Способ регистрации кожно-гальванических реакций и устройство для его осуществления. Физиологические механизмы и параметры кожно-гальванической реакции

5. «СЕНСОРНО-МОТОРНАЯ РЕАКЦИЯ. ДВИГАТЕЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ БОКСЕРА НА ПОЯВЛЕНИЕ ВНЕШНЕГО РАЗДРАЖИТЕЛЯ» В скоростном исполнении удара важная роль отводится на то, как боксер реагирует на появление внешнего раздражителя (звук, сигнал,загорание лампочки на динамометре перед

Рис. 2. 22. Физическая основа окулограммы. Глазное яблоко действует как миниатюрная батарея, при его повороте полюса этой бата­реи изменяют положение относительно электродов, помещенных около глаз. Регис­трируются изменения электрического потен­циала, по которому можно судить об угле по­ворота глаз (Хэссет, 1981).

Электроокулография (ЭОГ) - метод регистрации электрической активно­сти, возникающей при движении глаз. Роговица глаза имеет положительный заряд относительно сетчатки, что со­здает постоянный потенциал, кото­рый называется корнеоретинальным потенциалом. При изменении поло­жения глаза происходит переориента­ция этого потенциала (рис. 2.22), ко­торая фиксируется прибором.

При записи с помощью усилите­ля постоянного тока можно полу­чить информацию об ориентации глаз, при использовании усилителя переменного тока - только запись движений глаз.

Рис. 2.23. Места расположения электродов для окулограммы.

Перед записью производят калиб­ровку, определяя диапазон возмож­ных сдвигов. Для этого испытуемого просят смотреть вперед, вверх, вниз, в стороны. Линия на ЭОГ в тот момент, когда взгляд неподвижен и направлен вперед, принимается за нулевую. При­меняются очень небольшие электро­ды, располагающиеся в точках, пока­занных на рис. 2.23. Кожу и электро­ды подготавливают так же, как при электроэнцефалографии.

Электроокулография наиболее

эффективна в совокупности с другими методами. При оценке ЭЭГ, напри­мер, она позволяет вычленять артефакты, обусловленные движением глаз.

Кожно -гальваническая реакция

Электрическая активность кожи - кожно-гальваническая реакция (КГР) - определяется двумя способами. Первый, предложенный С. Фере (Fere) в 1888 г., представляет собой измерение кожного сопротивления. Второй - измерение разности потенциалов между двумя точками на поверхности кожи - связан с именем И.Р. Тарханова (1889).

Сопоставление КГР, измеренных по методу Фере и по методу Тарханова, привело к выводу, что изменения разности кожных потенциалов и кожного сопротивления отражают одну и ту же рефлекторную реакцию, фиксируемую в различных физических условиях (Кожевников, 1955). Изменения сопротив­ления всегда представляются однофазной волной уменьшения исходного кожного сопротивления. Изменения кожных потенциалов могут выражать­ся в виде волн различной полярности, часто многофазных. Согласно Р. Эдель-бергу (Edelberg, 1970), разность потенциалов кожи включает эпидермальный компонент, не связанный с активностью потовых желез, тогда как проводи­мость кожи его не имеет, то есть отражает состояние потовых желез.

При измерении кожного сопротивления с внешним источником тока, присоединенным отрицательным полюсом к ладони, латентный период из­менения сопротивления оказывается на 0,4-0,9 сек больше, чем скрытый пе­риод изменений разности потенциалов. Динамические характеристики фа-зической КГР достоверно отражают быстропротекающие процессы в ЦНС. Характер и форма тонического компонента являются индивидуальными по­казателями и не обнаруживают чет­кой зависимости от типа деятельно­сти (Кузнецов, 1983).

Рис. 2. 24. Изменение физиологических фун­кций испытуемого при наступлении дремоты (а) и при пробуждении (б). 1,2 - ЭЭГ, отведения 0, и 0 2 (левое и правое полушария соответственно); 3,4 - КГР ле­вой и правой руки; 5 - сейсмоактограмма (сигналы появляются при постукивании ис­пытуемым по датчику пальцем); 6 - ЭКГ (Леутин, Николаева, 1989).

В возникновении КГР участвуют два главных механизма: периферичес­кий (свойства самой кожи, в том чис­ле активность потовых желез) (Biro, 1983) и передаточный, связанный с активирующим и пусковым действием центральных структур (Lader, Motagu, 1962). Различают спонтанную КГР, развивающуюся при отсутствии внеш­него воздействия, и вызванную - от­ражающую реакцию организма на внешний стимул.

