СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА Российский патент 2003 года по МПК A61B5/04 

Предлагаемая система мониторинга человека-оператора относится к области медицины, а именно к исследовательским и диагностическим системам с биологической обратной связью для комплексной оценки состояния и возможностей человека-оператора и оперативной коррекции его психофизиологического состояния.

В ряде случаев (например, для операторов атомных электростанций, космических станций, подводных лодок и другой человеко-операторской деятельности, требующей принятия решения в экстремальных ситуациях) необходимо осуществление непрерывного мониторинга человеко-операторских систем в условиях естественных (или максимально приближенных к таковым) для выполнения поставленных задач и принятия оперативного решения о профессиональной пригодности на данный момент времени и допускового контроля.

При этом необходимо, чтобы подобные системы обладали биологической обратной связью с оператором, позволяющей не только контролировать степень адекватности его поведения, но и производить оперативную коррекцию, в случае необходимости, его психофизиологическое состояние специальными методами.

Подобная система должна быть компактна, высокоинформативна, обладать высокой степенью надежности и достоверности.

Существующие полиграфы, обладающие большим числом каналов, имеют крупные размеры и большое время обработки информации. В них практически не реализуется биологическая обратная связь для оперативной коррекции психофизиологического состояние человека-оператора.

Поэтому возникает необходимость с целью сокращения габаритных размеров и времени обработки произвести выборку наиболее информативных биоэлектрофизиологических каналов состояния человека-оператора и наиболее эффективных методов коррекции его психофизиологического состояния. На данный момент времени наиболее значимыми каналами психофизиологического состояния человека-оператора считаются каналы ЭГГ, ЭКГ, термограммы и др.

Известна система снятия и обработки электроэнцефалографических сигналов (электроэнцефалограф) (Л.Р. Зенков. Клиническая электроэнцефалография. - Таганрогский государственный радиотехнический университет, 1996, с. 24), содержащий блок коммутации, блок усилителей и фильтров, АЦП, блок ввода данных, процессорный блок, блок стимуляции и генератор калибровочных сигналов.

Известна также система регистрации и анализа вызванных потенциалов мозга ( В.В. Гнездицкий. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике. - Таганрогский государственный радиотехнический университет, 1997, с. 27), содержащая генератор стимулов, блок стимуляции, усилители ЭЭГ, фильтр, АЦП, процессор выделения и обработки ВП, принтер и монитор.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, в обеих системах являются ограниченный динамический диапазон входных частот, большие аппаратные затраты, низкая точность, наличие проводной связи между человеком и системой, что делает невозможным ее применение для непрерывного мониторинга человека-оператора в процессе выполнения поставленных задач, и ограниченные функциональные возможности.

Из известных систем наиболее близкой по технической сущности является система регистрации, хранения и исследования электробиопотенциалов (заявка 96121714 от 14.11.1996 . Система регистрации, хранения и исследования электробиопотенциалов), содержащая набор электродов, элементы защиты, управляемые ключи (коммутаторы), блок формирования тестовых сигналов, блок формирования разностных сигналов, дифференциальные усилители, фильтры, коммутатор, АЦП, контроллер, блок гальванической развязки, интерфейс, микроЭВМ, цепь формирования сигнала подавления синфазной составляющей.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что система при сравнительном увеличении точности по отношению к предыдущим устройствам все также имеет ограниченный динамический диапазон входных частот, большие аппаратные затраты, наличие проводной связи между человеком и системой, что делает невозможным ее применение для непрерывного мониторинга человека-оператора в процессе выполнения поставленных задач, и ограниченные функциональные возможности.

Признаки прототипа, общие с заявляемым техническим решением, следующие: набор электродов (датчики биологических сигналов и датчик общего электрода), цепь формирования сигнала подавления синфазной составляющей (электрод подавления синфазной составляющей), коммутатор (мультиплексор биоэлектрических сигналов), дифференциальные усилители (усилитель-нормализатор (УН), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (аналого-цифровой преобразователь электробиологических сигналов (АЦПЭБС), микроЭВМ (контроллер управления), интерфейс последовательной связи (ИПС), персональный компьютер (центральный компьютер).

