ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ БОДРСТВОВАНИЯ ПО СИГНАЛАМ ЭЛЕКТРОДЕРМАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
TELEMETRIC SENSOR FOR CONTROLLING WAKEFULNESS ON ELECTRODERMAL ACTIVITY SIGNALS

Изобретение относится к медицинскому приборостроению и может быть использовано при конструировании носимых элементов контроля функционального состояния оператора.
Известно, что электродермальная активность (ЭДА) является достоверным показателем психоэмоционального состояния человека и имеет ряд технических применений, в частности, для контроля бодрствования оператора. Так, в промышленную эксплуатацию введена телеметрическая система контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ), разработки ЗАО «НЕЙРОКОМ». Телеметрический датчик на браслете предназначен для получения информации об относительном изменении электрического сопротивления кожи и передачи по радиоканалу в цифровом виде на приемник (http://www.neurocom.ru/ru2/rail/tskbm.html). Изменение электрического сопротивления происходит в результате импульсного выброса микроскопического количества пота потовой железой. Именно этот импульс и является полезным сигналом, который анализируется в алгоритме ТСКБМ. Регистрация ЭДА на руке осуществляется посредством двух выпуклых электродов овальной формы, которые прилегают к запястью и прикрепляются с помощью браслета или ремешка по типу часового.
Известно устройство для многоканальной регистрации специфических сигналов ЭДА - кожно-гальванической реакции (КГР). КГР на ладонной поверхности руки (RU №137669 U1, Центр ТЭС, 27.02.2014 - прототип). Устройство содержит многоканальный блок датчиков в узлах решетки с числом датчиков не менее пяти, многоканальный АЦП, блок определения величины запаздывания КГР в разных точках ладони и блок выявления сигнала с максимальным уровнем, блок визуализации и регистрации. Прижим матрицы датчиков, размещенных на перчатке, осуществляется пневматической манжетой, референтный электрод закрепляется на запястье той же руки, на которую надета перчатка. Датчики потенциалов кожи располагаются в матрице в 5 рядов, 18 датчиков потенциалов кожи располагаются на ладонной поверхности с шагом 10 мм, еще 3 датчика потенциалов кожи - на проксимальной фаланге пальцев со второго по четвертый, а референтный электрод 2 располагается на запястье той же руки. Однако это устройство предназначено для исследовательских целей, а выходной сигнал чувствителен к силе поджатия пневматической системы, а, кроме того, не ставится задача повышения помехозащищенности выходного сигнала.
Наиболее близким к патентуемому является телеметрический датчик, описанный в патенте (RU №2376159 С1, НЕЙРОКОМ, оп. 20.12.2009 - прототип). Датчик для запястья машиниста содержит браслет по типу браслета для наручных часов, к которому присоединен собственно чувствительный узел телеметрического датчика - два электрода для контакта с кожным покровом машиниста при надевании на руку. Элементы радиосхемы (АЦП, приемопередатчик и антенна) размещены в корпусе датчика.
Недостатком устройства является получение на выходе значения сигнала КГР, характеризующего невысокое  отношение сигнал-шум.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы формирования устойчивого сигнала КГР с повышенным отношением сигнал/шум, который может быть успешно использован в системах контроля бодрствования.
Патентуемый телеметрический датчик для контроля бодрствования по сигналам электродермальной активности содержит браслет для запястья оператора, на внутренней поверхности которого закреплены электроды для регистрации кожно-гальванической реакции, связанные с источником тока и микропроцессорным блоком обработки сигналов, установленными в корпусе, который размещен на наружной поверхности браслета, радиоканал связи со средствами поддержания бодрствования.
Отличие состоит в том, что электроды размещены на противолежащих поверхностях браслета, один из электродов является референтным, выполнен частично охватывающим запястье и размещен со стороны корпуса с возможностью прилегания к дорсальной поверхности руки и гальванического контакта с ней, а другой - в форме матрицы независимых электродов с возможностью гальванического контакта с внутренней поверхностью запястья. Независимые электроды подключены через индивидуальные источники тока и мультиплексор к блоку обработки сигналов с возможностью периодического опроса элементов матрицы с выделением сигнала с наибольшей амплитудой для управления средствами поддержания бодрствования.
Датчик может характеризоваться тем, что референтный электрод выполнен частично охватывающим запястье не менее чем на 0,5 периметра, а также тем, что площадь референтного электрода составляет 10-50 кв. см.
Датчик может характеризоваться также тем, что матрица независимых электродов выполнена на гибкой подложке из диэлектрического материала, электроды имеют преимущественно квадратное сечение площадью 1-5 кв. мм с зазорами между электродами - 0,5-2 мм при общем числе электродов 25-35 штук, а также и тем, что отношение площади единичного электрода матрицы к площади референтного электрода составляет 0,001 и ниже.
Технический результат - повышение отношения сигнал/шум за счет оптимизации топологии измерительных электродов, а также уменьшение разрядности измерительного АЦП.