Для регистрации КГР использу-

ют неполяризующиеся электроды, накладываемые обычно на ладон­ную и тыльную поверхность рук, кончики пальцев, иногда - на лоб или ступни ног.

Наиболее эффективна КГР в со-

четании с другими методами при оценке эмоционального состояния испы­туемых (рис. 2.24).

Все описанные методы получения психофизиологической информации имеют свои достоинства и недостатки. Одновременное использование сра­зу нескольких из них в одной экспериментальной ситуации позволяет по­лучить более надежные результаты.

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, в частности к способам и устройствам для диагностики состояния живого организма по электрической проводимости кожи, может быть использовано в экспериментальной и клинической медицине, а также в психофизиологии, педагогике и спортивной медицине. Изобретение позволяет устранить помехи, обусловленные артефактами движения человека, а также вызванные небиологическими причинами (различными электрическими помехами и аппаратурными шумами). Способ характеризуется тем, что анализируют форму каждого импульса в последовательности импульсов в полосе частот фазической составляющей. Для этого регистрируют первую и вторую производные по времени от логарифма электрической проводимости кожи. Определяют величину тренда, обусловленного тонической составляющей, и корректируют величину первой производной, вычитая из нее величину тренда. Далее определяют время прихода импульса первой производной в момент превышения величинной второй производной пороговой величины, а затем анализируют форму упомянутого импульса. При удовлетворении параметров этой формы установленным критериям относят упомянутый импульс к импульсам фазической составляющей, а при невыполнении - к артефактам. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 6 ил.

