Материал: Устройство для высокоточного измерения сопротивления кожи

Устройство для высокоточного измерения сопротивления кожи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра систем сбора и обработки данных

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Устройство для высокоточного измерения сопротивления кожи

Новосибирск, 2015г.

Введение

Тело человека является проводником тока. В отличие от обычных проводников, его электрическая проводимость (и сопротивление) является переменной величиной, имеющей зависимость от множества факторов, таких как состояние кожи, параметры электрической цепи, биохимических и физиологических факторов, воздействия окружающей среды. Электрическое сопротивление тканей человека неоднородно. Самым большим сопротивлением обладает кожа человека, а именно самый тонкий ее слой - эпидермис, сопротивление которого обычно лежит в диапазоне 10кОм-2 МОм на 1см2 кожи. В биологически активных точках (БАТ) сопротивление резко снижается в 100-1000 раз. По величине сопротивления кожи человека можно сказать о его физическом и эмоциональном состоянии, а также реакции организма на различные внешние раздражающие факторы. Электрокожное сопротивление очень чутко реагирует на физические и психологические изменения в организме человека. Любые локальные изменения и процессы в организме человека оказывают влияние на электрокожное сопротивление. Доказано, что в норме электрокожное сопротивление человека в состоянии релаксации растет, а в состоянии активации уменьшается. То есть сопротивление кожи возрастает, когда человек успокаивается и засыпает, и уменьшается при душевном волнении и мобилизации сил. Соответственно, противоположные показатели являются патологией. Таким образом, измерение сопротивления кожи дает возможность быстро и точно определить ряд важных показателей, но при этом измерение должно проводиться с высокой точностью.

Строение и особенности кожи как электропроводящей среды

медицинский ток ткань человек

Тело человека способно проводить токи, при этом разные ткани обладают разной проводимостью, наибольшим сопротивлением обладает кожа. Кожа имеет сложное строение и состоит из наружного слоя (эпидермиса), включающего также 5 слоев и внутреннего слоя (дермы), в котором располагаются кровеносные сосуды. Роговой слой (поверхность эпидермиса, состоящая из отмерших клеток кожи толщиной несколько мкм) лишен кровеносных сосудов и нервных окончаний, поэтому оказывает самое большое электрическое сопротивление. Другие, более глубокие слои кожи, имеют значительно меньшее сопротивление и поэтому сопротивление кожи обычно определяется по величине сопротивления рогового слоя.

Рисунок 1

Сильное влияние на электрокожное сопротивление оказывает состояние кожи. Наибольшим сопротивлением обладает чистая, сухая, неповрежденная кожа (до 2МОм). Любые внешние повреждения, а также загрязнение или увлажнение кожи могут снизить ее сопротивление до значения внутреннего сопротивления дермы, тем самым значительно увеличивая опасность поражения электрическим током. К факторам, влияющим на электрическое сопротивление кожи, относятся:

·        Индивидуальные особенности организма, психическое и физическое состояние

·        Половой признак и возраст: у женщин кожа сопротивление кожи меньше чем у мужчин, а у детей меньше чем у взрослых (объясняется толщиной и степенью огрубления кожи).

·        От факторов внешней среды - влажности, сухости, температуры, атмосферного давления.

·        Наличие внешних раздражителей - болевые, звуковые, световые (снижают сопротивление кожи на 20-50%).

·        Приложенное к телу напряжение(рис.1).

Рисунок 2

Сегодня известно о существовании рефлекторных механизмах, в виде так называемых кожно-висцеральных (внутрикожных) дуг, связывающих спинной мозг с внутренними органами тела человека.

Первый такой механизм представлен множеством биологически активных точек (БАТ), отражающих физиологическое состояние внутренних органов человека - небольших ограниченных участков кожи и подкожной клетчатки. Электрическое сопротивление в этих точках значительно меньше, чем сопротивление окружающих участков кожи.

Второй рефлекторный механизм - активные кожные зоны Захарьина - Геда, представленные на теле человека достаточно широкими поверхностными участками кожи (10-50 см2), которые реагируют на заболевания внутренних органов изменением болевой или температурной чувствительности.

Такие рефлекторные механизмы при правильной диагностике значительно помогают при выявлении различных патологий и назначении лечения пациентам. Но для их выявления исследования должны проводиться с очень высокой точностью, так как даже небольшие изменения сопротивления кожи могут отражать нарушения в работе внутренних органов, либо центральной нервной системы.

