НОСИМОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КОЖИ СУБЪЕКТА
WEARABLE DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING ELECTRIC ACTIVITY OF SKIN OF A SUBJECT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к носимому устройству и соответствующему способу для определения электрической активности кожи субъекта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом, регуляция физиологических состояний возбуждения достигается посредством баланса активности в пределах симпатической и парасимпатической частей автономной нервной системы (АНС). В то время как парасимпатическая нервная система способствует восстановлению и сохранению энергии организма, симпатическая нервная система стимулирует увеличение метаболического выделения энергии для решения внешних задач. В этой связи, увеличенная симпатическая активность (симпатическое возбуждение) повышает частоту сердечных сокращений, кровяное давление и потоотделение, а также перенаправляет кровь из интестинального резервуара к скелетным мышцам, легким, сердцу и мозгу в качестве подготовки к двигательному действию. Симпатические постганглионарные волокна, состоящие из безмиелиновых нервных волокон класса С, окружают эккриновые потовые железы, и их активность снижает интенсивность потоотделения. Поскольку пот является слабым электролитом и хорошим проводником, наполнение потовых протоков дает в результате много параллельных путей обмена с малым сопротивлением, тем самым, увеличивая проводимость подаваемого тока. Изменения проводимости кожи на поверхности, называемые электрической активностью кожи (ЭАК), отражают активность в пределах симпатической оси АНС и обеспечивают чувствительную и удобную систему измерений для оценки изменений симпатического возбуждения, соотносимого с эмоциями, когнитивными функциями и вниманием.
Стресс, как правило, определяется как нарушение равновесия вегетативной нервной системы, связанное с состоянием высокой симпатической активации. Поскольку ЭАК определяется исключительно посредством активности симпатической части АНС, которая преобладает в стрессовых ситуациях, тонизирующие параметры ЭАК могут считаться подходящими показателями активности АНС, вызванной стрессом. Кожные реакции автономной нервной системы, такие как потоотделение, пилоэрекция и вазомоторные изменения, таким образом, могут быть вызваны различными эмоциональными состояниями посредством круга Папеца в лимбической системе. В качестве дополнения, широко известно, что привлекающие внимание стимулы и задачи, выполнение которых требует внимания, также вызывают увеличенные реакции ЭАК. Несмотря на усовершенствования измерительного оборудования с момента открытия феномена электрического сопротивления кожи более ста лет назад, большая часть исследований в данной области ограничивается измерениями в результате наблюдений, выполняемыми в течение коротких периодов времени в условиях лаборатории или искусственной клинической среды.
Необходимость наблюдения пациентов в течение длительного времени активизировала интерес к носимым технологиям - малозаметным нательным устройствам, которые можно носить во время обычной повседневной деятельности, с тем чтобы собирать физиологические данные за периоды времени в несколько недель или месяцев. Длительный мониторинг ЭАК даст возможность наблюдения схем симпатического возбуждения и регулирования в масштабе значительно более длительного времени (от нескольких дней до нескольких месяцев), по сравнению с имеющимися исследованиями (от нескольких минут до нескольких часов), и сможет, вероятно, выявить прежде не доступные наблюдению тенденции. В качестве дополнения, продолжительные измерения, производимые в обычных для человека домашних условиях, также обеспечивают более отчетливую картину физиологического состояния указанного человека, чем оценка за короткий период в неестественных условиях клиники. С клинической точки зрения, носимые датчики ЭАК могут применяться в общей психиатрии, дерматологии и неврологии с диагностическими целями и для оценки терапии.
Документ WO 2007/144817 A1 раскрывает устройство для контроля кожного покрова для применения вблизи кожи, включающее в себя соединительное средство устройства обработки данных и по меньшей мере один фотодатчик, выполненный с возможностью выявлять по меньшей мере одну приблизительную длину волны излучения, отраженного и/или испускаемого кожей, в котором предусмотрена схема для приема сигнала для получения сигналов от указанного по меньшей мере одного фотодатчика.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного носимого устройства и соответствующего способа для определения электрической активности кожи субъекта с большей надежностью и точностью.