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 (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 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 . В другом известном устройстве относительный уровень фазической составляющей по сравнению с тонической составляющей электродермальной активности выделяется схемой, содержащей на выходах соответствующих усилителей фильтры верхних и нижних частот, а также схему деления. Следует отметить, что в упомянутых выше способе и устройствах для регистрации кожно-гальванической реакции не предусматриваются средства для анализа самих импульсов фазической составляющей, в то время как они могут дать дополнительную информацию о состоянии испытуемого. Наиболее близким к заявляемому способу является способ регистрации кожно-гальванической реакции, реализованный в устройстве . Способ предусматривает 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. Прототипом устройства для регистрации кожно-гальванических реакций является устройство, реализующее вышеупомянутый способ . Оно имеет электроды со средствами их крепления к коже, подключенные к входному устройству, средства для выделения сигналов в полосах частот фазической и тонической составляющих электродермальной активности, средства для детектирования импульсов фазической составляющей, средства для уменьшения амплитуды импульсных помех, а также блок регистрации. Однако вышеупомянутые способ и устройство не свободны от артефактов, которые накладываются на временную последовательность сигналов КГР и сходны с импульсами фазической составляющей. Эти артефакты являются, например, следствием неконтролируемых движений человека при регистрации (т.н. артефакты движения (АД)). В сигнале могут появляться также шумы из-за изменения контактного сопротивления между, электродами и кожей человека. Упомянутые выше помехи, включая АД, могут иметь характеристические частоты, сравнимые с фазической составляющей, что ставит их выявление и учет в особую проблему. Ранее эта проблема решалась установкой специальных датчиков, в дополнение к электродермальным, на тело человека, что усложняет эксперимент (R.NICULA.- "Psychological Correlates of Nonspecific SCR", - Psychophysiology; 1991, vol.28. No l, p.p. 86-90). Кроме того, тоническая составляющая имеет минимальные характерные времена порядка нескольких минут. Эти изменения необходимо учитывать, особенно в тех случаях, когда амплитуда и частота фазической составляющей понижены, а тонические изменения максимальны. Такой процесс характерен и при аппаратном дрейфе измерительного тракта, и может быть ошибочно интерпретирован как информационный сигнал. Задачей настоящего изобретения является создание способа регистрации КГР и устройства для его осуществления, свободных от помех, обусловленных артефактами движения человека, а также помех, вызванных небиологическими причинами (техногенными и атмосферными электрическими разрядами и аппаратурными шумами). Эта задача решается без использования каких-либо дополнительных приспособлений, аналогичных описанным в вышеупомянутой работе R.NICULA. Информация о помехах извлекается непосредственно из самого сигнала КГР, и в основе методики лежит подробный анализ формы каждого электрического импульса в последовательности импульсов, поступающих с электродов. Известно, что импульс фазической составляющей представляет собой спонтанное кратковременное повышение проводимости кожи с последующим возвратом к исходному уровню. Такой импульс обладает специфической асимметрией формы: имеет крутой передний и более пологий задний фронты (см. "Principles of Psychophysiology. Physical, Social, And Inferential Elements". Ed. John T. Cacioppo and Louis G. Tassinary. Cambridge University Press, 1990, p.305). Для определения искомых параметров этого импульса КГР производится дифференцирование логарифма входного сигнала (например, с помощью аналогового дифференциатора). Патентуемый способ включает 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. Способ характеризуется тем, что анализируют форму каждого импульса в последовательности импульсов в полосе частот фазической составляющей. Для этого 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. Далее 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. При наличии такого соответствия относят анализируемый импульс к импульсам фазической составляющей, а при отсутствии - относят к артефактам. Величина тренда может определяться как среднее значение первой производной за интервал времени, характерный для тонической составляющей, преимущественно от 30 до 120 с. Кроме того, величина тренда может определяться как среднее значение первой производной за интервал времени 1-2 с при условии, что величины первой и второй производных меньше заданных пороговых значений в течение этого интервала времени. Временем прихода импульса первой производной может считаться момент, когда вторая производная превышает пороговое значение по меньшей мере на 0,2%. При определении формы импульса регистрируют значения максимальной (f MAX) и минимальной (f min) величин первой производной за вычетом величины тренда, их отношение r, интервал времени (t x) между минимумом и максимумом первой производной. При этом моменты достижения максимальной и минимальной величин первой производной определяются по моменту смены знака второй производной. Критериями принадлежности анализируемого импульса к сигналу фазической составляющей электродермальной активности могут являться следующие неравенства (для фильтрованного сигнала): 0,5 < f MAX < 10; -2 < f min < -0,1; 1,8 < t x < 7; 1,5 < r < 10 Вышеприведенные существенные признаки патентуемого способа обеспечивают достижение технического результата - повышения помехозащищенности регистрации кожно-гальванической реакции в условиях реальных помех различного происхождения, а также артефактов движения самого испытуемого. Ниже описанные средства для реализации способа могут быть выполнены как приборным, так и программным путем и их сущность ясна из приведенного описания. Устройство для регистрации кожно-гальванических реакций содержит электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, средства для подавления импульсных помех, средства для выделения сигналов в полосах частот фазической и тонической составляющих электродермальной активности, средства для детектирования импульсов фазической составляющей и блок регистрации. Средства выделения сигнала в полосах частот тонической и фазической составляющих, средства для подавления импульсных помех и средства для детектирования импульсов фазической составляющей выполнены в виде последовательно подключенных к входному устройству фильтра нижних частот, блока преобразования логарифма входного сигнала в первую и вторую производные по времени и блока анализа формы импульсов, при этом выход последнего подключен к входу блока регистрации. Входное устройство может представлять собой стабилизированный источник электрического напряжения и резистор, подключенные последовательно к электродам, логарифмирующий усилитель с дифференциальным входным каскадом, при этом резистор шунтирует входы логарифмирующего усилителя. Блок преобразования логарифма входного сигнала в первую и вторую производные по времени может быть выполнен в виде первого и второго дифференциаторов и фильтра нижних частот, при этом выход первого дифференциатора подключен к входам второго дифференциатора и фильтра нижних частот, выходы которых являются выходами блока. Блок анализа формы может включать средства для определения максимальной скорости изменения проводимости на переднем и заднем фронтах анализируемого импульса, средства для определения асимметрии его формы, средства для определения ширины импульса, средства для сравнения упомянутых величин с установленными пределами для выработки сигнала принадлежности анализируемого импульса сигналу фазической составляющей электродермальной активности. Блок преобразования входного сигнала в первую и вторую производные по времени от его логарифма и блок анализа формы импульсов могут быть выполнены на базе компьютера, подключенного к входному устройству через аналого-цифровой преобразователь. По сведениям, которыми располагают изобретатели, технический результат - повышение достоверности при выделении импульсов фазической составляющей очевидным образом не следует из сведений, содержащихся в уровне техники. Изобретателям не известен источник информации, в котором бы раскрывалась применяемая методика анализа формы сигнала, позволяющая разделять полезные сигналы импульсов фазической составляющей и артефакты, в том числе обусловленные движениями испытуемого. Отмеченное позволяет считать изобретение удовлетворяющим условию патентоспособности "изобретательский уровень". В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих изобретения, вариантов его осуществления. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для регистрации кожно-гальванических реакций в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 - реальный пример формы исходного сигнала (a) и результаты его обработки устройством по изобретению (b, c, d); на фиг. 3 - аппаратная реализация блока анализа формы импульса; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие функционирование блока анализа формы; на фиг. 5 - пример реализации блока синхронизации; на фиг. 6 - пример компьютерной реализации устройства с использованием цифровой обработки сигнала; Патентуемый способ регистрации кожно-гальванической реакции удобно пояснить на примерах функционирования устройств для его реализации. Устройство для регистрации кожно-гальванической реакции (фиг.1) включает входное устройство 1, подключенное к электродам 2, 3 для присоединения к коже 4 человека. Электроды могут быть выполнены в различных вариантах, например в виде двух колец, браслета на запястье и кольца, браслета с двумя электрическими контактами. Единственное требование к ним: электроды должны обеспечивать стабильный электрический контакт с кожей испытуемого. Электроды 2, 3 подключены к стабилизированному источнику напряжения 5 через резистор R 6, а сам резистор подключен к входу дифференциального логарифмирующего усилителя 7, выход которого является выходом входного устройства 1 и подключен к входу фильтра 8 нижних частот. Выход фильтра 8 подключен к входу первого дифференциатора 9. Выход последнего подключен к входу второго дифференциатора 10, выход которого подключен ко входу 11 блока 12 анализа формы импульса. Кроме того, выход первого дифференциатора 9 подключен непосредственно к блоку 12 через вход 13, а также через фильтр 14 нижних частот к другому входу 15 блока 12 анализа формы. Сигнал с выхода упомянутого фильтра 14 нижних частот используется в блоке 12 для компенсации тонической составляющей КГР. Частота среза фильтра 8 нижних частот составляет около 1 Гц, а частота среза фильтра 14 нижних частот - около 0,03 Гц, что соответствует верхним границам полос частот фазической и тонической составляющих ЭДА. Выход блока 12 анализа формы импульса подключен к блоку регистрации 16. Изобретение может быть реализовано как аппаратным, так и программным путем. И в том, и в другом случаях анализ формы импульсов фазической составляющей ЭДА, позволяющий отделить их от артефактов движения и помех, проводится с использованием характерных параметров сигнала, которые затем сопоставляются с допустимыми пределами. К числу этих характерных параметров относятся: максимальная крутизна переднего и заднего фронтов импульса: выражается как максимальная (f MAX) и минимальная (f min) величины первой производной логарифма входного сигнала (за вычетом тренда); ширина t x импульса, определяемая как интервал времени между моментами достижения максимального и минимального значений первой производной; отношение абсолютных величин первой производной (за вычетом тренда) в максимуме и минимуме: r = |(f MAX)|/|(f min)|. Это значение г является мерой асимметрии анализируемого импульса. Таким образом, условиями отнесения анализируемого импульса к импульсу фазической составляющей ЭДА, а не к артефактам движения и помехам, являются неравенства: m 1 < f MAX < m 2 ; m 3 < f min < m 4 ; r 1 < r < r 2 ;
t 1 < t x < t 2 "
где
m 1 , m 2 - наименьшее и наибольшее допустимые значения первой производной (за вычетом тренда) в максимуме, %/с;
m 3 , m 4 - наименьшее и наибольшее допустимые значения первой производной (за вычетом тренда) в минимуме, %/с;
t 1 , t 2 - минимальное и максимальное время между экстремумами первой производной, с;
r 1 , r 2 - минимальная и максимальная величина отношения r. Установлено, что эти пределы сильно варьируют как от одного испытуемого к другому, так и для одного и того же лица при различных измерениях. Вместе с тем, при статистической обработке результатов исследований было установлено, что от 80 до 90% сигналов относятся собственно к сигналам КГР, если используются следующие числовые значения пределов: m 1 =0,5, m 2 =10, m 3 =-2, m 4 = - 0,1, t 1 =1.8, t 2 =7, r 1 =1,5, r 2 =10. На фиг. 2 представлен пример обработки реального сигнала КГР. На кривой a показана форма сигнала - U = 100ln (I изм) на выходе логарифмического усилителя 7; на кривой b - первая U", а на кривой c - вторая U" производные показанного на кривой a сигнала. Поскольку схемой предусмотрено логарифмирование сигнала, то после дифференцирования в элементах 9 и 10 численные значения производных сигнала U" и U"" имеют размерность %/с и %/с 2 соответственно. Там же на фиг. 2 кривой d представлен результат распознавания сигнала КГР на фоне тренда и помех по патентуемому изобретению. Метками S 1 и S 2 показаны сигналы, соответствующие времени появления импульсов фазической составляющей. Обращает на себя внимание тот экспериментальный факт, что внешне сходный с помеченными метками S 1 и S 2 импульс в интервале времен 20 - 26 с (заштрихованная область) - является помехой. Проверка соответствия импульса указанным четырем критериям (*) производится блоком 12 анализа формы. Величина тренда может определяться как среднее значение первой производной за интервал времени, характерный для тонической составляющей, преимущественно от 30 до 120 с. Кроме того, величина тренда может определяться как среднее значение первой производной за интервал времени 1-2 с при условии, что величины первой и второй производных меньше заданных пороговых значений в течение этого интервала времени. Во втором варианте тренд определяется более точно, однако при большом количестве помех вышеупомянутые условия могут не выполняться длительное время. В этом случае необходимо определять тренд первым способом. На фиг. 3 представлена в качестве примера аппаратная реализация блока 12. В этом варианте тренд определяется по усредненному значению первой производной за время 30 с. На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу отдельных элементов этого блока. Блок 12 имеет три входа 11, 13 и 15. Вход 11, на который подается сигнал второй производной U"", является сигнальным входом двух компараторов 17 и 18, причем на опорный вход последнего подан нулевой потенциал. Входы 13 и 15 являются входами дифференциального усилителя 19, выход которого подключен к сигнальным входам схем 20 и 21 выборки и хранения. Выходы компараторов 17, 18 подключены к входам блока 22 синхронизации, соответственно к входам 23 и 24. Выход 25 блока 22 подключен к тактирующему входу схемы 20 выборки и хранения, а также к входу запуска генератора 26 пилообразного напряжения. Выход 27 подключен к тактирующему входу схемы 21 выборки и хранения. Выходы схем 20, 21 выборки и хранения, а также генератора 26 пилообразного напряжения подключены к входам схем сравнения 29, 30 и 31. Кроме того, выходы схем 20 и 21 соединены с входами аналогового делителя 32, выход которого соединен с входом схемы 33 сравнения. Выходы схем 29, 30, 31, 33 подключены к логическим входам схемы И: 34, 35, 36, 37, 38. Кроме того, выход 28 схемы 22 синхронизации подключен к стробирующему входу 39 схемы И 34. Компаратор 17 имеет вход для подачи опорного напряжения V S1 , устанавливающий пороговое значение второй производной, при превышении которого начинается анализ формы импульса. Опорные входы схем сравнения 29, 30, 31, 33 также подключены к источникам опорных напряжений (на фиг. не показаны), которые определяют допустимые пределы выбранных параметров. Индексы в наименованиях этих напряжений (V T1 , V T2 ; V M1 , V M2 ; V R1 ; V M3 , V M4) соответствуют указанным выше пределам, внутри которых должны лежать проверяемые величины (см. неравенства (*)). В случае такого соответствия на выходе 40 схемы 34 формируется короткий импульс логической "1". Функционирование блока 12 анализа формы импульсов, изображенного на фиг. 3, поясняется диаграммами фиг. 4. На диаграмме a показан пример одиночного импульса на выходе логарифмического усилителя 7. На вход блока 12 подаются следующие сигналы: сигнал первой производной - на вход 131 (диаграмма b), сигнал первой производной, усредненный за 30 с - на вход 15, и сигнал второй производной - на вход 11 (диаграмма c). Время усреднения выбрано наименьшим, соответствующим частотному диапазону тонической составляющей ЭДА. В результате этого на выходе дифференциального усилителя 19 имеется напряжение величиной U", соответствующее первой производной логарифма входного сигнала, скомпенсированной на величину тренда. Величина U" численно равна приращению напряжения за одну секунду, выраженному в %, относительно величины тонической составляющей (см. фиг. 4, b). Именно этот сигнал и анализируется остальной частью схемы. Тактирование элементов блока 12 осуществляется схемой 22 синхронизации следующим образом. Сигнал с выхода компаратора 17 представляет собой положительный перепад напряжения, возникающий при превышении напряжения с выхода дифференциатора 10 порогового значения V S1 (фиг. 4, c). Численное значение порогового напряжения V S1 в вольтах выбирается таким образом, чтобы оно соответствовало изменению второй производной по меньшей мере на 0,2%, что определено экспериментальным путем. Этот положительный перепад (фиг.4, d) является запускающим стробом для схемы 22 синхронизации. Компаратор 18 (см. фиг. 4, e) вырабатывает положительные и отрицательные перепады напряжения на своем выходе при переходе входного сигнала U"" через