СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТОРА Российский патент 1998 года по МПК A61B5/22 

Изобретение относится к медицине, а именно к способам определения функционального состояния оператора, и может быть применено эргономике.

Известны способы определения электрической активности сердца (ЭКГ) [1], измерения пульса при помощи пульсометрических датчиков, устанавливаемых непосредственно на теле человека [1]. Известен кинетокардиографический способ определения частоты дыхания, использующий измерение инфразвуковых низкочастотных вибраций грудной клетки [1].

Однако для измерения указанных параметров необходим непосредственный контакт измерительных элементов с различными частями тела человека, ограничивающий его подвижность и снижающий комфортность. Известен баллистокардиографический способ исследования сократительной функции сердца человека, основанный на регистрации движений его тела, связанных с сердечными сокращениями и перемещениями крови в сосудах, через регистрацию движений подвижной платформы, на которой находится исследуемый в лежачем положении [1].

Недостатком способа является необходимость расположения человека "лежа на спине" на специальном столе, поэтому оценка частоты сердечных сокращений и частоты дыхания производится при отсутствии двигательной активности (в покое).

Известен электромеханический способ определения двигательной активности оператора путем регистрации смещений рук в процессе операторской деятельности за счет наложения дополнительных механических связей на руки [2].

Известен способ регистрации двигательной активности с помощью кино- и видеосъемок.

Недостатки этих способов состоят в том, что деятельность оператора ограничена из-за дополнительных связей, наложенных на оператора. Эти способы требуют также большого объема ручной обработки при расшифровке записей, при этом физиологические параметры человека не регистрируются.

Наиболее близким к заявляемому способу является динамокрадиографический способ регистрации кардиограммы, содержащий размещение оператора не платформе, измерение и запись смещения центра давления части тела оператора на платформу вдоль двух (продольной и поперечной) координатных осей [3].

Однако в этом известном способе человека располагают в горизонтальном положении (лежа), воспринимающую платформу устанавливают под грудной клеткой, во время измерений человек должен задерживать дыхание, что исключает возможность оценивать функциональное состояние оператора в процессе профессиональной деятельности.

Указанные недостатки не позволяют одновременно контролировать частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и двигательную активность оператора, что ограничивает применение указанных способов для оценки функционального состояния во время работы оператора.

Изобретение направлено на повышение достоверности и информативности результатов оценки функционального состояния и двигательной активности оператора во время работы путем бесконтактного измерения частоты сердечных сокращений, частоты дыхания и показателей двигательной активности.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе, включающем размещение оператора на платформе, измерение и запись смещения центра давления оператора на платформу в течение заданного времени вдоль двух координатных осей X, Y, измерение и запись смещения центра давления на платформу осуществляют в положении оператора "сидя", а обработку записи производят после фильтрации ее электрического сигнала в заданных полосах пропускания.

При этом для повышения достоверности измерений дополнительно синхронно измеряют изменение силы давления тела на платформу вдоль оси Z, а частоту сердечных сокращений (ЧСС) и частоту дыхания (ЧД) определяют по результатам обработки на ЭВМ после фильтрации сигналов в полосе пропускания 0,5 - 30 Гц [4] с коэффициентом усиления К = 128 - 256.

Интенсивность двигательной активности оператора регистрируют после фильтрации сигнала в полосе пропускания до 0,5 Гц. Для большей эффективности измерений и обеспечения комфорта оператора на верхней поверхности платформы размещают упругую прокладку.

Важнейшими преимуществами предлагаемого способа являются.

применимость в наиболее распространенной для профессиональной деятельности оператора позе "сидя";
отсутствие необходимости специальной подготовки оператора;
отсутствие каких-либо связей, стесняющих оператора, мешающих выполнять операторские функции;
возможность конструктивного включения системы в состав "МАШИНЫ";
возможность визуализации параметров одновременно с регистрацией;
устойчивость к внешним электрическим помехам в связи с достаточно большим уровнем полезных сигналов;
комфортные условия для оператора за счет использования упругой прокладки на верхней поверхности платформы.

