Устройство и способ для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца

Группа изобретений относится к медицине. Устройство для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца содержит стеклянные пластины (3, 4), расположенные параллельно друг другу с зазором, заполненным газовым диэлектриком, камеру (5), объектив которой направлен на пластины, и блок управления с источником энергии. Пластина (3), контактирующая с подушечкой пальца, выполнена непрозрачной. Пластина (4), расположенная между непрозрачной пластиной и камерой, выполнена прозрачной с токопроводящим напылением и соединена с блоком управления. Способ включает подачу напряжения на прозрачную пластину, прижатие подушечки пальца к внешней непрозрачной пластине устройства и фиксацию изображения камерой. Достигается повышение точности показаний устройства и результатов измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца, возможность проведения измерений без использования светозащитных экранов и отсутствие «человеческого фактора», такого как оператор или эксперт. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 пр.

 

Группа изобретений относится к области физики и может быть использовано в физиологии и медицине для определения психофизического состояния человека на основании измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца, в частности к стресс-тестеру.

Человек в современном мегаполисе практически постоянно находится в состоянии стресса, что крайне негативно сказывается на его физиологии и приводит ко многим заболеваниям. В то же время известна реакция потовых желез на стресс. Потоотделение является составной частью реакции организма на повышение температуры и другие, внешние и внутренние, включая психологические, факторы и раздражители. Каждая потовая железа имеет мышечные и нервные волокна, обеспечивающие ее работу и контролирующие активность. Работа и активность потовой железы управляется нервной и эндокринной системами. Определенная зона гипоталамуса контролирует температуру тела, регулируя потоотделение. Этот центр реагирует не только на изменение температуры, но и на физическую и эмоциональную активность человека. Таким образом, потоотделение вызывается не только повышением температуры тела, но и другими факторами, среди которых эмоциональное состояние играет главную роль. Потовые железы на кистях рук и ступнях в основном реагируют на эмоциональные стимулы. Есть определенный центр в гипоталамусе, который управляет этими железами. Считается, что этот центр, отличный от центров, регулирующих потоотделение на других частях тела, управляется корой головного мозга и не реагирует на изменения температуры. Эмоциональное напряжение, стресс, практически мгновенно изменяет характер работы потовых желез особенно на ступнях, ладонях и подмышках, приводя к повышенному потоотделению. Неконтролируемое потоотделение является симптомом беспокойства, напряжения, эмоциональной перегрузки, страха. Большинство городских жителей знают, что такое стресс и его негативное влияние на повседневную жизнедеятельность, но не знают, как его измерить. В связи с этим возникает необходимость в методах и устройствах для измерения стресса.

Так, из уровня техники известно устройство для определения состояния биологического объекта в импульсном электрическом поле высокой напряженности, включающее генератор электрических импульсов, прозрачную пластину, снабженную электродом, выполненным в виде нанесенного на нее слоя оптически прозрачного токопроводящего материала, объектив, оптоэлектронный цифровой преобразователь, компьютер и блок представления информации, при этом выход генератора соединен с электродом, а выход компьютера соединен с входом блока представления информации (Россия №99947, А61В 5/05, 10.12.2010)

Также из уровня техники известен способ измерения электропроводности поверхности объекта для диагностики физического состояния объекта, основанный на съемке свечения газового разряда вокруг объекта в высокочастотном поле и включающий этап пошагового увеличения подаваемого на электрод напряжение (Франция №2803661, А61В 5/05, 13.07.2001).

В качестве наиболее близкого аналога принято устройство и способ для исследования биологических структур с целью диагностики. Устройство содержит две прозрачные пластины, между которыми размещен диэлектрик, на пластины нанесено электропроводящее напыление, напротив пластин размещена камера, соединенная с компьютером, а пластины соединены с высокочастотным генератором. Согласно способу биологический объект прикладывают к внешней пластине, на пластины подается напряжение, получившееся свечение фиксируется камерой и записывается в память компьютера, где изображение обрабатывается и анализируется (Германия №3707338, А61В 5/05, 15.10.1987).

