Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка биотехнической системы для экспресс-оценки функционального состояния человека

Содержание

• Введение
• Раздел 1. Медицинская часть
• 1.1 Функциональное состояние человека
• 1.2 Электродермальная активность кожи при различных функциональных состояниях организма человека
• 1.3 Анализ морфологических особенностей кожи человека
• Раздел 2. Исследовательская часть
• 2.1 Постановка задачи
• 2.2 Разработка модели измерения электрического импеданса на пальце руки
• 2.3 Расчет электростатического поля методом конечных разностей
• 2.4 Результаты расчета. Исследование влияния параметров модели на измеряемые величины
• 2.4.1 Исследование распределения электрического потенциала
• 2.4.2 Определение параметров тестового сигнала, обеспечивающих интактность измерений
• 2.4.3 Расчет электрического сопротивления кожи
• 2.3.4 Расчет собственной емкости биообъекта
• 2.3.5 Исследование зависимости ЭКС от параметров измерения
• 2.3.6 Верификация метода расчета распределения электрического поля
• Раздел 3. Конструкторская часть
• 3.1 Разработка биотехнической системы для экспресс-оценки ФС человека
• 3.2.1 Определение назначения БТС и ее класса ЭПД
• 3.2.2 Требования, предъявляемые к БТС
• 3.2.3 Структурная схема БТС
• 3.2 Медико-технические требования на разработку БТС для экспресс-оценки ФС человека в соответствии с ГОСТ 15.013-94
• 3.3 Структурная схема разрабатываемого прибора
• 3.4 Схема устройства принципиальная электрическая
• 3.4.1 Цифровая часть
• 3.4.2 Аналоговая часть
• 3.4.3 Преобразователь уровней TTL - RS 232
• 3.4.4 Алгоритм работы
• Раздел 4. Технологическая часть
• 4.1 Общие технические требования, предъявляемые к печатным платам
• 4.2 Расчет комплексного показателя технологичности
• 4.3 Технологический процесс сборки и монтажа печатной платы
• 4.4 Список литературы
• Заключение
• Список литературы
• Приложение 1

Введение

• Цель работы: разработка и исследование биотехнической системы для экспресс-оценки функционального состояния человека.

Актуальность методов оценки функционального состояния человека, обладающих такими свойствами, как достоверность результатов, простота технической реализации, возможность экспресс-анализа и невысокая стоимость, в последнее время непрерывно возрастает. Предъявляемым требованиям в полной мере удовлетворяют методы исследования электрокожной активности, являющиеся неинвазивными и обеспечивающие легкость динамического контроля в процессе коррекции функционального состояния, что весьма важно для восстановительной медицины. Измерение электрических характеристик кожи широко применяется в психофизиологии, физиологии, гомеопатии, рефлексодиагностике, полиграфии и т.д. Использование электрических характеристик кожи обосновано ее связью со всеми функциональными системами посредством гуморальных и нейрорефлекторных путей. Последнее особенно важно из-за необходимости иметь представление об изменениях как можно в большем количестве функциональных систем организма. В частности, изучение электрокожного импеданса (ЭИ) точек акупунктуры (ТА) показало, что их электрофизические характеристики изменяются в зависимости от наличия и локализации патологических процессов. В некоторых случаях изменение сопротивления в соответствующих точках происходит еще до появления явных клинических признаков заболевания, что используется для ранней диагностики и прогнозирования заболевания.

В существующих методиках измерение проводимости различных участков биоткани производится путем пропускания через него электрического тока или напряжения. Однако, при проведении измерений пропускаемый через биообъект ток может оказывать стимулирующее воздействие и вызывать нейро-рефлекторные реакции, приводящие к ошибочным оценкам функционального состояния. Прохождение постоянного электрического тока с относительно высоким напряжением, само по себе может явиться причиной травмирования кожи, поэтому измерения должны проводиться тем быстрее, чем выше используемое напряжение. Следовательно, всегда возникает необходимость компромиссного решения задач метрологического обеспечения и задач сохранения биологической интактности объекта обследования. Данный аспект играет особенно важную роль в случае диагностической значимости проводимых измерений.

• В данной магистерской диссертации разработана биотехническая система для экспресс-оценки функционального состояния человека.

Рассмотренная в данной работе система для измерения нелинейных электрических свойств кожи принципиально отличается от всех существующих комплексов. Она позволяет:

значительно расширить возможности биофизических исследований путем рассмотрения сложной структуры активных электрофизических процессов в мягких тканях;

измерять одновременно нелинейные проводимость и емкость биологической ткани;

измерять нелинейные емкость и проводимость с точностью не менее 1%, а также количественно оценивать нелинейность;

производить множественные измерения и измерения в режиме мониторинга.

• В процессе разработки БТС для экспресс-оценки функционального состояния человека были рассмотрены и решены задачи разных уровней.
• В первом разделе установлена диагностическая значимость оценки лейкоцитарной формулы, и определены характеристики, отражающие отличие нормы от патологии, сформированы медицинские требования для анализатора лейкоцитов, проведен анализ существующих методов и средств получения лейкоцитарной формулы
• Во втором разделе были проведены теоретические исследования на основе методов математического моделирования, позволяющие сформулировать требования к конфигурации измерительных электродов и параметрам измерительного сигнала, а также рассчитать значения резистивной и емкостной составляющих электрического импеданса кожи. Автором разработано программное обеспечение для расчета электрических характеристик биоткани, осуществлены теоретические исследования влияния анатомических и электрофизиологических особенностей структурных элементов кожи на рассчитываемые величины.
• В третьем разделе разработаны схема биотехнической системы (БТС), а также структурная и принципиальная схемы. В биотехнической системе показаны связи между биологическими и техническими частями разрабатываемой системы. Разработаны медико-технические требования (МТТ) в соответствии с ГОСТ 15.013-94 на разработку.
• В четвертом разделе рассмотрен технологический процесс сборки и монтажа печатной платы, входящей в состав разрабатываемой системы, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к печатным платам, а также анализ технологичности конструкции печатной платы.
• В пятом разделе проведено технико-экономическое обоснование разработки и производства аппаратно-программного комплекса (АПК) для экспресс-оценки ФС человека.
• В шестом разделе проведен анализ опасных и вредных факторов при проектировании и производстве АПК, расчет освещенности рабочего места и процесс утилизации газоразрядных ламп.