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности, уменьшение габаритных размеров, более высокая информативность, повышенная степень надежности и достоверности результатов мониторинга, а также осуществление скоровспомощных способов коррекции психофизиологического состояния оператора.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении информативности биологической информации (расширенный диапазон частот электробиологических сигналов и дополнительный канал термограммы), наличие биологической обратной связи для осуществление оперативной коррекции психофизиологического состояния человека-оператора, наличие беспроводной связи, позволяющее осуществлять функционирование системы в целом в нормальных условиях для деятельности человека-оператора или максимально приближенным к естественным, общее повышение точности и надежности системы, уменьшение весогабаритных параметров устройства съема биологической информации и устройства коррекции психофизиологического состояния человека-оператора с применением биологической обратной связи.

Система состоит из следующих компонентов: датчики биологических сигналов, датчик общего электрода, электрод подавления синфазной составляющей, мультиплексор биоэлектрических сигналов, усилитель-нормализатор, аналого-цифровой преобразователь электробиологических сигналов, контроллер управления, интерфейс последовательной связи, центральный компьютер. В нее также включены дополнительно следующие блоки: предварительный усилитель, источник автономного питания, датчик температуры, мультиплексор термоэлектрических сигналов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) коррекции нуля, АЦП термоэлектрических сигналов, преобразователь код - напряжение для подавления синфазной составляющей (ПКНПС), блок памяти микропрограмм, оперативно-запоминающее устройство, процессор биологической обратной связи (БОС), ЦАП стимулов и тестов, нормализатор стимулов и тестов, блок коммутации парафазного сигнала, беспроводное приемопередающее устройство человека-оператора, беспроводное приемопередающее устройство компьютера.

Изобретение поясняется фиг. 1, где приведена структурная схема системы.

В состав системы входят следующие блоки:
1.1 -1.N. - датчики биологических сигналов (ДБС),
2 - датчик общего электрода (ДОЭ),
3 - электрод подавления синфазной составляющей (ЭПСС),
4 - мультиплексор биоэлектрических сигналов (МБЭС),
5 - мультиплексор термоэлектрических сигналов (МТЭС),
6 - усилитель-нормализатор (УН),
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) электробиологических сигналов (АЦПЭБС),
8 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) коррекции нуля (ЦАПКН),
9 - АЦП термоэлектрических сигналов (АЦПТЭС),
10 - преобразователь код - напряжение для подавления синфазной составляющей (ПКНПС),
11 - контроллер управления (КУ),
12 - блок памяти микропрограмм (БПМП),
13 - оперативнозапоминающее устройство (ОЗУ),
14 - процессор БОС (ПБОС),
15 - ЦАП стимулов и тестов (ЦАПСТ),
16 - нормализатор стимулов и тестов (НСТ),
17 - блок коммутации парафазного сигнала (БКПС),
18 - интерфейс последовательной связи (ИПС),
19 - беспроводное приемопередающее устройство человека-оператора (например, по инфракрасному каналу) (БПУЧО),
20 - беспроводное приемопередающее устройство компьютера (БПУЦК),
21 - центральный компьютер (ЦК).

В состав датчика биологических сигналов входит:
1.1.1 - электрод (например, хлор серебряный),
1.1.2 - предварительный усилитель,
1.1.3 - источник автономного питания,
1.1.4 - датчик температуры.

В состав ДОЭ:
2.1 - электрод общий,
2.2 - усилитель,
2.3 - датчик температуры,
2.4. - источник автономного питания.

А на фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма работы системы, где приняты следующие обозначения:
1 - "Начало";
2 - "Тестирование";
3 - "Проверка исправности";
4 - "Сигнал неисправности";
5 - "Режим мониторинга?";
6 - "А=1";
7 - "В=1";
8 - "Ввод биоэлектрических сигналов с А электрода";
9 - "Ввод термоэлектрических сигналов с электрода В";
10 - "Проверка на соответствие нормализованному сигналу";
11 - "Ввод и обработка данных в процессоре биологической обратной связи";
12 - "Вывод данных из процессора в ОЗУ";
13 - "B>N+1";
14 - "В=В+1";
15 - "A>N";
16 - "Вывод данных в центральный компьютер";
17 - "А=А+1";
18 - "Изменение коэффициента усиления усилителем-нормализатором";
19 - "Режим стимуляции?";
20 - "Ввод программы стимуляции";
21 - "Нормирование стимулирующего сигнала";
22 - "Выбор необходимой пары электродов от 1 до N+1";
23 - "Стимуляция зон";
24 - "Продолжить стимуляцию?"
25 - "Продолжить работу?"
26 - "Конец".