Недостатком наиболее близкого аналога является недостаточная достоверность показаний устройства. Исследуемый объект (подушечку пальца) прижимают непосредственно к стеклянной пластине с электропроводящим напылением и в результате съемки получают изображение свечения газового разряда только в узком пространстве на границе, где палец соприкасается со стеклом. Далее анализу подвергается только полученное кольцеобразное свечение, форма и топография которого зависит от множества факторов: сила нажима, угол прижатия и поворота пальца. Принимая во внимание то, что факторы эти нормируются с большим трудом, а разброс показаний велик, результаты показаний не являются точными.

Также для проведения измерений необходимым условием является полное затемнение пространства, в котором находится подушечка пальца при съемке. В случае проникновения внешнего света в место, где происходит разряд, по причине слабости (тусклости) газового разряда в рамках допустимых величин тока, внешний свет является серьезной помехой для получения достоверных изображений.

Кроме того, в известном решении не учитывается влияние внешних факторов на показания прибора, в частности температура и влажность, которые оказывают большое влияние на получаемый снимок. При проведении эксперимента и интерпретации результатов обычно необходим эксперт, разбирающийся в работе прибора.

Задачей группы изобретений является устранение указанных недостатков, создание автономного, простого в обращении устройства для повседневного использования, не требующего никаких специальных знаний или предварительного обучения, быстрое получение результатов измерений, повышение достоверности показаний за счет того, что получают изображение всей подушечки пальца, а не только контуров, учитывают влияние влажности и температуры воздуха, увеличение функциональных возможностей устройства и расширение арсенала технических средств. Кроме того, способ позволяет делать снимки при нормальном дневном или комнатном освещении без затемнения пальцев.

Техническим результатом патентуемого решения является повышение точности показаний устройства и результатов измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца, возможность проведения измерений без использования светозащитных экранов и отсутствие «человеческого фактора», как оператора или эксперта.

Заявленный технический результат достигается в устройстве для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца, которое содержит стеклянные пластины, расположенные параллельно друг другу с зазором, заполненным газовым диэлектриком, камеру, объектив которой направлен на пластины, и блок управления с источником энергии, при этом пластина, контактирующая с подушечкой пальца, выполнена непрозрачной, а пластина, расположенная между непрозрачной пластиной и камерой, выполнена прозрачной с токопроводящим напылением и соединена с блоком управления.

Благодаря выполнению устройства с двумя стеклянными пластинами, расположенными параллельно друг другу с зазором, заполненным газовым диэлектриком, где пластина, контактирующая с подушечкой пальца, выполнена непрозрачной и без токопроводящих слоев, а пластина, расположенная между непрозрачной пластиной и камерой, выполнена прозрачной с токопроводящим напылением на поверхности, газовый разряд происходит между двумя стеклянными пластинами, а не между стеклянной пластиной и подушечкой пальца. Таким образом, обеспечивается фиксация и анализ свечения всей подушечки пальца, а на результаты измерений не влияют сила нажима, угол прижатия и поворота пальца. Заполнение зазора газовым диэлектриком обеспечивает возможность образование газового разряда между прозрачной пластиной с токопроводящим напылением и непрозрачной пластиной, контактирующей с подушечкой пальца.

Кроме того, использование непрозрачной стеклянной пластины, контактирующей с подушечкой пальца, исключает проникновение внешнего света туда, где происходит разряд - в промежуток между двумя стеклянными пластинами, следовательно, исключается влияние внешнего света на результаты измерений и повышается точность результатов измерений.

В частности токопроводящее напыление выполнено на поверхности прозрачной пластины, противоположной стороне, обращенной к непрозрачной пластине, или токопроводящее напыление выполнено на поверхности прозрачной пластины, обращенной к непрозрачной пластине.

В частности камера соединена с блоком управления, а блок управления выполнен с датчиками температуры и влажности, что позволяет учесть влияние внешних факторов на результаты измерений и дополнительно повысить точность измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца.

В частности блок управления выполнен с USB портом для соединения с компьютером или средством вывода информации, например, дисплеем для отображения результатов измерения.

Блок управления выполнен с возможностью формирования высоковольтных импульсов и регулировки величины напряжения, подаваемого на прозрачную пластину.

В частности в качестве газового диэлектрика использован воздух, инертные или активные газы, например, воздух, азот, углекислый газ, элегаз, гелий, аргон, неон.