Раздел 1. Медицинская часть

1.1 Функциональное состояние человека

Многочисленные исследования в области инженерной психологии, эргономики, психологии труда, медицине и физиологии рассматривают понятие функционального состояния человека.

Многие авторы отмечают комплексный характер этого явления. Так, В.И.Медведев рассматривает функциональное состояние как совокупность функций и качеств, которые обеспечивают выполнение необходимых рабочих операций.

В.П.Загрядский определяет функциональное состояние как совокупность характеристик физиологических функций и психофизиологических качеств, обеспечивающих эффективность выполнения действий.

В.Л.Марищук рассматривает функциональное состояние как симптомокомплекс физиологических и психофизиологических характеристик, от которых зависит активность систем организма, в том числе его работоспособность.

По мнению В.П.Зинченко и А.Б.Леоновой, оценка уровня функционального состояния дается по анализу групп физиологических и психологических показателей, причем функциональное состояние определяется как интегральная величина актуальных свойств человека, обеспечивающих эффективность деятельности.

Рассматривая психофизиологическое состояние, Е.П.Ильин, понимает его как целостные реакции личности на внешние и внутренние стимулы, направленные на достижение полезного результата. Состояния, по мнению Е.П.Ильина, включают в свою структуру различные функциональные системы и уровни регулирования, начиная с вегетативных и двигательных систем и кончая высшими психическими уровнями регулирования, связанными с мотивами, волей и т. п.

Итак, опираясь на мнения многих авторов, можно заметить, что функциональные состояния формируются под влиянием показателей тех систем, которые оказывают непосредственное влияние на эффективность деятельности, причем чаще изучаются психологические и физиологические показатели.

Таким образом, функциональные состояния и эффективность деятельности находятся во взаимосвязи, при чем психофизиологическое состояние человека выступает в качестве интегральной характеристики психического стресса, личности, мотивов в ходе ответственного отношения к профессиональной деятельности.

В настоящее время исследуется множество форм состояний, но если рассматривать те состояния, которые в большей степени связаны с результативностью деятельности, то можно придерживаться следующей классификации:

1. Состояния благоприятные и неблагоприятные (Ильин Е.П., Леонова А.Б., 1984).

2. Эмоциональная и операциональная напряженность (Наенко Н.И., Баевский Р.М., 1979).

Одним из видов функциональных состояний является стресс, характеризующийся достаточно высоким уровнем нервно-психического напряжения. Он может приводить к значительным изменениям в мышечно-двигательном аппарате, общей скованности, возрастанию тремора, ухудшению координации движений, расстройствам желудочно-кишечного тракта.

При изучении эмоционального стресса В.П.Загрядский и А.В.Захаров приходят к выводу, что он представляет собой неадекватное нервно-психическое напряжение, которое характеризуется дискоординацией физиологических и психических функций человека и проявляется в снижении эффективности трудовой деятельности. Признаком устойчивости состояния является согласованная интегративная работа всех систем организма, это единство вегетативной, психической и двигательной функций; при рассогласовании наступает снижение продуктивности деятельности.

1.2 Электродермальная активность кожи при различных функциональных состояниях организма человека

Изучение ЭДА в условиях клиники показало зависимость кожных потенциалов от состояния вегетативной нервной системы и возможность суждения по электрическим показателям кожи о целом ряде различных особенностей протекания патологических процессов.

Р.Лазарус [6] наблюдал возрастания электропроводности кожи при наступлении стресса и предложил использовать электропроводность в качестве индикатора стрессовых реакций. Обрабатывая кривые кожно-гальванической реакции (КГР) методом усреднения циклических максимумов, он доказывает, что можно идентефицировать процессы, лежащие в основе наблюдаемой реакции.

В.Г.Денисов [27] констатирует, что количественные данные, характеризующие психофизиологические показатели возможности оператора, весьма вариативны и практически невозможно приписать какой-либо характеристике оператора одно, вполне определенное значение, чего особенно «ждут» от инженерно-психологических исследований конструкторы систем управления. Однако значение этих характеристик резко меняется от того, в какой системе работает оператор, каковы его динамические свойства, как выполнены в этой системе средства отображения и органы управления, в каких условиях работает оператор.

П.Г.Шамров [27] отмечает волнообразные изменения электрического потенциала кожи кисти во время дозированной работы. У одних испытуемых увеличение умственного усилия вызывало увеличение, у других - уменьшение амплитуды КГР. Сдвиги КГР во время устного решения арифметических задач были менее выраженными, чем при выполнении арифметических операций с максимальной быстротой. Эта особенность может быть обнаружена при выполнении одним и тем же испытуемым произвольных и максимальных умственных усилий.

У космонавтов замеры кожного сопротивления в различных состояниях эмоционального напряжения показали достоверные различия. Особенно важно отметить, что КГР используется при изучении умственного утомления как удобный критерий (показатель) уровня работоспособности.

На изменение ЭКС влияет предыдущий опыт. Так, Л.Б.Козаровицкий [49] обследовал авиадиспетчеров (методика Фере) и заметил, что реакции диспетчеров, имеющих большой стаж работы, отличается от динамики ЭКС лиц менее опытных, кривые последних имеют большой размах амплитуды реакций и замедленное их угасание. Монотонность обстановки, темное помещение приводило к дремотному состоянию диспетчера, что вело к резкому повышению сопротивления кожи. И, наоборот, переход к активной деятельности, равно как и напряженная работа на фоне высокого нервного тонуса, сопровождается снижением уровня сопротивления кожи.