В основе изобретения лежат следующие положения, установленные заявителем. Известно, что каждая потовая железа в теле человека состоит из потового протока, который открывается наружу потовой порой. Сигнал КГР характеризуется скачкообразным изменением проводимости/электрического сопротивления, регистрируется между референтным электродом, контактирующим с телом человека, и измерительным электродом, размещенным на поверхности кожи, где присутствуют потовые поры, при пропускании через электроды электрического тока.
Ниже дана оценка регистрации сигнала КГР при использовании малого (м) и большого (б) измерительных электродов при наличии референтного электрода неизменной площади, когда регистрируются скачки проводимости (А) или скачки электрического сопротивления (Б).
gм
gб
эб
эм
А. При сравнении скачков проводимости при открытии потовой железы для малого (м) и большого (б) электродов отношение относительных скачков имеет вид: γ/γ=S/S, так как:
g
э0
эж
э0
γ=(G-G)/G,
э0
s
э
G=g⋅S,
эж
s
э
ж
ож
ж
G=g⋅(S-S)+g⋅S,
g
эж
э0
γ=1-G/G,
g
ж
э
ож
s
γ=S/S⋅(1-g/g),
s
2
где g - удельная проводимость кожи с закрытой потовой железой (См/см);
ож
2
g - удельная проводимость в области открытой потовой железы (См/см);
э
2
S - площадь электрода (см);
ж
2
S - площадь железы (см);
э0
G - проводимость под электродом с закрытой потовой железой (См);
эж
G - проводимость под электродом с открытой потовой железой (См);
g
γ - отношение изменения проводимости к ее начальному значению.
ож
s
g
ж
э
ож
s
При g>>g, а так всегда и бывает, поскольку пот имеет гораздо большую проводимость (раствор соли в воде), чем эпидермис, то отношение изменения проводимости к ее начальному значению имеет вид: γ=S/S⋅g/g.
ρм
ρб
эб
эм
Б. При сравнении скачков сопротивления при открытии потовой железы для малого (м) и большого (б) электродов отношение относительных скачков имеет вид: γ/γ=S/S, так как:
ρ
э0
эож
э0
γ=(R-R)/R,
э0
s
э
R=ρ/S,
эж
э
ж
s
ж
ож
1/R=(S-S)/ρ+S/ρ),
ρ
эож
э0
γ=1-R/R,
ρ
ж
э
s
ож
γ=S/S⋅(1-ρ/ρ),
s
2
где ρ - удельное сопротивление кожи с закрытой потовой железой (Ом/см);
ож
2
ρ - удельное сопротивление в области открытой потовой железы (Ом/см);
э
2
S - площадь электрода (см);
ж
2
S - площадь железы (см);
э0
R - сопротивление электрода отн. тела с закрытой потовой железой (Ом);
эож
R - сопротивление электрода отн. тела с открытой потовой железой (Ом);
ρ
γ - отношение изменения сопротивления к его начальному значению.
s
ор
ρ
ж
э
s
ож
При ρ>>ρ, а так всегда и бывает, поскольку пот имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем эпидермис, то отношение изменения сопротивления к его начальному значению имеет вид: γ=S/S⋅ρ/ρ.
-5
-3
Вышеприведенный анализ показывает, что если под электродом находится одна потовая железа и она там присутствует при изменении размеров электрода, то уменьшение площади электрода в N раз увеличивает скачок проводимости или сопротивления так же в N раз. Минимальная относительная величина скачка при измерениях КГР, которую необходимо зарегистрировать, составляет γ=10, что требует применения АЦП с 18 эффективными разрядами. При разумном разбиении площади электрода, например 10 на 10 частей, выигрыш в скачке составляет 100 раз (γ=10), а разрядность измерительного АЦП возможно уменьшить с 18 до 11.
s
2
2
-3
Ограничением для уменьшения площади электрода является тепловой шум сопротивления электрода с закрытой потовой железой, при котором скачок напряжения сравнивается со среднеквадратичной величиной шумов. В рассмотренном выше случае при типичном значении ρ=100 кОм/см и исходном размере электрода 1 см сопротивление с малым электродом увеличится до величины 10 МОм. Это соответствует среднеквадратичной величине тепловых шумов около 1 мкВ в полосе 8 Гц. При допустимом измерительном напряжении 1 В между электродами скачок напряжения при γ=10 составит 1 мВ, что на три порядка больше уровня тепловых шумов.
Фактически, измерительное устройство будет ограничиваться шумами объекта, которые как минимум не изменяются с уменьшением площади электрода, а в действительности пропорциональны ей, т.е. уменьшаются с уменьшением площади электрода. Полезный же сигнал КГР (скачок) обратно пропорционален площади, т.е. увеличивается с уменьшением площади электрода, что свидетельствует об очевидном выигрыше в отношении сигнал/шум.