Технический результат достигается также за счет способа измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца с использованием устройства для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца, включающий подачу напряжения на прозрачную пластину с токопроводящим напылением, прижатие подушечки пальца к непрозрачной пластине устройства и фиксацию изображения камерой.

Благодаря подаче напряжения на прозрачную пластину с токопроводящим напылением устройства, прижатию подушечки пальца к непрозрачной пластине устройства и фиксации изображения камерой обеспечивается повышение точности результатов измерений и исключается необходимость затемнения области съемки.

В частном случае реализации этапы способа повторяют с увеличением напряжения, посредством увеличения времени открывания ключа схемы формирования высоковольтного импульса в блоке управления с шагом 2-5 мкс, получают серию снимков, в которых отражаются степени активности потовых желез с высокой точностью. При этом величину напряжения регулируют открытием-закрытием ключа в схеме формирования высоковольтного импульса.

Фиксируемое изображение может быть обработано с учетом показаний датчика температуры и влажности, что приводит к дополнительному повышению точности измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами.

На фигуре 1 представлена фотография подушечки пальца с каплями пота под микроскопом.

На фигуре 2 - конструктивная схема устройства.

На фигуре 3 - изображение свечения газового разряда, полученное заявленным способом с использованием заявленного устройства.

На фигуре 4 - изображение свечения газового разряда, полученное известным способом с использованием известного устройства.

На фигуре 5 - фрагменты изображений свечения газового разряда, полученные при увеличении напряжения по заявленному способу.

Известно, что на поверхности кожи человека имеется большое количество пор - отверстий выводных протоков потовых желез на поверхности кожи (см. фиг. 1). Количество потовых желез в коже лица, ладоней - 400-500 желез на 1 см². Потовая железа состоит из секреторного клубочка (концевого отдела) и более узкого выводного протока, которые соединяют секреторные клубочки с поверхностью кожи. Выводные протоки заполнены жидкостью - потом, проводящей электрический ток. Выделение пота железами осуществляется постоянно. Количество пота в протоках и на поверхности кожи зависит от активности потовых желез.

Основным фактором, определяющим электрические свойства кожи, является потоотделение. Внешний слой кожи - эпидермис - это хороший нейтральный диэлектрик, в то время как пот - хороший электролитический проводник с малым омическим сопротивлением, электрически связывающий поверхность кожи с внутренностями тела. Суммарное электрическое сопротивление кожи в целом определяется интенсивностью потоотделения, вследствие чего измерение электрических свойств кожи есть метод оценки активности потовых желез.

У человека в спокойном состоянии потовые протоки заполнены до некоторого среднего уровня, обеспечивающего нормальное увлажнение кожи и охлаждение тела. В состоянии беспокойства, возбуждения, стресса дополнительные объемы потовой жидкости вырабатываются и выбрасываются на поверхность кожи, изменяя электрические свойства и топологию последней.

Отношение активности потовых желез к психофизиологии человека с одной стороны и к электрическим свойствам кожи - с другой, дает возможность с помощью измерения электрических характеристик кожи оценивать (измерять) психофизиологическое состояние человека: при изменении эмоционального состояния человека изменяются электрические свойства кожи.

Такие изменения проводимости кожи происходят не на всей поверхности, а в основном на коже лица, ладоней, ступней и подмышками, где расположены специальные железы с определенной иннервацией, чувствительные к изменениям психологического состояния. При наступлении эмоциональных состояний (страх, беспокойство, тревога, волнение, смятение, возбуждение, нервозность, раздражительность и пр.) вначале меняется, чаще всего, усиливается, потоотделение на ладонях и ступнях, а особенно на подушечках пальцев. Зоны потоотделения соответствуют чувствительным рецепторам, плотно расположенным на подушечках пальцев.

Для проведения измерений активности потовых желез используют газовый разряд.

Газовый разряд - совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Разряд возникает в газообразном веществе между электродами при больших (более 30 кВ/см при атмосферном давлении) разностях потенциалов (напряжениях). Газовый разряд в газообразном веществе вызывает излучение видимого света. Электродами, между которыми возникает разряд, могут служить любые, проводящие ток, объекты.

Для получения и фиксирования газового разряда используют устройство для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца, которое в частном случае реализации согласно фигуре 2 содержит корпус 1 с кольцевой оправой 2. Корпус может быть выполнен конусообразной или цилиндрической формы из пластика. В кольцевой оправке 2 параллельно друг другу одна над другой закреплены стеклянные пластины 3 и 4, разделенные зазором, заполненным диэлектрическим газообразным веществом, например, воздухом, любым активным или инертным газом. С внешней стороны оправки 2 закреплена непрозрачная, не пропускающая свет, стеклянная пластина 3, контактирующая с подушечкой пальца. Благодаря чему разряд происходит в объеме, полностью затемненном непрозрачным, например, черным стеклом, и подушечка пальца и место ее соприкосновения со стеклом не требуют дополнительного внешнего затемнения. С внутренней стороны оправки 2 закреплена прозрачная стеклянная пластина 4, соединенная с блоком управления. Блок управления (на фигурах не показан) может быть подключен к внешнему источнику энергии или содержать аккумулятор. Одна из поверхностей прозрачной пластины 4, противоположная стороне, обращенной к непрозрачной пластине, 3 или обращенная к непрозрачной пластине, имеет токопроводящее напыление с сопротивлением 10-100 Ом/см. Стеклянные пластины могут быть выполнены из стекла марки ВК7. Прозрачная пластина 4 с токопроводящим напылением соединена с вторичной обмоткой трансформатора высокого напряжения, первичная обмотка которого запитана от схемы формирования высоковольтного импульса блока управления.

В корпусе установлена камера 5 (цифровая), объектив которой направлен на стеклянные пластины 3 и 4.

Блок управления содержит плату со схемой формирования высоковольтных импульсов и трансформатор, первичная обмотка которого запитана от схемы формирования высоковольтного импульса.

В частности камера соединена с блоком управления, а блок управления выполнен с датчиками температуры и влажности (на фигурах не показаны), что позволяет учесть влияние внешних факторов на результаты измерений и дополнительно повысить точность измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца.

В частности блок управления выполнен с USB портом для соединения с компьютером или средством вывода информации, например, дисплеем для отображения результатов измерения.

Камера 5 может быть цифровой и/или для черно-белой съемки.

Способ в частном случае его реализации осуществляют следующим образом.

1. Подают на токопроводящий слой стеклянной пластины импульсный ток (напряжение), величина тока регулируется длительностью открытия ключа. Ключ открывается на время 15 мкс - 40 мкс с частотой 1 кГц, длительность каждой серии 30-60 мс.

2. Подушечку пальца прижимают к поверхности непрозрачного стекла устройства для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца.

Поскольку поверхность подушечки пальца представляет собой диэлектрик, на котором расположены «контактные площадки» - поры, заполненные проводящей жидкостью с протоками, выходящими на поверхность кожи, именно на них образуется газовый разряд и возникает вызванное им свечение.

Чем больше активность потовых желез, тем больше пота скапливается в протоках и на поверхности кожи - тем более электропроводным является рассматриваемый участок кожи. Чем больше площадь поверхности, проводящей электричество, тем ярче свечение газового разряда, образующегося на ней. Сказанное выше в совокупности означает, что наблюдается свечение, напрямую вызванное активностью отдельных, или небольших связанных групп, потовых желез.

3. Фиксируют двухмерное изображение свечения газового разряда на подушечке пальца, выполняя снимок посредством цифровой камеры.

4. Сохраняют снимок.

5. Повторяют этапы измерений 3-10 раз в зависимости от требуемой точности и отведенного на измерение времени с изменением времени открытия ключа, регулируя таким образом напряжение на пластине, с шагом 2-5 мкс от начального (15 мкс) в зависимости от количества этапов, что дополнительно увеличивает достоверность показаний. Диапазон изменения напряжения от 3 до 5 кВ. В каждом измерении получают серию снимков (см. фиг. 5а), сделанных с разной длительностью открытия ключа (таким образом, при разных напряжениях на пластине), в которых отражаются степени активности потовых желез с высокой точностью. На фигуре 5 видно, что наиболее активные области начинают светиться первыми и, по мере повышения напряжения, к ним присоединяются менее активные участки. При этом работа схемы формирования высоковольтных импульсов, следующих и регулируемых в процессе измерения, управляется блоком управления.