Р.С.Данашев [25] судит об эмоционально-физической напряженности человека по комбинации (симптомокомплексу) физиологических параметров, причем замечает, что различным состояниям человека соответствуют комбинации разных значений этих параметров.

Изменение психологических возможностей оператора под влиянием его тренированности можно подтвердить многочисленными примерами.

В 1962 г. в США [25] запатентована система для сигнализации при потере бдительности оператором. Она основана на изменении электрического сопротивления кожи поверхности ладони. Это сопротивление резко увеличивается (в три раза) при высокой температуре тела, во сне или в нетрезвом состоянии.

Аналогичное устройство применяется во Франции для определения степени трезвости водителей автомашин. Электроды вмонтированы в рулевое колесо, и при опьянении водителя двигатель завести невозможно.

Интересные записи были получены в момент пробуждения космонавтов - падение сопротивления кожи совпадает с открыванием глаз.

Импеданс кожи меняется во время еды. В зависимости от времени дня проводимость кожи увеличивается к полудню и достигает максимума, а затем, к вечеру, падает. На дневной ритм накладываются психофизиологические влияния. Сопротивление увеличивается с возрастом, независимо от пола.

Проведенные исследования указывают на зависимость уровня ЭКС от функционального состояния ЦНС. При усилении процессов возбуждения ЭКС падает, при усилении процессов торможения дополнительные ЭКС снижается.

Расположение пунктов кожи с повышенной физиологической активностью совпадает с участками максимальной гипераналгезии зон Захарьина - Геда, с расположением «точек воздействия», применяемых в восточной медицине при лечении иглоукалыванием и прижиганием, т.е. органоспецифические точки своеобразны в анатомическом и физиологическом значении.

Таким образом, ясно, что интенсивный физиологический или патологический процесс во внутреннем органе сопровождается значительными изменениями ЭКС в соответствующих активных точках кожи.

КГР можно использовать для подбора людей, выполняющих определенные задачи, и для контроля за состоянием оператора перед работой повышенной трудности. Есть закономерности, проявлявшиеся в виде статистического подобия действий различных людей в одинаковых условиях при решении одинаковых задач.

И.М.Рейтман [25] показал, что у людей с высоким уровнем тренированности вырабатывается вегетативный тонус, который может оцениваться путем определения электрокожного сопротивления. У малотренированных людей электрокожное сопротивление кожи ниже, чем у квалифицированных.

В результате изучения КГР по Фере в ответ на электрическое раздражение кожи в области лодыжки было установлено, что с увеличением уровня возбуждения ЦНС амплитуда КГР меняется схематически по закону гиперболы. При нарастании возбуждения ЦНС (начиная от сна до состояния бодрствования) амплитуда КГР увеличивается; во время перевозбуждения ЦНС амплитуда начинает уменьшаться и кожно-гальваническая реакция исчезает. КГР, по мнению авторов, следует считать главным показателем при оценке работоспособности человека.

В 1968 г. в США Р.Уэлс зарегистрировал патент на устройство и способ измерения реакции допрашиваемых. Аппарат дает возможность наблюдать реакцию сопротивления кожи как одного допрашиваемого, так и группы одновременно, в зависимости от поставленных вопросов. О том, что по КГР можно оценивать функциональное состояние человека, отвечающего на вопросы, пишет и В.С.Старинец.

Бурное развитие средств производства и широкая автоматизация, кроме многих положительных сторон, неизбежно порождает и ряд неблагоприятных факторов: информационные перегрузки, адинамия, статичность позы, нарастание монотонности производственного ритма и темпа жизни на фоне сокращения интервалов активного «расслабления человека» и т.д., - затрудняющих адаптацию человека к условиям современного интенсифицированного производства, вызывающих состояние непрерывного эмоционального напряжения. Это в свою очередь приводит к формированию различных функциональных изменений или нарушений в организме человека, создающих серьезные предпосылки для развития нервно-психических, сердечно-сосудистых, эндокринных, инфекционных и других заболеваний, существенным образом отражающихся на показателях трудовой деятельности человека [4].

Надежное функционирование автоматизированных систем управления зависит не только от профессиональной подготовки оператора, но и от его функционального состояния при выполнении рабочих операций. Поэтому необходимо большое внимание уделять конкретным практическим вопросам повышения эффективности, надежности, безопасности труда операторов и диспетчеров, совершенствованию методов психологического анализа структуры их деятельности. Имеет место возрастающее значение “человеческого фактора” - совокупности психологических особенностей взаимодействия человека с другими людьми и машинами в процессе труда, выбора успешного освоения профессии.

При общей пригодности человека к решению конкретных оперативных задач, способность к их выполнению зависит от текущего функционального состояния человека.

Можно использовать в качестве интегрального показателя функционального состояния эффективность деятельности. Такой способ, безусловно, полезен для практики, т.к. позволяет предотвратить развитие у человека недопустимых состояний, за пределами которых пребывание человека недопустимо с точки зрения его безопасности. Вместе с тем способ не обладает высокой чувствительностью и применим для выявления грубых изменений в функциональном состоянии. К тому же у данного подхода практически отсутствует прогностическая способность, т.к. первичным является возможность предсказания эффективности системы человек-машина из текущего функционального состояния, а не наоборот, когда по измеренной эффективности системы человек-машина судят о возникшем функциональном состоянии. Кроме того, одинаковый уровень эффективности деятельности оператора может быть достигнут за счет неодинаковых уровней энергетических затрат, что говорит о значительной относительности метода оценки функционального состояния по эффективности деятельности.

Выше изложенное показывает необходимость поиска корреляции между физиологическими параметрами, измеренными у оператора, и его текущим состоянием, что позволит прогнозировать эффективность выполнения им оперативных функций.

Кроме требования адекватно отражать текущее функциональное состояние, использующие его оценки, информативные физиологические параметры должны удовлетворять ряду требования. Т.к. функциональное состояние человека в процессе выполнения им рабочих функций достаточно изменчиво, то используемые для его оценки параметры должны обладать необходимым быстродействием как при регистрации, так и при интерпретации.