ноль. После запуска схемы синхронизации стробирующим импульсом с компаратора 17, по каждому фронту сигнала с компаратора 18 вырабатываются короткие стробимпульсы. Первый стробимпульс поступает на выход 25 (фиг.4, f) и подается затем на схему 20 выборки и хранения, которая фиксирует значение U" в момент достижения максимума (фиг.4, g). Второй строб (фиг.4. h) поступает с выхода 27 схемы 22 синхронизации на стробирующий вход второй схемы 21 выборки и хранения, которая фиксирует значение U" в минимуме (фиг.4, i). Первый же импульс подается также на вход генератора 26 пилообразного напряжения, который вырабатывает линейно нарастающее напряжение после прихода стробимпульса (фиг. 4, j). Сигнал с выхода генератора 26 пилообразного напряжения подается на вход схемы 29 сравнения. Выходной сигнал со схемы 20 поступает на вход схемы сравнения 30. Сигнал с выхода схемы 21 подается на схему 31. Кроме того, сигналы с выходов схем 20, 21 поступают на входы А и В аналогового делителя 32. Сигнал с выхода аналогового делителя 32, пропорциональный отношению входных напряжений U A /U B , подается на вход схемы 33 сравнения. Сигналы с выходов всех схем сравнения 29, 30, 31 и 33 подаются на входы 35, 36, 37, 38 схемы 34 логического И, которая тактируется стробимпульсом (см. фиг. 4, k), подаваемым на стробирующий вход 39 с выхода 28 схемы 22. В результате на выходе 40 схемы 34 образуется импульс логической "1" в случае, если на все четыре входа 35-38 подан сигнал логической "1" во время прихода стробимпульса на вход 39, положительный фронт которого соответствует отрицательному фронту на выходе 28. Схемы сравнения (поз. 29-31,33) могут быть реализованы любым из традиционных путей. Они вырабатывают сигнал логической "1" в том случае, если входное напряжение лежит в диапазоне, задаваемом двумя опорными напряжениями. Все внутренние стробирующие сигналы обеспечиваются схемой 22 синхронизации, которая может быть реализована, например, следующим образом (см. фиг. 5). Схема 22 имеет два входа: 23 и 24. Вход 23 подключен к S-входу RS-триггера 41, который переводится в единичное состояние положительным фронтом с компаратора 17 (фиг.4, d), т.е. при превышении значением второй производной U"" порогового уровня. Выход Q триггера 41 соединен со входами схем логического И 42 и 43, разрешая таким образом проходить через них сигналам с триггера 44 и инвертора 45. На вход 24 поступает сигнал с компаратора 18 (фиг.4, e). Отрицательный перепад сигнала с входа 24 инвертируется инвертором 45 и через схему 42 поступает на другой одновибратор 46, который вырабатывает стробирующий импульс на выходе 25 (см. фиг.4. h). Положительный перепад с входа 24 переводит триггер 44 в единичное состояние, что в свою очередь запускает одновибратор 47, который вырабатывает короткий положительный импульс. Этот стробирующий импульс подается на выход 27 схемы синхронизации (фиг. 4, f). Этот же импульс подается на вход инвертора 48, выход которого соединен с входом одновибратора 49. Таким образом схема 49 запускается задним фронтом импульса с выхода 47 и вырабатывает третий короткий стробирующий импульс (см. фиг.4, k). Этот импульс подается на выход 28, а также используется для сброса RS-триггеров 41 и 44, для чего подается на их R-входы. После прохождения этого импульса схема 22 синхронизации вновь готова к работе до прихода очередного сигнала на вход 23. В результате описанного выше функционирования схемы 22 синхронизации на выходе 40 блока 12 анализа формы (см. фиг.З) вырабатывается короткий импульс логической "1" при условии, что анализируемые параметры лежат в заданных пределах. Следует отметить, что на фиг.2, d метками S 1 и S 2 поименованы как раз указанные импульсы; для наглядности они наложены на графики первой и второй производных анализируемого сигнала. Выше описана аппаратная реализация средств выделения сигналов тонической составляющей и импульсов фазической составляющей. Вместе с тем, выявление полезного импульса фазической составляющей на фоне шумов и АД может быть осуществлено и программным путем. На фиг. 6 показан пример компьютерной реализации устройства с использованием цифровой обработки сигнала. Устройство включает входное устройство 1, подключенное к электродам 2, 3 для присоединения к коже человека 4. Электроды подключены через резистор R6 к источнику 5 стабилизированного постоянного опорного напряжения. Сигнал с резистора 6 подается на входное устройство - операционный усилитель 50 с высоким входным и низким выходным импедансами, работающий в линейном режиме. С выхода усилителя 50 сигнал поступает на вход стандартного 16- разрядного аналого-цифрового преобразователя 51 (АЦП), установленного в слот расширения IBM-совместимого компьютера 52. Логарифмирование и весь дальнейший анализ сигнала производится цифровым образом. С использованием преобразованных АЦП значений тока, протекающего между электродами (I изм)> вычисляются первая и вторая производные от величины 100ln(I изм) Вычислять значения первой производной необходимо с поправкой на тренд. Величина тренда определяется как среднее значение первой производной за время от 30 до 120 с. Далее производится определение принадлежности анализируемого импульса сигналу КГР (проверка выполнения условий (*)). При удовлетворении параметров формы установленным критериям относят упомянутый импульс к импульсам КГР, а при невыполнении - относят к артефактам. Описанные способ и устройство могут быть использованы при различных медицинских и психофизиологических исследованиях, где одним из измеряемых параметров является электрическая проводимость кожи. Это, например: тренажеры с обратной связью по кожному сопротивлению для выработки навыков релаксации и концентрации внимания, системы профотбора, и т.д.. Кроме того, патентуемое изобретение может быть применено, например, для определения уровня бодрствования водителя транспортного средства в реальных условиях, характеризующихся наличием многочисленных помех. 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 микро-ЭВМ. 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.

