DE19543406C2

DE19543406C2 - Meßfühler zum Messen der Psychogalvanischen Reaktion

Info

Publication number: DE19543406C2
Application number: DE19543406A
Authority: DE
Inventors: Axel Brueck; Wolfgang Krecker
Original assignee: GLOBALMIND CONSUMER ELECTRONIC
Current assignee: GLOBALMIND CONSUMER ELECTRONIC
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: DE19543406A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zum Messen der Psychogalvanischen Reaktion.

Die Messung der PGR (Psychogalvanische Reaktion) ist im Stand der Technik bekannt. Der Begriff PGR (Psycho Galvanic Res ponse) stammt ursprünglich aus dem angelsächsischen Raum, ist aber inzwischen auch im deutschsprachigen Raum geläufig. In der deutschsprachigen Literatur (beispielsweise Roche Lexikon Medizin; Verlag Urban und Schwarzenberg, 1984) wird die psychogalvanische Reaktion fälschlicherweise häufig mit dem Hautwiderstand gleichgesetzt. Wie unten noch näher auszuführen ist, ist der Begriff Hautwiderstand jedoch irreführend, da es sich bei der PGR nicht um einen Ohmschen Widerstand handelt. Ann Woolley-Hart beschreibt in British Journal of Dermatology (1972) 87, 213, einige physiologische Grundlagen der PGR.

Im Rahmen der Erfindung ist die PGR definiert als eine Span nung, die über einem Widerstand eines Spannungsteilers an liegt, der in Parallelschaltung mit zwei Elektroden verbunden ist, die entweder an den Handinnenflächen oder an den Fußsoh len anliegen.

Bei der PGR-Messung gelangt zunächst ein Meßstrom durch die Membranen der Schweißdrüsen in die Dermis, deren interstitiel le Flüssigkeiten eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufwei sen. Bestimmend für einen etwaigen Stromfluß ist der ver gleichsweise hohe Widerstand der Membranen. Somit ist es auch gleichgültig, ob die beiden Meßelektronen in geringem Abstand an einer Handinnenfläche anliegen oder ob je eine Meßelektrode an der Innenfläche der rechten und linken Hand anliegt. Schon diese Tatsache zeigt, daß der Begriff Hautwiderstand irrefüh rend ist und vermieden werden sollte.

Wenn an den PGR-Meßelektroden eine externe Spannung anliegt, wandern Ionen (überwiegend Na⁺ und Cl^-) aus der interste tiellen Flüssigkeit in den Bereich der Schweißdrüsenmembranen, die unter der Kontaktfläche der jeweiligen Elektrode liegen. Anionen wandern natürlich zu der positiven Elektrode und Kationen zu der negativen Elektrode. Die durch diese Ionen wanderung bewegte Polarisierung erzeugt eine gegen die extern angelegte Spannung gerichtete elektromotorische Kraft (eine Gegenspannung), die man als Verminderung der über dem parallel zu den Meßelektroden geschalteten Widerstand abfallenden Spannung messen kann. Vereinfacht ausgedrückt subtrahiert sich die durch die Polarisierung entstehende Gegenspannung von der externen Spannung, so daß ein parallel zu den Elektroden und dem entsprechenden Widerstand geschalteter Spannungsmesser eine verringerte Spannung und somit entsprechend der obigen Definition eine kleiner werdende psychogalvanische Reaktion (PGR) anzeigt.

Die Stärke der Polarisierung im Kontaktbereich der Elektroden hängt stark von dem Nachschub an Ionen in die Meßumgebung ab, der wiederum durch die Blutflußgeschwindigkeit bestimmt wird. Bei den Handinnenflächen und Fußsohlen handelt es sich um sogenannte volare Flächen, in denen die Blutflußgeschwindig keit von Anastomosen (Ventilen zwischen den arteriellen und venösen Kapillargefäßen) gesteuert wird. Diese Anastomosen stehen unter der Kontrolle des autonomen Nervensystems. Sie werden bei Anspannung oder Erregung geschlossen, so daß weniger Ionen zur Verfügung stehen und sich ein geringeres Gegenpotential (also ein höherer PGR-Wert) ergibt. Bei Ent spannung werden sie geöffnet, es gelangen mehr Ionen in die Meßumgebung, es ergibt sich ein höheres Gegenpotential und damit ein niedrigerer PGR-Meßwert. Diese physiologischen Grundlagen der PGR-Messung sind unter anderem in dem Artikel "Physiology of the arousal and relaxation response" von Geoffry G. Blundell und C. Maxwell Cade beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßfühler zum Messen der Psychogalvanischen Reaktion mit wenigstens zwei Elektroden zur Verfügung zu stellen, der so ausgebildet sein soll, daß die PGR- Messungen nach Möglichkeit reproduzierbar sind und nur in geringem Maße davon abhängen, wie der Proband die Meßfläche (üblicherweise die Handinnenfläche) mit dem Meßfühler in Kontakt bringt.