Также по изменениям электрического сопротивления кожи можно идентифицировать состояние сна и бодрствования, состояние эмоционального напряжения или волнения, алкогольного опьянения, определить БАТ.

Воздействие напряжения и электрического тока на человека

Электрический ток и напряжение представляют большую опасность для человека, и при определенной величине могут привести к смерти.

Факторы, влияющие на исход поражения при прохождении тока через тело человека:

.        Сила тока. Пороговый ощутимый ток -такое наименьшее значение тока, при пропускании которого через организм, человек ощущает раздражение (небольшое дрожание рук)..  Пороговый неотпускающий ток - наименьшее значение тока, при котором человек не в состоянии преодолеть судороги мышц и не может самостоятельно разжать руку, в которой находится проводник 0,6-1,5 мА - переменный ток, 5-7 мА - постоянный ток - неопасный ток;

-15мА -переменный ток, 50-80мА - постоянный ток - этот ток опасен для организма человека..  Пороговый фибрилляционный ток - наименьшая величина электрического тока, при прохождении которого через организм возникает фибрилляция (хаотические и разновременные сокращения мышечных волокон сердца, что приводит к его остановке) 100мА - переменный ток, 300мА - постоянный ток - значения фибриляционного тока. Принято считать, что сила тока более 100мА является смертельной.

.        Вид тока - при величине подаваемого напряжения до 300В постоянный ток менее опасен, его предельное допустимое значение в 3-4 раза выше, чем у переменного тока. При более высоком напряжении постоянный ток более опасен.

.        Частота переменного электрического тока. Чем выше частота тока, проходящего через человека, тем он менее опасен.

.        Продолжительность воздействия тока. При длительном воздействии током сопротивление кожи снижается из-за потовыделения и увлажнения кожи.

.        Состояние кожи. Сопротивление внутренних органов не превышает 800 Ом, сопротивление сухой кожи обычно составляет от 10 КОм до 2 МОм, влажной - до 1000 Ом.

Опасные напряжения:

Помещение считается повышенной опасности при относительной влажности помещения 60-70%, наличии в помещениях железобетонных полов, и возможностью одновременного касания пола и корпуса электроприбора.

При относительной влажности 100% такие помещения считаются особо опасными.

В помещениях с повышенной опасностью опасным считается напряжение свыше 42В.

В особо опасных помещениях опасным является напряжение свыше 12В.

Таблица

Таблица

Медицинский метод измерения электрического сопротивления тканей человека

Биологические ткани, в том числе ткани тела человека, способны проводить электрический ток. Основными носителями заряда в них являются ионы. Наибольшей удельной электропроводимостью, то есть наименьшим удельным сопротивлением, обладают ярко выраженные электролиты - спинномозговая жидкость и кровь. Жировая, костная ткани, а также сухая кожа, напротив, имеют очень малую электропроводность.

Реография - неинвазивный метод исследования кровеносной системы для регистрации изменения импеданса живых тканей в процессе сердечной деятельности в момент пропускания через них электрического переменного тока.

В медицине используются электронные реографы - медицинские диагностические устройства для измерения модуля изменения полного электрического сопротивления участков тела человека (в том числе кожи). Реограммой называется кривая, соответствующая зависимости сопротивления живой ткани от времени.

Реографическое обследование совершенно безвредно для человека, так как проходящие через тело человека токи имеют очень малую величину. Поэтому обследование может проводиться длительное время и многократно повторяться. Важную роль в таких обследованиях играет КГР (кожно-гальваническая реакция) - биоэлектрическая активность, фиксируемая на поверхности кожи и выступающая компонентом ориентировочного рефлекса, эмоциональных реакций организма, связанных с работой симпатической нервной системы.

Также существенную роль в получении высококачественных реограмм играет выбор электродов. В настоящее время в клиниках используют электроды из латуни, покрытые серебром, свинцовые или оловянные различных размеров, прямоугольной, круглой формы, в виде лент. Кожу в местах наложения электродов протирают спиртом или эфиром. Для лучшего контакта и уменьшения сопротивления предварительно смазывают кожу электродной пастой или используют прокладки, смоченные физиологическим раствором.

Электроды нaкладывают на проклaдки иeфиксируютaрезиновыми бинтами.