Формула изобретения

1. 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 физической составляющей электродермальной активности, отличающийся тем, что анализируют форму каждого импульса в последовательности импульсов в полосе частот физической 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 физической составляющей, а при отсутствии - относят к артефактам. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину тренда определяют как среднее значение первой производной за интервал времени, преимущественно от 30 до 120 с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину тренда определяют как среднее значение первой производной за интервал времени 1 - 2 с, при условии, что величины первой и второй производных меньше заданных пороговых значений в течение этого интервала времени. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что временем прихода импульса первой производной считают момент, когда вторая производная превышает пороговое значение по меньшей мере на 0,2%. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что при определении формы импульса регистрируют значения максимальной f m a x и минимальной f m i n величин первой производной за вычетом величины тренда, их отношение r, интервал времени t x между минимумом и максимумом первой производной, при этом моменты достижения максимальной и минимальной величин первой производной определяют по моменту смены знака второй производной. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что критериями принадлежности анализируемого импульса к сигналу физической составляющей электродермальной активности являются неравенства
0,5 < f m a x < 10;
-2 < f m i n < -0,1;
1,8 < t x < 7;
1,5 < r < 10. 7. Устройство для регистрации кожно-гальванических реакций, содержащее электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, средства для подавления импульсных помех, средства для выделения сигнала в полосе частот физической составляющей электродермальной активности, средства для детектирования импульсов физической составляющей, блок регистрации, отличающееся тем, что средства выделения сигнала в полосе частот физической составляющей, средства для подавления импульсных помех и средства для детектирования импульсов физической составляющей выполнены в виде последовательно подключенных к входному устройству фильтра нижних частот, блока преобразования входного сигнала в первую и вторую производные по времени и блока анализа формы импульсов, при этом выход последнего подключен к входу блока регистрации. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что входное устройство представляет собой стабилизированный источник электрического напряжения и резистор, подключенные последовательно к электродам, логарифмирующий усилитель с дифференциальным входным каскадом, при этом резистор шунтирует входы логарифмирующего усилителя. 9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что блок преобразования входного сигнала в первую и вторую производные по времени выполнен в виде первого и второго дифференциаторов и фильтра нижних частот, при этом выход первого дифференциаторв подключен к входам второго дифференциатора и фильтра нижних частот, выходы которых являются выходами блока. 10. Устройство по любому из пп.7 - 9, отличающееся тем, что блок анализа формы включает средства для определения максимальной скорости изменения сигнала на переднем и заднем фронтах анализируемого импульса, средства для определения асимметрии его формы, средства для определения ширины импульса, средства для сравнения упомянутых величин с установленными пределами для выработки сигнала принадлежности анализируемого импульса сигналу физической составляющей электродермальной активности. 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что фильтр нижних частот, блок преобразования входного сигнала в первую и вторую производные по времени и блок анализа формы импульсов выполнены на базе компьютера, подключенного к входному устройству через аналого-цифровой преобразователь.