6. Анализируют полученные снимки согласно тому, что психофизиологическое состояние человека отражается на работе потовых желез. Поскольку работа потовых желез приводит к росту проводимости кожи, а разряды концентрируются на участках с более высокой проводимостью, появляется связь между яркостью свечения участка и интенсивностью работы желез на нем.

В частности после выполнения снимка цифровой камеры, полученное оптическое изображение может быть передано в блок управления, например микроконтроллер на базе МК STM32F446, который также получает информацию с датчиков температуры и влажности. Блок управления обрабатывает информацию по запрограммированным алгоритмам и передает изображение в виде массива данных обрабатывающему компьютеру, например под управлением операционных систем общего назначения Windows или Linux, для передачи используется шина USB.

Далее изобретения поясняются с помощью примеров.

Пример 1. Использовали заявленное устройство. При прижатии подушечки пальца к стеклянной непрозрачной пластине 3 газовый разряд происходит между двумя стеклянными пластинами 3 и 4, расположенными одно над другим и разделенными воздушным зазором, в области непосредственно под всей подушечкой пальца. При этом сила нажима, угол прижатия и поворота пальца не оказывают влияния на газовый разряд и, следовательно, на анализируемое изображение. Изображение, полученное с цифровой камеры 5, представлено на фигуре 3. Согласно изобретению анализируется зона подушечки пальца, выделенная рамкой, заведомо полностью прижатая к стеклу.

Структура полученного изображения отражает активность потовых желез. Именно эта информация является входными данными для последующего анализа. Как рассматривалось выше, изображение отображает психофизиологическое состояние человека в момент съемки. Топографический анализ изображения производится при помощи программного обеспечения.

Пример 2. Использовали устройство, в котором напряжение подается на стеклянную пластину с токопроводящим слоем, соприкасающуюся с подушечкой пальца. Газовый разряд образуется по границе, где подушечка пальца прекращает соприкасаться с поверхностью стекла, в узком пограничном зазоре между пальцем и стеклом и фиксируется на камеру, объектив которой направлен на пластины. На фигуре 4 представлено изображение, получаемое с камеры и анализируемое при использовании указанного устройства.

Из фигур 3 и 4 видно, что в заявленном способе с помощью заявленного устройства удается получить изображение всей подушечки пальца, а не только кольцеобразное свечение на границе, где палец соприкасается со стеклом. Следовательно, анализируется вся зона подушечки пальца, что повышает точность показаний устройства и результатов измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца.

Таким образом, заявленные устройство и способ для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца позволяют повысить точность показаний устройства и результатов измерений активности работы потовых желез на подушечке пальца.

1. Устройство для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца, содержащее стеклянные пластины, расположенные параллельно друг другу с зазором, заполненным газовым диэлектриком, причем одна из пластин выполнена с токопроводящим напылением, камеру, объектив которой направлен на пластины, и блок управления с источником энергии, отличающееся тем, что пластина, контактирующая с подушечкой пальца, выполнена непрозрачной, а пластина, расположенная между непрозрачной пластиной и камерой, выполнена прозрачной с токопроводящим напылением и соединена с блоком управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что токопроводящее напыление выполнено на поверхности прозрачной пластины, противоположной стороне, обращенной к непрозрачной пластине.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что токопроводящее напыление выполнено на поверхности прозрачной пластины, обращенной к непрозрачной пластине.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью формирования высоковольтных импульсов и регулировки величины напряжения, подаваемого на прозрачную пластину.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с датчиками температуры и влажности.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что камера соединена с блоком управления.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с USB портом для соединения с компьютером или средством вывода информации.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве газового диэлектрика использован инертный или активный газ.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве газового диэлектрика использован воздух, азот, углекислый газ, элегаз, гелий, аргон, неон.

10. Способ измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца с использованием устройства по п. 1, включающий подачу напряжения на прозрачную пластину, прижатие подушечки пальца к внешней непрозрачной пластине устройства и фиксацию изображения камерой.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что фиксируемое изображение обрабатывают с учетом показаний датчиков температуры и влажности.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что регулируют величину напряжения, подаваемого на прозрачную пластину.

13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что этапы способа повторяют с увеличением напряжения.