Технологические особенности биоимпедансного идентификатора человека

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

История исследований и разработок в мире в области биоимпедансного анализа (БИА) началась с 1880-х годов (более 135 лет назад), в России с 1930-х годов (более 80 лет назад).

Первое упоминание об исследовании электрической проводимости биологических объектов принято относить к работам В. Томсона, датированным 1880 годом. Основополагающие результаты в этой области были получены в начале и середине XX века [3]. К ним относятся: установление типичных значений удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости тканей, органов и жидких сред живого организма, а также выявление и частичное объяснение зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости биологических жидкостей и клеточных суспензий от частоты зондирующего тока. С этими достижениями связаны имена Г. Фрике, К. Коула [6], Б.Н. Тарусова [8], Г. Шванна [6] и других исследователей [1, c.7].

Начало практического применения биоимпедансного анализа для характеристики состава тела человека, сначала для оценки водных секторов организма, а затем и других компонентов состава тела, принято связывать с работами французского анестезиолога А. Томассета, выполненными в начале 1960-х годов. [7]. Первые российские работы по этой тематике были опубликованы биофизиком Б.Н. Тарусовым в 1930-х гг., в те же годы небольшими партиями выпускалась биоимпедансная аппаратура для оценки приживаемости трансплантатов на основе данных об их электрической проводимости [4, c.21].

Таким образом, начиная с 1960-х годов и по настоящее время, метод биоимпедансного анализа, основанный на измерении электрической проводимости различных тканей человека, применяется специалистами уже более 65 лет в различных сферах деятельности: в медицине, в спорте, в образовании и науке, в обороне и безопасности, в космической деятельности и др.

Необходимо отметить, что современные исследователи, использующие метод биоимпедансного анализа, полагают, что перспективным направлением создания современных измерительных средств определения биоимпеданса является импульсная импедансометрия, основанная на функциональной идентификации биологических тканей в классе моделей импеданса, позволяющий определить частотные характеристики биоэлектрического импеданса [4, c. 5].

Начиная с 2009 года автором проводится исследование, связанное с созданием измерительного средства для идентификации человека через ладонную поверхность кистей рук. Регистрирующее устройство основано на биоимпедансном анализе, который является не инвазивным и полностью безопасным методом измерения для человека, состоящим из набора электродов (рис. 3), регистрирующих значения ЭКС. Измерение именно с ладонной поверхности руки человека связано с реперными точками с минимальным ЭКС и размещением в данных точках электродов для съема данных (рис. 1).

Общеизвестно, что толщина эпидермиса на ладони руки достигает 0,7 мм, на мякишах пальцев - 0,9 мм [2]. Степень развития эпидермиса, выраженная числом слоев формирующих его клеток, зависит от локальных механических воздействий на кожу: чем больше и систематично физическое воздействие, тем более толстым становится эпидермис. В данном случае, для съема данных ЭКС, в биоимпедансном идентификаторе человека, высокий уровень толщины эпидермиса - является паразитной составляющей, так как может привести к искажению параметров ЭКС присущих конкретному человеку.

Рис. 1. Схема измерения ЭКС пальцев руки человека

Целесообразность расположения электродов на подложке регистрирующего устройства идентификатора таким образом, чтобы они попадали в места флексорных линий ладони руки человека (рис. 3) подтверждается результатами исследования, проведенного по методике измерения кожно-гальванической реакции «по Фере».

Рис. 2. Распределение импеданса на ладони руки одного из ОИ

Результаты исследования автора показывают, что в местах флексорных (сгибательных) линий, образующихся от крупных складок кожи в местах сгиба фаланг пальцев и ладони (рис. 2) ЭКС минимально относительно остальных участков кожи, что связано с физиологической составляющей, так как в данных местах толщина эпидермиса наиболее тонкая и данные участки менее подвержены локальным физиологическим воздействиям и увеличению толщины эпидермиса.

Рис. 3. Регистрирующее устройство биоимпедансного идентификатора личности, где Э0 - токовый электрод; Э1-Э16 - измерительные электроды

биоимпедансный идентификатор регистрирующий

Дальнейшее исследование показало, что точность измерения зависит от психоэмоционального состояния человека, а также от ряда других известных ученым параметров, используемых в биоимпедансном анализе.