кожно-гальваническая реакция - КГР) - биоэлектрическая активность, фиксируемая на поверхности кожи и обусловленная деятельностью потовых желез, - показатель электропроводимости кожи. Выступает компонентой реакций эмоциональных организма, связанных с работой системы нервной симпатической. Может регистрироваться с любого участка кожи, но обычно используются пальцы и кисти рук или подошвы ног. Служит для анализа состояний человека, его эмоционально-волевых и интеллектуальных процессов. Имеет две формы:

1) форма физическая - одна из компонент рефлекса ориентировочного, возникающего в ответ на новый стимул и угасающего с его повторением;

2) форма тоническая - характеризует медленные изменения кожной проводимости, кои развиваются, например, при утомлении.

В структуре реакции кожно-гальванической можно выделить различные составляющие:

1) уровень тонической активности - как некое фоновое, относительно длительное состояние;

2) реакция в ответ на раздражители - которая продолжается в течение нескольких секунд;

3) спонтанная реакции - не связанная с определенным раздражителем. При этом уровень тонической активности выступает как показатель функционального состояния системы нервной центральной: сопротивление кожи возрастает при состоянии расслабления, убывает при активации.

Изменение электрической сопротивляемости кожного покрова. КГР широко используется при измерении уровня активации и обычно ассоциируется с идеей детектора лжи.

Кожно-гальваническая реакция (КГР)

Специфика. Биоэлектрическая активность, фиксируемая на поверхности кожи, обусловленная деятельностью потовых желез. Выступает компонентом различных функциональных состояний, ориентировочного рефлекса, эмоциональных реакций организма, связанных с работой симпатической нервной системы. Несет отпечаток индивидуальных различий. Служит для анализа состояний человека, его эмоционально-волевых и интеллектуальных процессов.

Виды. В структуре КГР могут быть выделены различные составляющие:

Уровень тонической активности как некое фоновое, относительно длительное состояние,

Реакция в ответ на раздражители, которая продолжается в течение нескольких секунд,

- "спонтанная" реакция, несвязанная с каким-либо определенным раздражителем.

При этом уровень тонической активности выступает как показатель функционального состояния центральной нервной системы: сопротивление кожи повышается при расслабленном состоянии, понижается при активации.

Диагностика. Может регистрироваться с любого участка кожи, но обычно используются пальцы и кисти рук или подошвы ног. Для регистрации может осуществляться замер:

Разности кожных потенциалов (метод Тарханова, разработанный в 1890 г.);

Изменения кожного сопротивления (метод Фере, разработанный в 1888 г.).

КОЖНО-ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

Измерение электрической чувствительности кожи гальванометром. Используется два метода: измерение Фере, при котором регистрируются изменения в сопротивлении кожи при пропускании слабого электрического тока, и измерение Тарханова, при котором регистрируется слабый ток, фактически продуцируемый телом. Так как данные измерения Фере увеличиваются с увеличением потоотделения, часто выдвигались предположения, что оно является индикатором эмоциональной напряженности или тревоги. Оказалось, что это предположение трудно обосновать, и, возможно, лучше всего рассматривать этот показатель просто как меру физиологического возбуждения: см. детектор лжи, полиграф. Укожногзль-ванической реакции имеются и альтернативные названия, которые обычно используются синонимично, например, психогальваническая реакция, электро-дермальная реакция, электрическая реакция кожи, феномен Фере и феномен Тарханова.

КОЖНО-ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ (КГР)

показатель электропроводности кожи, оцениваемый величиной электрического сопротивления кожи либо разностью электрических потенциалов между двумя точками кожи. Наиболее выраженной КГР бывает при ее регистрации с кончиков пальцев, ладоней и тыльной поверхности кистей рук, а также с подошвы стопы. КГР имеет фазическую и тоническую формы. В первом случае КГР - один из компонентов ориентировочного рефлекса, возникающего в ответ на новый стимул и угасающего с его повторением. В отличие от фазических кратковременных КГР, тоническая форма характеризует медленные изменения электрокожного сопротивления. Его величина может служить показателем функционального состояния человека. Во сне, при потере бдительности величина сопротивления становится больше, а при высоком уровне активации организма (напр., в состоянии эмоционального напряжения) - понижается. Фазические колебания электрокожных потенциалов, спонтанно возникающие при отсутствии внешних раздражителей, также отражают состояния человека, связанные с тревогой, напряжением, внутренней мыслительной деятельностью. В общей и инженерной психологии КГР широко используется в качестве средства для контроля и диагностики функционального состояния человека, а также в исследованиях интеллектуальной деятельности, особенностей ^эмоциональной и волевой сферы человека. На основе анализа КГР построен и такой прибор, как детектор лжи (см. также Электрическая активность кожи).