Система работает следующим образом: датчики биологических сигналов 1 располагают на голове человека-оператора по соответствующей схеме. ДОЭ 2 располагают в месте расположения общего электрода биоэлектрических сигналов. Электрод подавления синфазной составляющей 3 располагают на участке тела, существенно удаленном от датчиков биологических сигналов (например, на одной из конечностей.)
Блоки 4-19, выполненные конструктивно в компактом корпусе, располагают в месте, удобном для выполнения рабочей деятельности оператора.

Блок 20 и 21 расположены стационарно, в месте, удобном для осуществления постоянного мониторинга.

При включении системы осуществляется режим тестирования (см. фиг.2), после которого следует режим мониторинга с возможностью использования БОС электростимуляции.

Процесс мониторинга состоит в следующем: с каждого из датчиков биологических сигналов от 1.1 до 1.N информация о психофизиологическом состоянии человека оператора в виде электрического потенциала поступает на соответствующие мультиплексоры: МБЭП и МТЭС. Мультиплексор 4 обеспечивает поочередное подключение каждого из датчиков от 1.1 до 1.N через УН 6 к входу АЦП 7. Мультиплексор 5 обеспечивает подключение сигналов с датчиков температуры от 1 до N+1, к входу АЦП 9. Процессор 11 осуществляет съем и обработку информации с обоих АЦП 7 и 9. Для обеспечения работы блока 11 служит БПМП 12. Обмен информации с центральным компьютером 21 осуществляется через интерфейсный узел 14 по беспроводному каналу 20, 19. Для расширения нижней границы полосы частот обрабатываемых сигналов с биологических датчиков от 1 до N используется ЦАП 8, осуществляющий компенсацию постоянной составляющей каждого канала. КУ 11 осуществляет нормализацию измеряемых сигналов в соответствии с уровнем входных сигналов по каждому из каналов. Для подавления синфазной составляющей используется электрод 3, который по сигналу процессора 11 через ПКНПС 10 приводит потенциал человека-оператора к уровню, близкому к среднему значению измеряемого потенциала. С первого выхода блока тестовых сигналов поступает сигнал на вторые входы дифференциальных усилителей каждого из датчиков от 1 до N. При необходимости режим мониторинга может сопровождаться режимом стимуляции.

В режиме стимуляции: процессор БОС (14) и ОЗУ (13) осуществляют реализацию программ БОС по заданному событию. При этом с соответствующих выходов ПБОС (14), на входы ЦАПСТ (15) подаются цифровые коды, соответствующие необходимой форме и величине стимула. Выход преобразователя соединен с НСТ (16), назначение которой в том, чтобы привести выходной сигнал ЦАПСТ к уровню стимула и развязать его по питанию, БКПС (17) осуществляет поочередный выбор необходимых пар электродов от 1 до N+1, расположенных в соответствующих зонах стимуляции.

Режим тестирования: КУ выбирает из БПМП соответствующий набор тестовых сигналов, которые поступают на входы ЦАПСТ. НСТ, соединенный с выходом ЦАПСТ, по соответствующей команде с КУ переключается в режим нормализатора тестового сигнала. Нормализованный тестовый сигнал с НСТ поступает на блок коммутации парафазного сигнала, который осуществляет его последовательную подачу на все электроды.

Таким образом описанная выше система позволяет осуществлять оперативную комплексную оценку состояния и возможностей человека-оператора с высокой достоверностью и эффективную оперативную коррекцию его психофизиологического состояния с применением биологической обратной связи.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к исследовательским и диагностическим системам с биологической обратной связью. В систему входят датчики биологических сигналов, датчик общего электрода, электрод подавления синфазной составляющей, мультиплексор биоэлектрических сигналов, усилитель-нормализатор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) электробиологических сигналов, контроллер управления, интерфейс последовательной связи, центральный компьютер, предварительный усилитель, источник автономного питания, датчик температуры, мультиплексор термоэлектрических сигналов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) коррекции нуля, АