плавного колебания кривой фазической составляющей кожно-гальванической реакции на фоне уменьшающегося значения абсолютной величины тонической составляющей указанной реакции от ее начально зарегистрированных величин при выявлении доминирующего посттравматического фактора судят о психоэмоциональной мобилизации клиента и личностной адаптации его к выявленному доминирующему посттравматическому фактору (см. патент RU 2373965).

Устройство для оценки психоэмоционального состояния человека апробировано.

При использовании данного устройства повышается точность и стабильность измерения КГР, в том числе при малозаметных психоэмоциональных реакциях человека.

1. Устройство для оценки психоэмоционального состояния человека, содержащее источник опорного напряжения, соединенный с токозадающим резистором входных измерительных цепей, электроды для съема кожно-гальванической реакции (КГР), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный с микроЭВМ, реализующей фильтрацию нижних частот и анализ формы импульсов кожно-гальванической реакции (КГР), при этом входные измерительные цепи снабжены конденсатором, соединенным с токозадающим резистором и образующим с ним первый фильтр низких частот (ФНЧ), выходы конденсатора подсоединены к электродам для съема кожно-гальванической реакции и к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), микроЭВМ выполнена в виде микроконтоллера, имеющего в своем составе цифроаналоговый преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ ЦАП), с которым через второй фильтр низких частот (ФНЧ) электрически связан источник опорного напряжения, имеющий вход управления от микроконтроллера и выход опорного напряжения для аналого-цифровой преобразователя (АЦП), микроконтроллер соединен с интерфейсами (проводным USB и беспроводным RF) для подключения к внешним устройствам анализа КГР и управления устройством.

2. Устройство по п.1 снабжено автономным индикатором тонической составляющей КГР, клавиатурой, системным индикатором режимов работы, времени и результатов, подключенными к микроконтроллеру по цифровой шине, а также аналоговым индикатором фазической составляющей, соединенным с дополнительным ШИМ ЦАП микроконтроллера через третий фильтр низких частот.

3. Устройство по п.1, фильтры низких частот между цифроаналоговым преобразователем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ ЦАП) микроконтроллера и источником опорного напряжения и между аналоговым индикатором фазической составляющей и ШИМ ЦАП микроконтроллера выполнены в виде фильтра низких частот первого порядка на RC-цепочке.