В первом аспекте настоящего изобретения, предлагается носимое устройство для определения электрической активности кожи субъекта, причем, указанное носимое устройство содержит
- источник излучения для испускания света, в том числе, инфракрасного света с длиной волны в диапазоне между 750 и 950 нм, внутрь тканей указанного субъекта,
- светочувствительный датчик для получения по меньшей мере части испускаемого света после взаимодействия указанного испускаемого света с тканью,
- оценочный блок для определения электрической активности кожи по получаемому свету, и
- основу для размещения указанных источника излучения, светочувствительного датчика и оценочного блока, в котором указанные источник излучения и светочувствительный датчик располагаются на заранее заданном расстоянии друг от друга.
В другом аспекте настоящего изобретения, предлагается соответствующий способ для определения электрической активности кожи субъекта.
2
В противоположность большинству распространенных способов измерения электрической активности кожи (ЭАК) посредством подачи электрического тока внутрь кожи, что является инвазивным путем, в случае устройства и способа, в соответствии с настоящим изобретением, для измерения используется оптический принцип, в частности, с помощью применения инфракрасного света. Данный принцип является пассивным, так как свет, испускаемый внутрь кожи, безвреден. Данный оптический принцип для мониторинга показателей жизненно важных функций, например, частоты сердцебиения, насыщенности крови периферических капилляров кислородом (SpO) и т. д., субъекта является в целом известным и применяется в носимых устройствах, таких как носимые на запястье устройства, пальцевые прищепочные устройства, и т. д. Следовательно, такое известное носимое устройство также может быть модифицировано, как раскрывается в данном документе, чтобы оно было способно определять ЭАК объекта, в частности, посредством использования инфракрасного света в конкретной области спектра. В другом варианте осуществления носимое устройство может быть сконструировано исключительно для этой цели, либо другие существующие носимые устройства могут быть снабжены дополнительными средствами, как раскрывается в данном документе.
Другие недостатки, преодолеваемые с помощью предлагаемого решения, включают в себя изнашивание электродов, необходимых для измерения электрической активности, и помехи электрическим сигналам со стороны волос, чего не происходит в случае оптического датчика, так как волосы в значительной мере являются прозрачными для инфракрасного света.
Пот выступает через проток на поверхность кожи не непрерывно, а скорее в виде пульсации с частотой от 12 до 21 Гц. Ритмичные сокращения миоэпителия, окружающего не только секреторный, но также протоковый участок потовой железы наподобие спирали, считаются источником указанной пульсации.
В соответствии с настоящим изобретением, оценивается конкретная часть инфракрасного спектра, в частности, диапазон длин волн от 750 до 950 нм, в котором, как было обнаружено, прослеживается корреляция между воспринимаемым излучением и электрической активностью кожи субъекта. Данный диапазон длин волн имеет дополнительное преимущество в том, что пульсация сердцебиения менее заметна, так что она не будет создавать помехи для измерительного сигнала, и кроме того, указанный измерительный сигнал не накапливает шум.
В некоторых вариантах осуществления, источник излучения, в частности, источник излучения (например, светодиод) для испускания некогерентного света, светочувствительный датчик (например, фотодиод) и/или оценочный блок (например, процессор) выполнены с возможностью испускать, получать и/или оценивать только инфракрасный свет в диапазоне длин волн от 750 до 950 нм, в частности, в диапазоне длин волн от 775 до 825 нм или с длиной волны 800 нм. Конкретно, было обнаружено, что диапазон длин волн 800 нм (± 50 нм) обеспечивает наилучшие результаты.
В другом варианте осуществления, источник излучения и светочувствительный датчик располагаются на расстоянии (предпочтительно, между их центрами) от 0,5 мм до 5 мм, в частности, от 1 мм до 4 мм, друг от друга. Было обнаружено, что указанное расстояние имеет большое влияние на надежность и точность измерений. Оптимальное расстояние между указанными источником излучения и светочувствительным датчиком, которые предпочтительно расположены так, чтобы они находились в контакте с кожей (или по меньшей мере в непосредственной близости (то есть менее, чем в 2 мм) от кожи), когда носимое устройство находится на теле субъекта, как было обнаружено, составляет около 4 мм. При очень маленьком расстоянии требуемый эффект был слишком мал или даже не поддавался измерению. То же самое относится к гораздо большим расстояниям, когда свет, рассеиваемый или отражаемый кожей и/или тканью, даже не достигнет светочувствительного датчика в достаточном объеме.
В другом варианте осуществления, указанный оценочный блок выполнен с возможностью оценивать интенсивность получаемого излучения для определения электрической активности кожи. Амплитуда измеряемого сигнала (то есть получаемого излучения) связана с ЭАК и, таким образом, предпочтительно применяется для определения ЭАК объекта. Указанная амплитуда получаемых сигналов может, в основном, зависеть от используемого цвета, времени измерения и свойств физического слоя, который создает ЭАК (например, пот). В принципе, результаты спектроскопии могут быть использованы для определения типа пота, допуская возможность различать физические обстоятельства, формирующие ЭАК (эмоции, стресс, спорт и т. д.). В целом, в течение длительного периода времени может быть определена тенденция ЭАК, и может быть использовано пороговое значение, чтобы решить, присутствует ли ЭАК или нет.
Носимое устройство может дополнительно содержать элемент крепления для фиксирования указанного носимого устройства на теле объекта. Варианты элементов крепления могут включать в себя манжету, ремень, наклейку, ленту или клипсу, но и другие варианты также возможны. Кроме того, указанный элемент крепления также может представлять собой внешний элемент, предусмотренный отдельно и/или размещенный с возможностью отсоединения на указанном носимом устройстве.
Более того, указанное носимое устройство может дополнительно содержать интерфейс пользователя для предоставления информации об установленной электрической активности кожи. Такой интерфейс пользователя может, например, включать в себя дисплей или динамик, но также может включать в себя передающее устройство для передачи выходного сигнала на внешнее устройство, такое как компьютер, ноутбук, смартфон, рабочую станцию врача и т. д., для вывода и обработки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данные и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из и изучены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описываемые в дальнейшем в данном документе. На следующих чертежах
Фиг.1 иллюстрирует схематическое изображение первого варианта осуществления носимого устройства, в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг.2 иллюстрирует схематическое изображение второго варианта осуществления носимого устройства, в соответствии с настоящим изобретением,
на Фиг.3 изображена блок-схема способа, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 иллюстрирует схематическое изображение первого варианта осуществления носимого устройства 10, в соответствии с настоящим изобретением, для определения электрической активности кожи субъекта 1. Указанное носимое устройство 10 содержит источник 11 излучения для испускания света, в том числе, инфракрасного света с длиной волны в диапазоне от 750 до 950 нм, внутрь тканей указанного субъекта 1, светочувствительный датчик 12 для получения по меньшей мере части испускаемого света после взаимодействия указанного испускаемого света с тканью, а также оценочный блок 13 для определения электрической активности кожи по получаемому свету. Основа 14, такая как корпус или футляр, предусмотрена для размещения указанных источника 11 излучения, светочувствительного датчика 12 и оценочного блока 13, в котором указанные источник излучения и светочувствительный датчик располагаются на заранее заданном расстоянии друг от друга.
Источник 11 излучения может содержать один (или несколько) светодиод(-ов), например, инфракрасный(-ых) светодиод(-ов), испускающих свет внутрь участка кожи субъекта 1, например, внутрь участка кожи на запястье или лице субъекта. Данный испускаемый свет взаимодействует с тканями субъекта 1 и, в частности, с пульсирующей кровью в указанных тканях. Часть указанного испускаемого света может быть передана через ткани, а часть его может быть отражена. После данного взаимодействия по меньшей мере часть испускаемого света воспринимается с помощью светочувствительного датчика 12, например, фотодатчика.