Устройство реографа состоит из таких элементов, как генератор тока высокой частоты, преобразователь «импеданс-напряжение», усилитель, фильтр, калибровочное устройство, дифференцирующая цепочка, регистратор изменения потенциала.

Рассмотрим простейшую схему измерения сопротивления заданного участка тела (рис. 3).

Рис.3 а) - Схема, позволяющая измерять сопротивления участка тела человека с помощью зондирования постоянным током; б) - зондирование переменным током

Если I - сила тока, протекающая через участок тела и измеряемая миллиамперметром mA, U - напряжение между электродами, измеряемое вольтметром V , то сопротивление R должно изменяться в такт с сердечными сокращениями, поскольку во время них происходят изменения кровенаполнения этого участка.

Однако, практически эти изменения сопротивления на заданном участке так малы (десятые доли Ом и меньше), что не могут быть надежно зарегистрированы на фоне большого общего сопротивления участка (обусловленного большим сопротивлением кожи, межтканевых границ раздела, переходным сопротивлением кожа- электрод и др.). Кроме того, истинное сопротивление участка тела на постоянном токе вообще трудно зарегистрировать из-за возникающей поляризации тканей и появления дополнительных зарядов на электродах. По этим причинам в медицинской реографии не используется постоянный ток, а вместо него применяется переменный ток большой частоты (порядка 100 кГц). При подаче на электроды переменного напряжения (рис. 3,б) в цепи исследуемого объекта протекает переменный ток.

В настоящее время реография является популярным методом диагностики различных патологий внутренних органов. Метод достаточно прост и информативен, не занимает много времени, безболезнен и безопасен для пациента. Позволяет получить косвенную информацию о величине пульсового кровенаполнения, относительной скорости кровотока, выявить гепатиты и циррозы печени, сосудистую дистонию, показан пациентам при исследовании последствий черепно-мозговых травм и различных опухолей.

Значительным недостатком метода реографии является влияние помех на результат измерения. Изменения сопротивления измеряемого участка тела во время сердечных пульсаций и соответствующие им напряжения очень малы, поэтому на результаты реограммы могут существенно повлиять посторонние электрические воздействия, для защиты от которых необходимо предусматривать ряд специальных мер.

В основном при измерениях встречаются следующие виды электрических помех:

.        Медленныеуколебанияасопротивления, вызванные дыхательными реакциями пациента. Для исключения влияния этих колебаний используются фильтры, пропускающие лишь составляющую напряжения, которая меняется с периодом колебаний 0,5-1,5с, что соответствует периодуасердечныхасокращений. Более медленные колебания сопротивления (и соответственно напряжения) не пропускаются.

.        Помехи, вызванные колебаниями переменного тока в сети с частотой 50Гц. Для борьбы с этим видом помех требуется заземление корпуса реографа, регистратора и даже заземление тела диагностируемого пациента.

Обычно полезный сигнал усиливается операционными усилителями реографа, таким образом ослабляя влияние внешних помех.

Запатентованные приборы для измерения КГР в хронологическом порядке

Кожно-гальваническая реакция (КГР) - это биоэлектрическаяаактивность, фиксируемая на поверхности кожи, которая представляется в виде рефлекса, указывающего на эмоциональные реакции организма, связанныеес возбуждением симпатической нервной системы. КГР можно зарегистрировать с любого участка кожи, как правило, для этого используютсяепальцы и кисти рук или ног. КГР дает возможность для анализа психо-физического состояния человека. Различают несколько составляющих КГР, это - относительно длительное состояние фоновой активности, быстрая реакция организма на внешние неожиданные раздражители, и "фазическая" самая быстрая составляющая, при которой реакция происходит за доли секунды. При этом тоническая составляющая соответствует общему эмоциональному состоянию - при расслаблении она растет, при напряжении и волнении снижается. КГР измеряется двумя способами - поаТарханову и поаФере. В первом случае между двумя точками на коже измеряется разность потенциалов,аво втором - сопротивление (Ом). Установлено, что сопротивление кожи колеблется в пределах от 10 КОм до 2 МОм. Сопротивление разных участков кожи также неоднородно: кожи лица и тыла кисти находится в пределах от 10 до 20 Ком, кожа бедра - 2 МОм, ладониаи подошвы - от 200Ком до 2 МОм