В настоящее время существует различные методы оценки функционального состояния различных функциональных систем организма. Такие как ЭКГ, ЭЭГ, реограмма, томография, ультразвуковые исследования и т.д., позволяющих оценить текущее функциональное состояние по параметрам, которыми можно определить уровень функциональных отклонений:

? частота сердечных сокращений;

? состояние сосудов;

? характеристики памяти и внимания;

? реакция на различные раздражители;

? критическая частота световых и звуковых мельканий;

? характеристика мышления;

? точность и скорость координации движений;

? мышечная сила и выносливость;

? тремор;

? потоотделение;

? параметры сердечных сокращений и дыхания;

? пространственное восприятие и др.

но эти методы являются дорогостоящими, сложными в реализации и требуют временных затрат и квалификации специалистов для проведения исследований или для интерпретации результатов.

Методики, использующие выше перечисленные параметры, имеют существенный недостаток: они позволяют рассматривать уже произошедшие изменения функционального и органического характера.

При современном ритме жизни, трудовой занятости особую актуальность приобретают экспресс-методы оценки функционального состояния, к которым можно отнести метод оценки электродермальной активности.

Условие оперативности получения информации можно удовлетворить, применяя для оценки функционального состояния электрофизиологические параметры, которые достаточно легко регистрируются и поддаются компьютерной обработке в реальном масштабе времени, что резко повышает быстродействие таких систем [3].

Использование электрических характеристик кожи обосновано ее связью со всеми функциональными системами посредством гуморальных и нейрорефлекторных путей. Опираясь на многочисленные зарубежные и отечественные исследования специализированных медицинских центров (Институт Космической медицины, институт спортивной медицины т.д.) перспективным является использование метод измерения электрических параметров точек акупунктуры (ТА), связь которых с конкретными органами и системами установлена. Последнее особенно важно из-за необходимости иметь представление об изменениях как можно в большем количестве функциональных систем организма и, следовательно, составлять интегральную картину состояния организма.

1.3 Анализ морфологических особенностей кожи человека

Объектом измерения является кожа. Рассмотрим ее строение.

Кожа является сложным органом и играет большую роль в жизни организма.

Кожа выполняет различные функции:

-- защитной оболочки;

-- накопительного органа;

-- терморегулятора;

-- секреторного (выделительного) органа;

-- органа чувств.

Кожа защищает организм от повреждений (механических, электрических, химических и термических), микроорганизмов, космического, прежде всего, ультрафиолетового излучения. Кожа может накапливать в своих глубоких слоях до 15 кг жира. Кожа является также депо крови (в коже может депонироваться до 1 л крови) и огромным рецепторным полем, благодаря обилию в ней нервных окончаний. Как терморегулятор кожа работает благодаря капиллярным анастомозам и секреции потовых желез (благодаря открыванию и закрыванию пор). Участвует в обмене веществ, в водно-солевом обмене, через нее выделяется вода, соли, молочная кислота и продукты азотистого обмена (эти процессы усиливаются при ряде заболеваний).

Кожа образует три слоя. Первый, наружный - эпидермис, второй, собственно кожа - дерма и третий слой, расположенная под дермой подкожная клетчатка - гиподерма.

Эпидермис имеет эктодермальное происхождение и исторически родственна нервной системе и большим органам чувств. Эпидермис образован лежащими друг над другом в несколько десятков слоев эпителиальными клетками. Толщина эпидермиса не везде одинаковая. На коже подошв и ладоней она наибольшая -1,5 мм (“толстая” кожа), а на коже век - наименьшая, всего - 0,03 мм. Остальная -- “тонкая”. В эпидермисе “толстой” кожи (кожа пальца) различают 5 слоев эпителиоцитов или эпидермоцитов: базальный, шиповатый, зернистый, блестящий и роговой (рис.1.3.1.).

Базальный слой имеет толщину 15-18 мкм и расположен непосредственно на границе с дермой, представлен одним рядом призматических клеток, расположенными на базальной мембране, за счет размножения и дифференцировки которых образуются клетки вышележащих слоев. Поэтому базальный слой называют ростковым слоем эпидермиса. Кроме того, в базальном слое имеются меланоциты -- пигментные отростчатые клетки. Меланоциты имеют неврогенное происхождение.

Шиповатый слой имеет толщину 100 мкм и представлен несколькими слоями тесно расположенных эпителиоцитов полигональной формы с округлыми ядрами и большим количеством тонофибрилл -- признаком начала ороговения. Содержит кератин и 72% воды.

Зернистый слой имеет толщину 10-20 мкм состоит из 2--3 рядов уплощенных эпителиальных клеток, содержащих зерна кератогиалина - одного из основных компонентов рогового вещества- с разновидностью лизосом (кератосом). Последние содержат гидролитические ферменты, помогающие слущиванию роговых чешуек в верхних слоях эпидермиса, а также имеют липиды, предохраняющие кожу от диффузии в нее воды. В этом слое клеток начинается процесс обратного развития их ядер и органелл.

В следующем блестящем слое (2--3 слоя плоских безъядерных клеток) уже выражены деструктивные процессы ядер и органелл клеток. Блестящий слой отсутствует в эпидермисе “тонкой” кожи. Содержание кератина 50-85%, воды 10-47%.

Самый поверхностный слой эпидермиса (роговой) имеет толщину 13-15 мкм и состоит из тонких ороговевших безъядерных эпителиальных клеток, соединенных между собой и завершивших свой цикл. Это роговые чешуйки, содержащие мягкий кератин и пузырьки воздуха. В процессе их слущивания играют большую роль кератосомы. Кератин составляет 50-85% от общей массы. Содержание воды 2%.