На фиг. 1 представлена блок-схема определения функционального состояния оператора; на фиг. 2 - записи по времени смещений центра давления тела оператора вдоль двух координатных осей X, Y и изменение силы давления тела на платформу по оси Z; на фиг. 3 - записи по времени электрокардиограммы, пневмограммы, пульса с мочки уха, а также динамографических составляющих (по X, Y, Z), связанных с функционированием органов дыхания и сердечно-сосудистой системы оператора, полученных с помощью дыхания; на фиг. 4 - платформа, установленная на кресле.

Для осуществления предлагаемого способа используется устройство (блок-схема которого приведена на фиг. 1) определения функционального состояния оператора. Устройство содержит систему первичных тензометрических преобразователей (1), собранных на основе дифференциальных усилителей в мостовую схему, последовательно связанную с системой выделения, фильтрации и нормирования сигналов физиологических и двигательной активности (2), при этом выход системы (2) связан через устройство центрирования (3) со вторым ее выходом и устройством согласования (4), с системой обработки и регистрации (5) на ЭВМ. Платформа (18) состоит из двух жестких (фиг. 4) плит, между которыми расположены упругие элементы с наклеенными на них тензометрическими датчиками системы первичных тензометрических преобразователей (1) и устанавливается на сиденье кресла (19) с размещенной на ней упругой прокладкой (20) (см.фиг. 4).

Для определения функционального состояния оператора размещают в положение "сидя" на платформе (18), при этом система первичных тензометрических преобразователей (1) обеспечивает получение электрических сигналов, вызванных перемещениями центра давления тела оператора при его рабочей двигательной активности, и динамографических составляющих по трем координатным осям.

При этом устройство центрирования обеспечивает автоматическое приведение отображения координат центра давления тела оператора к его среднему положению за счет нормированной обратной связи в диапазоне частот двигательной активности. Приведение производят в момент измерений через равные промежутки времени. В системе выделения, фильтрации и нормирования (2) производят частотное разделение в полосах пропускания до 0,5 Гц электрических сигналов с коэффициентом усилений К = 1, характеризующих двигательную активность, и в полосах 0,5 - 30 Гц с коэффициентом усиления 128 - 256 для регистрации пульсограммы и дыхания оператора. Устройство согласования (4) обеспечивает стыковку выходных сигналов с ЭВМ в стандарте 2S - 232 C и выдачу искомых аналоговых параметров (5).

Предлагаемый способ обеспечивает без специальной подготовки и помех деятельности оператора непрерывное одновременное измерение частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, показателей двигательной активности по двум координатным осям и изменения силы давления тела, используемое как в медицине, так и в эргономике. Примеры результатов первичного измерения по предлагаемому способу показаны на фиг. 2, 3, где на фиг. 2 приведены записи зависимости амплитуды сигнала (поз.10) по времени (поз.9) вдоль двух координатных осей X, Y при двигательной активности оператора (поз. 7, 8) и изменения силы давления тела по оси Z на платформу (поз. 6), а на фиг. 3 дано сравнение электрокардиограммы, пневмограммы и пульса с мочки уха с динамографическими составляющими, связанными с функционированием органов дыхания и сердечно-сосудистой деятельностью оператора по трем каналам записи на ленте электрокардиографа 6 NER, зарегистрированные с помощью предлагаемого способа:
где поз. 12 - электрокардиограмма (ЭКГ);
13 - пневмограмма (ПГ);
14 - пульс мочки уха (ПМУ);
15 - изменение силы давления тела на платформу;
16, 17 - продольное и боковое смещение центра давления тела на платформе;
11 - амплитуды отклонения (отн. единицы).