Психоэмоциональное состояние человека (объекта исследования - ОИ) зависит от частоты работы мозга, которая доминирует в конкретный момент времени, поэтому для изучения/подтверждения зависимости значений электрокожного сопротивления биоткани ОИ от психоэмоционального состояния человека можно использовать метод бинаурального биения, который еще в 1839 году обосновал и сформулировал немецкий ученый Г.В. Дов.

При проведении исследования применялся следующий алгоритм метода бинаурального биения:

I-стадия - 1) регистрация «Фонового значения»; 2) воздействие на ОИ бинаурального биения звукового сигнала с определенной частоты 8 Гц и 14 Гц, в течение конкретного промежутка времени (по 3 минуты); 3) период релаксации;

II-стадия - 1) регистрация «Фонового значения»; 2) в результате воздействия на ОИ бинаурального биения звукового сигнала с частотой 14 Гц (время воздействия 6 минут); 3) период релаксации.

Также проведя с применением сертифицированного оборудования и программного обеспечения «Мозгоправ 2.5», одобренной Минздравом РФ (Пр.N4 от 26.11.97 УС МЗ РФ) были сгенерированы частоты 8 Гц и 14 Гц бинаурального биения звукового сигнала.

Значения импеданса фиксировались в динамике (по методике измерения кожно-гальванической реакции «по Фере» [4]) диагностическим прибором «Гармония-1» (сертификат № РОСС PU.АЮ26.С00001 от 20.06.03) ладонной поверхности кистей рук (рис.1) у группы (n = 55) людей мужского пола в возрасте между 19 и 23 лет, ростом - от 167 до 187 см и массой тела - от 70 до 87 кг и группы (n = 40) людей женского пола, в возрасте между 19 и 23 лет, ростом - от 153 до 180 см и массой тела - от 50 до 75 кг получен/подтвержден вывод, что сопротивляемость организма внешнему воздействию имеет колебательный характер и характеризует процессы в организме, влияющие на электрические свойства определенной зоны (рис.5, 6). В период воздействия звукового сигнала с частотой 8 Гц, сопротивление кожи падало относительно фонового значения. После того, как воздействие звукового сигнала на ОИ прекратилось, начался период релаксации, возвращения в исходное состояние сознания (фоновое значение). В период воздействия звукового сигнала с частотой 14 Гц, наблюдался рост электрокожного сопротивления, относительно фонового значения, в результате чего, организм переходил в состояние активного бодрствования. Таким образом, в состоянии расслабления организма человека, происходит понижение ЭКС, а в состоянии активного бодрствования - повышение.

Рис. 4. Положение электродов на ладонной поверхности правой руки человека во время измерения

Рис. 5. Пример записи ЭКС под воздействием звукового сигнала бинаурального биения; а) с частотой 8 Гц; б) с частотой 14 Гц

Рис. 6. Лепестковая диаграмма записи ЭКС под воздействием звукового сигнала бинаурального биения; а) с частотой 8 Гц; б) с частотой 14 Гц

Литература

1. Калакутский Л.И. Основы импульсной импедансометрии биологических тканей.

2. Куприянов В.В., Стовичек Г.В. «Лицо человека», 1988. - 272 c.

3. Мартиросов Э.Г. Технологии и методы определения состава тела человека [Текст] / Э.Г. Мартиросов, Д.В. Николаев, С.Г. Руднев. - М.: Наука, 2006. - 248 с.

4. Николаев Д.В. Биоимпедансный анализ состава тела человека / Д.В. Николаев, А.В. Смирнов, И.Г. Бобринская, С.Г. Руднев. - М.: Наука, 2009. - 392 с. - ISBN 978-5-02-036696-1 (в пер.).

5. Суходоев В.В. Модификационная методика регистрации КГР человека для оценки основных компонентов ПФС. // Тезисы конференции ИПАН 31 января 2007.

6. Kenneth R. Foster, HERMAN P. SCHWAN: A Scientist and Pioneer in Biomedical Engineering.

7. Thomasset Bio-electrical properties of tissue impedance measurements // Lyon Med. 1962. V.207. P.107-118.

Размещено на Allbest.ru