Рис.1.3.1. Строение эпидермиса (по W.Bargmann, 1977) - М 400:1:

1 - роговой слой, 2 - блестящий слой, 3 - зернистый слой, 4 - шиповатый слой, 5 - базальный слой (цилиндрический слой)

Непосредственно под эпидермисом расположены многочисленные петли капилляров и концевые нервные тельца. Все клетки от базального до рогового слоя омываются тканевой жидкостью, количество которой убывает ближе к поверхности в связи с уменьшением объема межклеточных пространств. Влага, поступающая с внутренней стороны в роговой слой, испаряется в окружающий воздух. Сосудистые сплетения кожи располагаются на расстоянии до 2 мм от ее поверхности. Приток крови к коже регулируется сосудо-двигательными центрами, расположенными в гипоталамической области и коре мозга. В нижней части эпидермиса свободные нервные окончания совместно с модифицированными эпителиальными структурами могут образовывать диски Меркеля. Их размер порядка 100 - 500 мкм.

Дерма, толщиной 0,5 - 5 мм, состоит из густо переплетенных волокон: коллагеновых, эластических и ретикулярных, - а также немногочисленных клеток. В дерме различают:

сосочковый слой;

сетчатый слой.

Сосочковый слой расположен сразу под эпидермисом и представлен рыхлой волокнистой неоформленной соединительной тканью с большим количеством кровеносных капилляров и рецепторов, в том числе осязательных телец Мейснера. Они располагаются в сосочковом слое дермы, и имеют форму конуса 20 - 90 мкм в длину. Граница эпидермиса и сосочкового слоя дермы неровная. На коже пальца имеются высокие соединительнотканные сосочки, вдающиеся в эпидермис. Это обстоятельство определяет рельеф кожного рисунка, неповторимого у каждого человека. Сосочковый слой выполняет в основном трофическую функцию. Ретикулярные волокна на границе с эпидермисом вместе с промежуточным веществом образуют базальную мембрану. В сосочковом слое спрятаны пучки гладко-мышечных клеток, которые прикрепляются к волосяным луковицам. В сосочковом слое дермы находятся сальные железы. Жировой секрет, смешанный с секретом потовых желез, образует на поверхности кожи тонкую пленку, названную водно-жировой мантией, предохраняющей кожу от вредных воздействий ветра, холода, солнечных лучей и микроорганизмов. Толщина сосочкового слоя - 0,3 - 0,6 мм.

Под сосочковым слоем дермы расположен сетчатый слой. Сетчатый слой состоит из плотной волокнистой неоформленной соединительной ткани. Его толщина - 0,4 - 0,7 мм. Эластические волокна именно этого слоя придают коже упругость, а коллагеновые волокна - прочность. В этом слое расположены кровеносные сосуды, нервные стволики, потовые железы, нервные окончания, и том числе инкапсулированные пластинчатые тельца Фатер-Пачини. У человека размер их может доходить до 4 - 5 мм в длину и 1 - 2 мм в ширину. Тельца Пачини имеют форму эллиптического цилиндра.

Гиподерма (подкожная жировая клетчатка), расположенная под дермой, - пласт соединительной ткани, который служит теплоизолирующей прокладкой и амортизирует действие механических факторов на внутренние органы. Толщина гиподермы колеблется от 2 до 10 мм. Подкожная клетчатка состоит из широкой сети коллагеновых эластических и ретикулярных волокон, петли которой заполнены жировыми клетками. Жировая клетчатка обуславливает подвижное прикрепление кожи к подлежащим тканям.

Тучные клетки - крупные тканевые клетки, созревающие из базофилов, сходные с последними по морфологии и функции, содержат гепарин, вазоамтивные амины. Отличаются от базофилов крови содержанием медиаторов аллергии. При повреждении тканей быстро инициирует воспалительный процесс. На поверхности имеют высокоаффинные рецепторы для IgE-антител. Перекрестное связывание аллергеном фиксированных на поверхности клетки IgE-антител вызывает дегрануляцию клетки с выбросом медиаторов аллергии, что определяет развитие ранней фазы аллергических реакций немедленного типа.

Производные кожи.

Для того, чтобы кожа могла выполнять свои функции, она снабжена следующими органами.

а) Кожные железы

потовые железы;

сальные железы;

тканевые (обменные) железы;

молочные железы;

б) Роговые образования кожи

ногти; волосы.



Рис. 1.3.2. Строение кожи. (М 150:1)

На поверхности кожи имеются многочисленные выходы протоков потовых желез. Общее число потовых желез человека составляет 2,3 млн., они относительно неравномерно распределены по всей поверхности тела. Потовые железы иннервируются исключительно симпатическими нервами и выделяют жидкость, обладающую хорошими электропроводными свойствами.

Сальные железы -- это простые альвеолярные, связанные с корнями волос, разветвленные железы, секретирующие по голокринному типу. Секрет сальных желез (кожное сало) является жировой смазкой для волос и эпидермиса. Железы состоят из выводных протоков и концевых секреторных отделов. Выводной проток железы состоит из многослойного эпителия и открывается в волосяную воронку -- углубление эпидермиса в месте перехода стержня волоса в его корень.

Потовые железы -- встречаются практически во всех участках кожи. Это простые трубчатые неразветвленные железы. Концевые отделы располагаются в сетчатом слое, а выводные протоки, выстланные двуслойным эпителием, проходят через оба слоя дермы и эпидермис и открываются на поверхности кожи потовыми порами -- штопорообразными щелями между эпителиоцитами. В концевом отделе, закрученном в виде клубочка, имеются секреторные клетки кубической или цилиндрической формы -- экзокриноциты-судорифероциты. Они бывают светлые, выделяющие воду и ионы металлов, содержащие много гликогена и имеющие глубокие складки плазмолеммы у базальной поверхности, и темные, содержащие много рибосом и секреторных гранул. Эти клетки секретируют белково-полисахаридные вещества. По типу секреции потовые железы бывают мерокриновые -- более многочисленные и распространенные по всему телу, а также апокриновые (в подмышечных впадинах, вокруг ануса, на больших половых губах). Секрет последних богаче белковыми веществами, они крупнее, их секреторные клетки имеют оксифильную окраску (в отличие от слабо базофильной в мерокриновых) и более низкую активность щелочной фосфатазы по сравнению с мерокриновыми железами.