Анализ записей показывает соответствие сигналов ЭКГ и ПМУ (12, 14) сигналам пульса (кривые 16, 17) и сигнала ПГ (кривая 13) сигналу дыхания (кривые 15, 17).

На кривой 17 видно наличие одновременно сигналов дыхания и пульса оператора.

В примере (фиг. 2) зафиксированы последствия наклона туловища вбок (на кривой 8) 0 - 3,5 с записи) и двукратного отклонения туловища вперед-назад (на кривой (7) 3,5 - 5 с записи). Видно, что отклонения туловища вперед-назад (кривая 7) сопровождались непроизвольными боковыми смещениями центра давления (кривая 8).

В примере (фиг. 3) расстояние между соседними пиками (на кривой 16) равно 23 мм, что соответствует периоду, равному 0,92 с (см. позицию 9), где одна секунда соответствует 25 мм и следовательно частоте пульса 60/0,92 - 65,5 уд/мин. Эта величина соответствует результату, полученному по интервалам времени на кардиограмме (кривая 12) или по сигналу с датчика на мочке уха (кривая 14). Расстояние между соответствующими фазами на кривых 15 и 17 равно 112 мм, что соответствует периоду, равному 4,5 с, и частоте дыхания 60/4,5 = 13,4 уд/мин, что подтверждается кривой дыхания (13), полученной с контрольного датчика дыхания.

После обработки на ЭВМ сигналы дыхания и пульса, выделенные с помощью фильтрации в диапазоне частот 0,5 - 30 Гц и усиления с коэффициентом усиления 64 - 128 совместно с параметрами двигательной активности, выделенными с помощью фильтрации в диапазоне частот до 0,5 Гц, позволяют оценить напряженность и специфические признаки работы оператора, характерные для данной профессиональной деятельности. Специфическими признаками работы оператора являются максимальные и средние за выбранный период времени амплитуды и фазы смещения центра давления тела оператора на сиденье, промежутки времени между периодами активности, скорость изменения фаз и амплитуд смещения.

Литература.

1. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы: Справочник. - М.: Медицина, 1986, с. 4, 320, 207.

2. Авторское свидетельство N 584846, 1977.

3. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы. Справочник. 1986, с. 194 (прототип).

4. Утямышев Р.И. Радиоэлектронная аппаратура для исследования физиологических процессов. М.: Энергия, 1969, с.9.

Изобретение относится к медицине и эргономике, в частности к способам определения функционального состояния оператора сложных систем. Технический результат состоит в повышении достоверности и информативности результатов диагностирования психофизиологического состояния оператора во время работы путем бесконтактного измерения частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, интенсивности двигательной активности. Для достижения этого оператора размещают на воспринимающей платформе и производят измерение и запись по времени смещения центра давления и изменения силы давления тела оператора на платформу с упругой прокладкой. Обработку записи на ЭВМ производят после фильтрации ее электрических сигналов в заданных полосах пропускания. Определяют частоту дыхания и частоту сердечных сокращений по результатам фильтрации сигналов с коэффициентом усиления 128 - 256 в полосе пропускания 0,5 - 30 Гц, а двигательную активность - в полосе до 0,5 Гц. Дополнительно анализируют изменения давления тела на платформу в тех же полосах частот. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения функционального состояния оператора, включающий размещение оператора на платформе, измерение и запись смещения центра давления тела оператора на платформу вдоль двух координатных осей, обработку записи, определение частоты сердечных сокращений, частоты дыхания и оценку состояния оператора, отличающийся тем, что измерения и запись смещения центра давления тела оператора на платформу осуществляют в положении оператора "сидя", а обработку записи производят после фильтрации электрических сигналов в полосах пропускания до 0,5 Гц, характеризующих двигательную активность оператора, и 0,5 - 30 Гц сигналов, характеризующих частоту сердечных сокращений и частоту дыхания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют изменение по времени силы давления тела оператора на платформу. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют с размещением упругой прокладки на рабочей поверхности платформы.