Erfindungsgemäß weist der Meßfühler eine konvex gewölbte Hand auflagefläche auf, an der die Elektroden angeordnet sind.

Es hat sich gezeigt, daß eine solche konvexe Handauflagefläche eine entspannte Handauflage und damit gleichmäßige und repro duzierbare Messungen ermöglicht. Bei der Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Elektrode erhöht man die Sicherheit, daß ein Absinken des PGR-Meßwerts gemäß Merkmal a) des An spruchs 1 tatsächlich auf das Eintreten eines Entspannungs zustandes und nicht etwa auf einen veränderten Kontakt der Handinnenfläche mit der Elektrode zurückzuführen ist.

Die Kontaktflächen der Elektroden sind zweckmäßigerweise gegenüber der Handauflagefläche erhaben. Die Gesamtkontakt fläche der (vorzugsweise zwei) Elektroden beträgt zweckmäßigerweise 2-10 cm², bevorzugt 3-5 cm². Die Kon taktflächen bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder Gold. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Handauf lagefläche die Form einer Kugelschale auf. Der Radius der Kugelscheibe beträgt vorzugsweise 3-10 cm, weiter vorzugs weise 4-7 cm. Der Abstand der Elektroden auf der Oberfläche der Kugelschale liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2-8 mm.

Das Vorliegen eines Entspannungszustandes kann anhand eines oder mehrerer der folgenden Kriterien festge stellt werden:

a) Absinken des PGR-Meßwerts innerhalb eines Zeitraums von 2-5 s um wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10%;
b) Abnahme der Schwankungen des PGR-Meßwerts auf maximal ± 1% und Anhalten dieser geringen Schwankungsbreite für wenigstens 2 s;
c) Absinken des EMG-Wertes auf weniger als ein Drittel des Ausgangswerts für einen Zeitraum von wenigstens 0,5 s, vorzugsweise wenigstens 1 s;
d) Überkreuzen der PGR-Meßwerte von rechter und linker Hand bei einer Zweikanalmessung;
e) Absinken der mit einem Fingerspitzensensor gemessenen unwillkürlichen Muskelaktivität der Finger auf weniger als ein Drittel des Ausgangswerts.

Das Feststellen einer allergenen Reaktion erfolgt anhand des Vorliegens einer oder mehrerer der folgenden Kriterien:

a) Anstieg des PGR-Meßwerts innerhalb eines Zeitraums von 2-5 s um wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10%;
b) Anstieg des EMG-Meßwerts um wenigstens 10%;
c) Anstieg der mit einem Fingerspitzensensor gemessenen unwillkürlichen Muskelaktivität der Finger um wenig stens 10%.

Die Auswertung der PGR-Meßwerte erfolgt sinnvollerweise durch AD-Wandlung und anschließendes Abtasten und Erfassen der digi talisierten Meßwerte. Die Auflösung der Digitalisierung sollte ausreichend sein, um auch geringfügige Schwankungen der PGR- Meßwerte von vorzugsweise noch deutlich unter 1% erfassen zu können. Zweckmäßigerweise ist die Auflösen der AD-Wandlung wenigstens 12 Bit, (4096 Punkte), vorzugsweise höher. Die Abtastrate bei der Digitalisierung muß so bemessen sein, daß die höchstfrequenten Schwankungen des Meßwerts, die man noch messen will, sicher erfaßt werden können.

Meßtechnisch verwendet man zur PGR-Messung vorzugsweise eine Gleichspannung, die Höhe der an den Meßelektroden anliegenden externen Leerlaufspannung beträgt vorzugsweise etwa 5 bis 10 Volt. Die Verwendung einer nicht zu hochfrequenten Wechsel spannung, bei der die oben beschriebenen Polarisierungseffekte der Schweißmembrandrüsen noch auftreten können, ist ebenfalls möglich.

Bei der PGR-Messung werden vorzugsweise beide Meßelektroden eines Meßkanals an die Innenfläche einer Hand angelegt. Es sind dann sogenannte Zweikanalmessungen möglich, bei denen die PGR-Werte der rechten und linken Hand getrennt über zwei Meßkanäle gemessen werden. Bei einer solchen Zweikanalmessung ist üblicherweise der Meßwert in einer Hand höher als in der anderen Hand. Bei Rechtshändern ist in der Regel der Meßwert der rechten Hand höher. Beim Eintreten eines Entspannungszu standes tritt eine sogenannte Überkreuzung der Meßwerte ein, d. h. der absolut höhere PGR-Meßwert wechselt von einer Hand in die andere. Dieses sogenannte Überkreuzen ist ebenfalls ein Kriterium zum Feststellen eines Entspannungszustandes.