Ноготь является производным эпидермиса. Располагается ноготь на ногтевом ложе, состоящем из эпителия и подлежащей соединительной ткани. Ногтевое ложе с боков и у основания ограничено кожными складками -- ногтевыми валиками (задним и двумя боковыми). Ростковый слой эпидермиса кожи валиков переходит в эпителий ногтевого ложа и называется подногтевая пластинка. Роговой же слой частично надвигается на ноготь, на его основание и образует надногтевую пластинку.

Волосы -- это ороговевшие эпителиальные нитевидные придатки кожи. Источником их развития является эпидермис, врастающий в дерму в виде тяжей на 3 месяце эмбриогенеза. Окончательные волосы подвергаются периодической смене. В волосах различают стержень, находящийся на поверхности кожи, и корень, заканчивающийся расширением -- волосяной луковицей, расположенной в толще кожи.

Исходя из общего строения кожи, при контакте с большинством электроизмерительных электродов основной путь электрического тока в кожных тканях проходит через протоки потовых желез. По экспериментальным данным электрический ток начинает разветвляться на уровне четвертого слоя эпидермиса, который имеет относительно большое количество межклеточной жидкости и достигает сильного ветвления на уровне дермы. Так, по мере продвижения в глубь кожи плотность тока уменьшается. Дальнейшее распространение тока в живых тканях происходит по пути наименьшего сопротивления, т.е. по тканям, электропроводность которых максимальна.

Количественным выражением активности потоотделительной системы является электропроводность кожи, изменение которой проявляется в виде кожно-гальванической реакции (КГР). Особенность КГР состоит в том, что для нее отсутствует специфический раздражитель и ее возникновение может быть обусловлено действием самых разнообразных факторов.

Кожа как орган чувств.

Из органов чувств в коже расположены органы осязания. Это микроскопически малые образования. Они передают свои ощущения через:

-- 200 болевых рецепторов

-- 25 тактильных рецепторов

-- 13 холодовых рецепторов

-- 2 тепловых рецептора, которые расположены в среднем на каждом кв. см кожи.

Известны следующие расположенные в коже виды чувствительных рецепторных образований (рис. 1.3.2.):

1. свободные нервные окончания в эпидермисе;

2. осязательные клетки Меркеля;

3. осязательные тельца Мейснера;

4. волосяные пластинки;

5. концевые колбовидные утолщения Краузе;

6. генитальные тельца;

7. пластинчатые тельца Фатера-Пачини;

8. тельца Руффини .

ТА может иметь размеры до 0,5 см, минимальное расстояние между двумя соседними ТА в области измерения составляет 7мм.

Внешне она неотличима от окружающей кожи. При ощупывании в области точки иногда можно найти ямку, уплотнение или разрежение ткани и нередко -- болезненность.

Особенности точек акупунктуры.

Аномальные электрические характеристики :

наиболее динамично изменяющееся сопротивление с амплитудами превышающими значения соседних зон;

больший диапазон изменения емкости;

наиболее динамично изменяющийся потенциал, отличающийся от окружающих зон;

Морфологические особенности:

отсутствие специфических гистологических и нейроэндокринных элементов;

более плотная иннервация;

более рыхлая соединительная ткань;

большее количество кровеносных и лимфатических сосудов;

существенно большее (в 7-30раз)скопление тучных клеток;

большее количество щелевых контактов между клетками.

Проведенные Золотовым Е.В. и Вержбицкой Н. И. (1976 г.) гистологические, гистохимические и биометрические исследования точки жэнь-чжун у крыс на фоне электропунктурного воздействия выявили, что в этой зоне нарастает число тучных клеток, продуцирующих биологически активные вещества (серотонин, гистамин, гепарин и др.), наблюдается их агрегация, увеличивается содержание основного межклеточного вещества, богатого гепариноцитами. Авторы полагают, что нарушение состояния межклеточного вещества, регулирующего состав электролитов при аку- и электропунктуре, является пусковым механизмом и первым этапом сложной реакции на воздействие.

В лаборатории Ф. Г. Портнова (Рига) Я. А. Вандан и В. К. Залцма-не (1977 г.) с помощью электронно-микроскопических и гистохимических методов исследовали ТА срезов тканей ушной раковины кроликов. В большинстве случаев в ТА, а также в прилегающей к ним зоне были выявлены подкожные нервы, венулы и артериолы. На электронно-микроскопических срезах в области ТА, расположенных на теле, обнаружены небольшие группы тучных клеток.

Внутренние факторы, влияющие на значения ЭИ.

Физиологические:

температура кожи;

выделения желез;

электрические потенциалы, вызванные сокращением мышц;

психогальванический эффект;

Анатомические:

толщина рогового слоя, покрывающего эпидермис;

наличие потовых и сальных желез;

Патологические, искажающие ЭИ кожи:

экземы;

микротравмы;

воспалительные процессы.

Механизмы, определяющие электрические параметры точки акупунктуры.

Нейрорефлекторный:

окончания нервных волокон и инкапсулированные рецепторы

(время действия порядка 1мс);

система щелевых контактов (гипотеза).

Гуморальный:

скопления тучных клеток;

скопления артериальных и венозных капиллярных клубочков

(время действия порядка десятков минут).

Биофизика кожы.

Для понимания механизмов регуляции кожи большое значение имеют:

а) артериально-венозные анастомозы, впервые описанные Пишингером;

б) щелевидное лимфатическое пространство кориума, которое открыл Кельнер.

Капиллярная сеть кожи имеет, как видно из рис.1.3.3., поперечные соединения (анастомозы), за счет которых артериальные и венозные стебли капилляров могут замыкаться накоротко так, что периферия не будет снабжаться кровью. Анастомозы могут быть минимально открыты» так что приток крови на периферию становится максимальным.

