BIOIMPEDANCE IDENTIFICATION OF HUMAN

Струнин Р.М.

Аспирант кафедры «Биомедицинские и электронные средства и технологии», Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

БИОИМПЕДАНСНЫЙ ИДЕНТИФИКАТОР ЧЕЛОВЕКА

Аннотация

Статья посвящена вопросу создания биоимпедансного идентификатора человека - устройства, позволяющего распознавать человека в результате измерения электрокожного сопротивления (ЭКС) его биоткани (пальцы и кисти рук, подошвы ног). В статье в кратком виде описана история биоимпедансного анализа, показана специфика и преимущества съема данных с ладони руки человека, а также представлен результат исследования о влиянии звуковых колебаний на психоэмоциональное состояние человека и значения биоимпедансного анализа.

Ключевые слова: Импеданс, идентификация человека, психоэмоциональное состояние человека, электрокожное сопротивление организма человека, бинауральный эффект, звуковые волны.

Strunin R.M.

Postgraduate student, Biomedical and electronic means and technology, Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

BIOIMPEDANCE IDENTIFICATION OF HUMAN

Abstract

The article focuses on the creation of human bioimpedance identifier - a device allowing to recognize a person as a result of measurement of electric resistance (ECS) his biological tissue (fingers and hands, soles of the feet). The article summarized describes the history of bioimpedance analysis shows the specificity and advantages of data removal from the palm of the human hand, as well as the results of research on the effect of sound vibrations on the psycho-emotional state of a person and the values of bioimpedance analysis.

Keywords: Impedance identification of human psycho-emotional state of a person, electrodermal resistance of the human body, binaural effect, the sound waves.

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

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

а)

б)

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

а)

б)

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 [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Л.И. Калакутский, С.А. Акулов, А.А. Федотов; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т). – Электрон. текстовые и граф. дан. (2,86 Мбайт). – Самара,    –  1 эл. опт. диск (CD-ROM).
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 [Текст] / Annu. Rev. Biomed. 2002. 4:1 – 27.
7. Thomasset   Bio-electrical  properties  of  tissue  impedance  measurements //  Lyon  Med. 1962. V.207. P.107-118.
8. http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia: 0131742: article, Фонд знаний Ломоносов.
9. http://files.eric.ed.gov/fulltext/EJ794474.pdf (дата обращения 10.03.2016).

References

1. Kalakoutskii L.I. Fundamentals of impulse impedance of biological tissues [electronic resource]: the electron. Proc. Benefit / Kalakoutskii L.I., Akulov S.A., Fedotov A.A.; Ministry of Education of Russia, Samar. state. aerokosm. Univ them. SP Queen (nat. Issled. Univ). - Electron. text and graphs. Dan. (2.86 MB). - Samara, 2011. - 1 e. wholesale. disk (CD-ROM).
2. Kupriyanov V., Stovichek G.V. «The man's face», 1988. - 272 s.
3. Martirosov E.G. Technologies and methods of determining the composition of the human body [text] / Martirosov E.G., Nikolaev D.V., Rudnev S.G. - M .: Nauka, 2006 - 248 s.
4. Nikolaev D.V. Bioimpedance analysis of the composition of the human body / Nikolaev D.V., Smirnov A.V., Bobrinskaya I.G., Rudnev S.G. - M .: Nauka, 2009. - 392 s. - ISBN 978-5-02-036696-1 (a lane.).
5. Sukhodoev V.V. Modification method of registration RAG person to assess the main components of the SFC. // Abstracts of the conference Ipanema January 31, 2007.
6. Kenneth R. Foster, HERMAN P. SCHWAN: A Scientist and Pioneer in Biomedical Engineering [Text] / Annu. Rev. Biomed. Eng. 2002. 4: 1 – 27.
7. Thomasset A. Bio-electrical properties of tissue impedance measurements // Lyon Med. 1962. V.207. P.107-118.
8. http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia: 0131742: article, Foundation knowledge Lomonosov.
9. http://files.eric.ed.gov/fulltext/EJ794474.pdf (reference date 03.10.2016).