Mit dem Begriff "Schwankungen des PGR-Meßwerts" ist der Anteil nieder frequenter Schwankungen bis etwa 20 Hz gemeint.

Bei den höherfrequenten Schwankungen des PGR-Meßwerts im Bereich etwa 20-500 Hz handelt es sich um die sogenannten EMG-Werte (Elektromyogramm). Das Abtrennen der EMG-Werte von dem PGR-Meßwert und dessen niederfrequenteren Schwankungen kann entweder analog durch einen Bandfilter (20-500 Hz) oder digital durch Fast-Fourier-Transformation (FFT) der digitali sierten Messung von der Zeit- in die Frequenzdomäne erfolgen.

Bei der EMG-Messung handelt es sich um eine Muskelspannungs messung der Muskeln der Handinnenfläche, an der die PGR- Messung erfolgt. Geringfügige unwillkürliche Schwankungen der Muskelspannung führen zu leichten Veränderungen der Kontakt fläche zwischen Hand und PGR-Meßelektroden und damit des Übergangswiderstandes Hand-Meßelektrode. Diese geringen Schwankungen führen zu den höherfrequenten Schwankungen des PGR-Meßwertes.

Der erfindungsgemäße Meßfühler kann beispielsweise Verwendung finden, um nach einem festgestellten Entspannungszustand ein optisch und/oder akustisch auf den Probanden einwirkendes Lernprogramm zu star ten. Bekanntlich ist die Aufnahmefähigkeit für neue Lerninhal te im entspannten Zustand wesentlich größer.

Zweckmäßig ist eine Vorrichtung zum Messen der Psychogalvanischen Reaktion mit we nigstens einem Meßfühler gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8.

Die übrigen Bestandteile solcher Vorrichtungen (Spannungsquellen, Spannungsteiler, Meßeinrich tungen, AD-Wandler, Speicher zum Speichern der digitalisierten Meßdaten, FFT-Einrichtungen, Auswerteinrichtungen) sind dem Fachmann geläufig und bedürfen hier keiner näheren Erläu terung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer PGR-Meßvorrichtung; und

Fig. 2 die Ansicht eines erfindungsgemäßen PGR-Meßfühlers.

Wie in Fig. 1 ersichtlich, wird ein aus den Widerständen R1 und R2 bestehender Spannungsteiler mit einer Spannungsquelle und Masse verbunden. Der Spannungsteiler ist so ausgelegt, daß von den 12 Volt angelegter Gesamtspannung über R2 im Leerlauf eine Spannung von 10 Volt abfällt. Zu diesem Zweck besitzt R1 einen Widerstand von 2 MΩ, R2 einen Widerstand von 10 MΩ. Die Elektroden 1 liegen an der Innenfläche einer Hand an. Beim Auftreten einer oben beschriebenen Polarisation in den volaren Flächen baut sich über den Elektroden 1 und damit dem Wider stand R2 eine der Versorgungsspannung entgegengerichtete Polarisationsspannung auf, so daß die über dem Widerstand R2 und damit dem AD-Wandler 2 anliegende Spannung (der PGR-Meß wert) sinkt. Der AD-Wandler 2 besitzt eine Auflösung von 16 Bit und eine Abtastrate von 1 kHz, um auch die höherfrequenten Schwankungen des PGR-Signals bis etwa 500 Hz (die EMG-Meß werte) noch ohne Frequenzfaltung erfassen zu können. Die digi talisierten Meßsignale werden in einer Speicher- und Auswert einheit 3 zunächst gespeichert und dann ausgewertet. Zum Tren nen der nieder- von den höherfrequenten Anteilen des PGR-Meß signals wird vorzugsweise eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen PGR-Meßfühler mit den daran angeordneten Meßelektroden 1. Die Handauflagefläche 4 weist die Form einer Halbkugel mit darauf angeordneten Elek troden 1 auf. Die Oberfläche der Elektroden 1 besteht aus Kupfer. Die Handauflagefläche 4 besteht aus einem isolierendem Material, vorzugsweise einem isolierenden Kunststoff. Ein An schlußkabel 5 verbindet den Meßfühler mit der Meß- und Aus wertvorrichtung.

Claims

1. Meßfühler zum Messen der Psychogalvanischen Reaktion (PGR) mit wenigstens zwei Elektroden (1), dadurch gekennzeich net, daß der Meßfühler eine konvex gewölbte Handauflage fläche (4) aufweist, an der die Elektroden (1) angeordnet sind.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der Elektroden (1) gegenüber der Handauf lagefläche (4) erhaben sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkontaktfläche der Elektroden (1) 2-10 cm², vorzugsweise 3-5 cm² beträgt.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kontaktfläche der Elektroden (1) aus Kupfer oder Gold besteht.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Handauflagefläche (4) die Form einer Kugelschale aufweist.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kugelschale 3-10 cm, vorzugsweise 4-7 cm beträgt.