Это два крайних случая, которые врач по акупунктуре может вызвать или же снять укалыванием иглами или ЭАП-врач импульсами тока.

Между двумя слоями кориума Stratum reticulare и Stratum papiculareрасположено щелевидное лимфатическое пространство, выстланное эндотелием. Кельнер предполагает, что это щелевидное пространство является замкнутой полостью и пронизывает кожу всего тела. Он предполагает также, что в этой системе щелевидных пространств следует искать те «энергетические проводящие пути», которые китайская акупунктура называет «меридианами». Система щелевидных лимфатических Пространств кориума способна наполняться и опорожняться, поскольку эти пространства связаны:

а) с малыми сосудами, идущими из подкожной клетчатки,

б) и содержат малые пучки гладкой мускулатуры.



Рис.1.3.3. Капиллярные анастомозы кожи.

Через малые сосуды происходит наполнение щелевидных пространств. Малые пучки гладкой мускулатуры, сокращаясь, способствуют освобождению щелевидных пространств от наполнения.

Сосуды и малые пучки гладкой мускулатуры действуют вместе как насос для системы щелевидных пространств. Обычно этот насос качает со скоростью 3-5 раз в минуту, в. аварийных ситуациях до 30 раз, при этом перекачивается до 10 л жидкости в секунду. Насосная система кожных щелевидных пространств позволяет молекулам размером около 2 микрон проходить в закрытую лимфатическую систему.

Управление освобождением щелевидных пространств осуществляется автономной нервной системой, которая побуждает малые пучки гладкой мускулатуры к сокращению.

Дальнейшее управление наполнением щелевидных пространств осуществляется, по-видимому, через вегетативные нервные рецепторы кожи, к которым относятся тельца Мейснера и тельца Краузе. Оки находятся в периваскулярной соединительной ткани, в 100-200 микронах от поверхности кожи, и состоят, как самостоятельные контролирующие органы, из соединительнотканных, нервных и сосудистых фракций. Такие тельца, согласно Кельнеру, находятся в большом количестве в областях акупунктурных точек, так что кожа я этих областях гистологически отличается от «нейтральной» кожи. Однако особых клеток, специфических для акупунктурных точек, обнаружено не было. Следовательно, гистологически кожа в области акупунктурных точек отличается от окружающей кожи только в количественном, но не качественном отношении!

Открытие щелевидных пространств кориума подтверждает предположение, что важные для диагностики и терапии энергетические проводящие пути (сосуды и меридианы), и лежащие по ходу их акупунктурные точки расположены в кориуме кожи.

Электрические свойства кожи

Кожа как проводник электрического тока весьма сложна по своим электрическим свойствам, т. е. включает огромное количество различных активных и реактивных проводимостей. Особенно трудно выделить путь прохождения тока внутри живой ткани, так как в ней большое разнообразие неоднородных по структуре, плотности и химическому составу биологических включений. Рассмотрим некоторые особенности строения кожи.

Исходя из строения эпидермиса и протоков потовых желез основной путь электрического тока в коже проходит через протоки потовых желез. По экспериментальным данным, электрический ток начинает разветвляться на уровне четвертого слоя эпидермиса, который имеет относительно большое количество межклеточной жидкости и достигает сильного ветвления на уровне дермы. Так, по мере продвижения в глубь кожи плотность тока уменьшается. Дальнейшее распространение тока в живой ткани будет проходить по пути наименьшего сопротивления, т. е. по тем тканям организма, электропроводность которых максимальна. При исследовании электрических свойств кожи общепринято изображать эквивалентную электрическую схему в виде параллелью соединенных активного сопротивления и емкости. Предполагается, что R можно считать сопротивлением, представляющим, по крайней мере анатомически, три отдельных компонента -- роговой слой кожи, нижние слои эпидермы и тело. Наличие емкостной проводимости в кожном импедансе обусловлено в основном нижней частью, рогового слоя.

Поскольку величина импеданса кожи в основном определяется сопротивлением рогового слоя, то именно его функциональное состояние и способ контакта электрода с кожной поверхностью являются первой причиной возможной нестабильности. Обычно метод обработки кожи сводится к ее протиранию спиртом, после чего накладываются электроды с различными прокладками: марля, смоченная физиологическим раствором, электродная паста и т. д. После наложения электродов происходит медленное уменьшение величины кожного импеданса в течение примерно 30 мин. Для смачиваемых электродов подобные изменения могут быть связаны с постепенным впитыванием кожей электролита.

При накожном расположении электродов (рис. 1.3.4.) ток распределяется во всем объеме биоткани соответственно электрическому сопротивлению ее слоев. Прохождение электрического тока через нервную ткань может привести к электрическому раздражению ее. Распределение электрического тока в ткани резко уменьшает эффективность раздражающего тока, т.к. значительная доля его шунтируется и не проходит через нервные волокна (неэффективный ток). Сначала электрический ток проходит через роговой слой 1. В нем отсутствуют нервные окончания, поэтому электрический ток вызвать раздражение в этом слое не может. Эпидермис, в состав которого входит роговой слой, содержит еще блестящий 2, зернистый 3 и ростковый 4 слои. Толщина и электрическое сопротивление рогового слоя 1 в несколько раз превышает толщину и электрическое сопротивление остальных слоев эпидермиса, вместе взятых. В ростковом слое 4 уже встречаются нервные окончания 5.

Соединительная часть кожи состоит из двух слоев: сосочкового 6 и сетчатого 9, переходящих друг в друга без резкой границы. Сосочковый слой 6 представляет собой богатую рыхлую соединительную ткань, в которой проходят нервные волокна и много кровеносных капилляров 7. Значительная часть нервных окончаний 5 расположена сосочковом слое 6, часть в ростковом 4 и сетчатом слое 9 кожи. В связи с этим величина раздражающего тока при накожном расположении электродов значительно превосходит величину тока, который способен вызвать возбуждение, если бы электроды были введены внутрь нервов.