На основании воспринятого света, в оценочном блоке 13, например, процессоре, извлекается информация об электрической активности кожи субъекта. В частности, изменения интенсивности излучения, воспринимаемые светочувствительным датчиком 12, связываются с электрической активностью кожи. Например, резкое увеличение воспринимаемого светового сигнала, который длится несколько десятых секунды, может быть заметно, если электрическая активность кожи внезапно меняется. Это может быть, в частности, реакцией на пот, накопившийся на данный момент.
Обычно, источник 11 излучения содержит светодиод, который способен работать в импульсном режиме, то есть испускает свет короткими импульсами. Это также может называться режимом высокочастотных пульсаций. Указанный светодиод может работать периодически, например, в течение 0,5 мсек. за период времени в 8 мсек. Непрерывная работа схемы оптических датчиков, в частности, означает работу светодиода в таком импульсном режиме. Как правило, не требуется, чтобы указанный светодиод был включен постоянно. Соображения потребления энергии требуют, чтобы светодиод находился во включенном состоянии как можно меньше. Однако, также возможно, что указанный светодиод работает в непрерывном режиме, то есть всегда включен.
Вариант осуществления носимого устройства 10 представляет собой устройство для ношения на запястье, как изображено на Фиг.1. Указанное носимое устройство 10 размещается, предпочтительно, поверх лучевой артерии на запястье, так как там электрическая реакция кожи является максимальной. Другими предпочтительными местами расположения могут быть мышцы-сгибатели пальцев рук и ног, а также лоб.
Для удерживания носимого устройства 10 на соответствующей части тела объекта указанное носимое устройство 10 дополнительно содержит элемент 15 крепления, который может включать в себя, например, манжету, ремень, наклейку, ленту или клипсу.
Расстояние d между источником излучения и светочувствительным датчиком (которые оба находятся, предпочтительно, в контакте с кожей либо на небольшом расстоянии от кожи, составляющем менее 5 мм, предпочтительно, менее 1 мм). Указанное расстояние d является предпочтительно расстоянием между центрами указанных источника излучения и светочувствительного датчика и составляет от 0,5 мм до 5 мм, в частности, от 1 мм до 4 мм, друг от друга. Оптимальное расстояние d может составлять, например, приблизительно 4 мм. Если указанное расстояние меньше 1 мм, требуемый эффект может отсутствовать или быть недостаточно сильным. Если указанное расстояние больше 5 мм, то свет может рассеяться в коже, и слишком мало света достигнет светочувствительного датчика.
Фиг.2 иллюстрирует схематическое изображение второго варианта осуществления носимого устройства 10', в соответствии с настоящим изобретением. Согласно данному варианту осуществления, потоотделение (электрическая активность кожи) измеряется не только с помощью одной длины волны (или диапазона длин волн), в частности, инфракрасной длины волны, но посредством по меньшей мере второй длины волны (или диапазона длин волн). С этой целью, указанное носимое устройство 10' содержит по меньшей мере второй источник 11' излучения для испускания света со второй длиной волны (или диапазоном длин волн), например, в диапазоне длин волн зеленого света. Таким образом, более разнообразное содержание спектра пота может рассматриваться, и могут быть дополнительно измерены и другие свойства пота, например, содержание соли.
Преимущество использования многоцветного подхода состоит в устойчивости к различным артефактам, например, артефактам движения. В таких случаях, все интервалы длины волны носимого устройства будут представлять один и тот же артефакт, и указанное носимое устройство будет выполнено с возможностью отфильтровывать эти данные.
Со стороны каждого источника излучения 11, 11', не только единственный элемент может быть предусмотрен, но два или несколько элементов одного типа могут быть предусмотрены, чтобы увеличить количество света, испускаемого внутрь тканей.
В другом варианте осуществления, предусматривается одиночный источник излучения для испускания света в широком (полном) спектре, в котором светочувствительный датчик 12 выполнен с возможностью воспринимать только свет требуемой(-мых) части(-тей) спектра и/или в котором оценочный блок выполнен с возможностью оценивать только свет требуемой(-мых) части(-тей) спектра.
Кроме того, в варианте осуществления, изображенном на Фиг.2, носимое устройство 10' дополнительно содержит интерфейс 16 пользователя для вывода информации об определяемой электрической активности кожи, например, значения, характеризующего интенсивность указанной электрической активности кожи, или показателя, означающего тенденцию (например, повышение, падение, стабильность и т. д.) указанной интенсивности электрической активности кожи. Такой интерфейс может включать в себя дисплей. В других вариантах осуществления может быть предусмотрен блок передачи данных для передачи указанной информации на другую структурную единицу, например, на смартфон, рабочую станцию, компьютер и т. д., для вывода или дальнейшей обработки.
Само носимое устройство может размещаться на других участках кожи (например, на лбу или ступне), которые дают выраженную ответную реакцию на эмоции в виде потоотделения. Кроме того, указанное носимое устройство также может быть встроено в предметы одежды, такие как шлемы (для спортсменов), головные повязки, перчатки, украшения, очки (например, защитные очки), внутри бюстгальтера или подошву чулочно-носочных изделий (так как нижняя часть ступни также дает хорошую ответную реакцию на эмоции в виде потоотделения).
Носимое устройство может размещаться на лучевой артерии. Поскольку устройство, носимое на запястье, представляющее собой указанное носимое устройство, может изменять свое положение во время ношения, могут быть предприняты некоторые дополнительные меры для сохранения одного и того же местоположения измерений. Например, указанное устройство, носимое на запястье, может быть плотно закреплено. Кроме того, может применяться мультисенсорный подход, когда несколько датчиков выполняют измерения вокруг лучевой артерии и выбирается самый лучший сигнал. Данный вариант осуществления может быть дополнительно усовершенствован с помощью камеры, находящейся в контакте с кожей.
Настоящее изобретение ориентировано на то, чтобы выявлять жидкий слой или гальваническую реакцию кожи. Это качество человеческого тела, вызывающее постоянные изменения в электрических характеристиках кожи. Традиционно, электрическая активность кожи также была известна как электропроводность кожи, кожно-гальванический рефлекс (англ. GSR), электрическая реакция кожи (англ. EDR), психо-гальванический рефлекс (англ. PGR), рефлекторное изменение электрического сопротивления кожи (англ. SCR), а также уровень электропроводности кожи (англ. SCL).
Некогерентный свет испускается внутрь кожи (предпочтительно, посредством одного или нескольких светодиодов). Указанный свет предпочтительно выбирается с длиной волны инфракрасного света, при котором пульсация сердцебиения менее заметна. Предпочтительный диапазон длин волн составляет от 750 до 950 нм, в частности, диапазон длин волн от 775 до 825 нм или при длине волны 800 нм. При данном выборе свет не создает помехи для измерений. Указанная длина волны также не должна варьироваться, так как сигнал будет накапливать шум, который будет меньше 900 нм. Выяснилось, что 800 нм (плюс-минус 50 нм) является хорошим выбором.
На Фиг.3 изображена блок-схема способа, в соответствии с настоящим изобретением, для определения электрической активности кожи субъекта. На первом этапе S10, излучение, включающее в себя инфракрасный свет в диапазоне длин волн от 750 до 950 нм, испускается внутрь кожи субъекта. На втором этапе S12, по меньшей мере часть испускаемого света воспринимается после взаимодействия указанного испускаемого света с тканями. На третьем этапе S14, электрическая активность кожи определяется по воспринятому свету.
В пунктах Формулы изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а использование существительных в единственном числе не исключает множественность. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких узлов, перечисленных в пунктах Формулы изобретения. Тот факт, что некоторые меры упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах, не означает того, что сочетание данных мер не может использоваться с выгодой.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем энергонезависимом носителе, таком как оптическое запоминающее устройство или твердотельный носитель информации, поставляемом вместе с или как часть другого оборудования, но также может распространяться в других формах, например, посредством Интернет или других проводных или беспроводных телекоммуникационных систем.
Любые ссылочные позиции в пунктах Формулы изобретения не следует толковать как ограничивающие объем изобретения.