Соответственно, при правильном построении схемы измерения становится возможным в несколько раз повысить точность фиксации сигнала КГР. Такой технический результат не следует явным образом из рекомендаций уровня техники делать электрод для анализа электрических свойств биологических объектов секционированным, поскольку эти рекомендации направлены на решение других задач.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 представлена блок-схема датчика;
фиг. 2 - топология размещения электродов на внутренней поверхности браслета;
фиг. 3 - блок-схема блока регистрации сигналов КГР.
На фиг. 1 представлена блок-схема телеметрического датчика. Датчик 1 выполнен в виде надеваемого на руку оператора браслета 10, имеющего наружную 11 и внутреннюю 12 поверхности. На наружной поверхности 11 браслета в корпусе 13 размещены источник тока, микропроцессорный блок обработки сигналов, элементы радиоканала связи со средствами поддержания бодрствования. На внутренней 12 поверхности браслета 10 на противолежащих поверхностях друг напротив друга размещена пара электропроводящих электродов 21, 22 для регистрации КГР. Электроды 21 и 22 размещены таким образом, чтобы между ними обеспечивалась гальваническая развязка 23, в простейшем случае реализации - это свободные от электродов части пластикового ремешка или вставки из неэлектропроводного материала. Электроды 21 и 22 имеют разную площадь и конструктивное исполнение.
Электрод 21 является референтным, выполнен частично охватывающим запястье не менее чем на 0,5 периметра со стороны дорсальной поверхности руки с возможностью прилегания к коже и обеспечения с ней гальванического контакта. Площадь электрода 21 может составлять 25-50 кв.см или более при ширине браслета 10 около 3 см. Электрод 21 размещен симметрично относительно корпуса 13.
Электрод 22 выполнен в форме матрицы 221 независимых электродов 222 (фиг. 2), подключенных отдельными проводниками к блоку 30 обработки сигналов. Проводники, связывающие электроды 222 со схемой регистрации, размещаются в теле браслета 10.
Блок 30 обработки сигналов выполнен с возможностью периодического опроса электродов 222 матрицы с выделением сигнала с наибольшей амплитудой для управления средствами поддержания бодрствования.
Более подробно схема регистрации сигналов КГР приведена на фиг.3. Каждый независимый электрод 222 подключен к одному полюсу индивидуального генератора 31 тока, другой полюс которого подключен к общему референтному электроду 21. Число генераторов 31 тока совпадает с числом электродов 222 матрицы.
Управляющие входы микроконтроллера 32 подключены к генераторам 31 тока и обеспечивают циклическую подачу измерительного тока между каждым электродом 222 матрицы 221. Одновременно выходной сигнал от каждого генератора 31 тока, снимаемый с нагрузочного резистора и пропорциональный КГР, поступает на входы мультиплексора 33. С выхода мультиплексора 33 сигнал поступает на вход модуля 34 выделения наибольшего по амплитуде сигнала, который формирует сигнал бодрствования по параметрам КГР в блоке 35 поддержания бодрствования.
Матрица 221 независимых электродов 222 может быть выполнена на гибкой подложке из диэлектрического материала и конструктивно образована непосредственно в теле наручного браслета. Площадь единичного электрода 222 составляет несколько кв. мм, преимущественно 1-5 кв. мм. Электроды 222 удобно выполнить квадратного сечения с зазорами между электродами 0,5-2 мм и разместить рядами. Общее число электродов 222 может составлять 25-35 штук. Электроды могут располагаться, например, тремя рядами, как показано на фиг. 2.
-3
Например, если площадь единичного электрода 222 составляет около 5 кв. мм, а электрода 21 - около 3000 кв. мм (длина 100 мм, ширина 30 мм), то отношение составляет около 10. Для лучшего результата следует стремиться к еще большему уменьшению указанного отношения, но путем снижения площади именно единичного электрода 222, вплоть до размера устья потовой железы.
Выполнение микропроцессорного блока обработки сигналов, радиоканала связи со средствами поддержания бодрствования и самих средств поддержания бодрствования известно из уровня техники и как не характеризующее изобретение в настоящем описании не приводится.
Устройство работает следующим образом.
Браслет надевается на руку оператора так, чтобы корпус 13 с референтным электродом 21 находился со стороны дорсальной (наружной) поверхности запястья, в этом случае матрица 221 электродов 222 окажется на внутренней стороне запястья. При подключении блока 30 обработки сигналов проводится циклический опрос токовых сигналов КГР с электродов 222 посредством мультиплексора 33.
Затем в модуле 34 проводится выделение наибольшего по амплитуде сигнала, по которому в соответствии с алгоритмами «параметры сигналов КГР - состояние бодрствования», разработанными ЗАО «НЕЙРОКОМ» и используемыми в серийно выпускаемой продукции (см. http://www.neurocom.ru/ru2/auto/vigiton.html), реализуется целевое назначение телеметрического датчика в составе «Телемеханическая Система Контроля Бодрствования Машиниста», «Система поддержания работоспособности водителя» и др.
Повышение отношения сигнал/шум за счет оптимизации подбора топологии измерительных электродов позволяет повысить надежность систем контроля психофизиологического состояния оператора.