Чтобы вызвать адекватное раздражение нервной ткани электрический ток должен преодолеть сопротивление рогового слоя 1 и, пройдя блестящий 2 и зернистый 3 слои, иметь параметры достаточные для генерации под катодом потенциала действия (деполяризация). Поэтому электрические факторы должны определяться параметрами возбудимости: пороговой силой тока, длительностью его действия, крутизной нарастания, полярностью и частотой.

Рис.1.3.4. Прохождение силовых линий электрического поля в коже при накожном расположении электродов (I - роговой слой, 2 - блестящий слой, 3 - зернистый слов, 4 - ростковый слой, 5 - нервные окончания, 6 - сосочковый слой, 7 - кровеносные сосуды, 8 - дерма. 9 - сетчатый слой)

При раздражении точки, включается сложный рефлекторный механизм, в котором участвуют сосуды и нервы, химические вещества и гормоны, спинной и головной мозг. По характеру ответной, реакции биологически активные точки делятся на точки общего и местного действия.

Точки общего действия расположены в основном на руках и ногах и обладают стимулирующими и нормализующими свойствами. Кроме того, эти точки оказывают влияние на соответствующие внутренние органы и обладают местным действием. Точки местного действия находятся вблизи от соответствующей части тела и оказывают влияние на нее.

Анализ взаимодействия технической системы с биообъектом.

Методы и средства измерения электрокожных характеристик должны обеспечивать сохранение морфологической интактности и функционального состояния объекта исследования. Невыполнение первого из этих условий неизбежно приводит к нарушению второго. Функциональное состояние объекта исследования определяется внутренними факторами организма и находятся в постоянной зависимости от внешних факторов. Для адекватной оценки функционального состояния биологического объекта все факторы, определяющиеся воздействием средств измерения на объект исследования необходимо полностью устранить или свести к минимуму. При применении методов и средств активного контактного измерения ЭИ может произойти стимулирующее воздействие электрического тока на объект исследования, что вызовет изменение его функционального состояния. Стимулирующее воздействие осуществляется при достаточно мощном и длительном действии электрического тока на нервные или мышечные клетки и, изменяя функциональное состояние объекта исследования, увеличивает погрешность измерения и оценки состояния. Законы электрического раздражения нервной ткани хорошо известны и достаточно полно изучены в настоящее время [6,8]. Знание и использование этих законов позволяет разработать алгоритм формирования стимулирующего сигнала, осуществляющего адекватное раздражение нервной ткани и реализовать его в электростимуляторах различного назначения [6]. Однако вопросы, связанные с использованием электрического тока с диагностическими целями при невозбуждающем воздействии не нашли достаточного освещения в известной литературе. Поэтому, учитывая законы электрического раздражения нервной ткани для каждого явления, происходящего в клетке, необходимо разработать критерии невозбудимости и соответствующие им граничные параметры электрического сигнала.

Электрическое раздражение нервной (и мышечной) клетки - это такое действие электрического тока на них, которое вызывает ответ в форме потенциала действия (ПД). ПД - это электрический компонент возбуждения нервных и большинства мышечных клеток (волокон). Он появляется как ответ на достаточное по силе раздражение. Классическое исследование параметров и механизмов ПД проделано в работах Ходжкина и Хаксли (рис.1.3.5.) [22].

Рис.1.3.5.Изменение мембранного потенциала при различной силе и полярности возбуждающего тока

Пороговая сила деполяризущего тока (но не КУД) в известной море зависит от длительности раздражающего толчка тока. Эта зависимость выражается кривой силы - длительности порогового раздражения (рис.1.6.). На этой кривое видно, что толчки длительнее так называемого полезного времени имеют одинаковые пороговые силы, равные реобазе вне зависимости от их длительности. А более короткие толчки имеют тем более высокий порог, чем они короче - закон гиперболы [22].

а) б)

Рис.1.3.6. Кривые силы-длительности передового раздражения

(а) кривая зависимости пороговой величины стимула (I) от его длительности (t) и ее параметры; (б) кривая силы-длительности рассчитанная для мембраны одиночного перехвата Ранвье (расчеты кривой проведены Р.И.Грилихес, А.М.Русановьм, Б.И.Ходоровьм).

Толчки тока длительнее полезного времени, но по амплитуде меньше реобазы, также не вызовут генерации ПД, т.к. величины тока будет не достаточно для достижения мембранным потенциалом КУД, а количество электричества будет меньше порогового. Поэтому в качестве критерия невозбудимости можно принять недостижение плотности тока в области нервных тканей порогового значения величины реобазы J_р = 0,343 мА/см² [6].

Раздел 2. Исследовательская часть

Разработка биотехнической системы для измерения электрического импеданса (ЭИ) кожи человека обусловлена необходимостью проведения быстрых и точных биофизических исследований путем измерения электрических характеристик в биоактивных точках (точках акупунктуры (ТА)) кожи человека. Несмотря на то, что измерения ЭИ ТА широко применяются для оценки функционального состояния человека, некоторые методологические аспекты этого направления еще недостаточно изучены. Одним из таких общих вопросов является определение влияния особенностей строения точек акупунктуры на формирование электрокожного сопротивления. К проблемам, которые необходимо решить для эффективного использования ЭИ точек акупунктуры при оценке функционального состояния человека, относится и выбор тестирующего воздействия, которое не оказывало бы травмирующего действия на организм и не изменяло функционального состояния объекта исследования.

Для теоретического обоснования метода, повышения точности оценки функционального состояния по электрическим характеристикам ТА и определения параметров измерения, не нарушающих биологическую интактность биообъекта, необходимо разработать математическую модель, позволяющую оценить влияние различных биотканей и структур кожи на формирование электрокожного сопротивления и определить параметры измерительного сигнала, обеспечивающие интактность измерений.

...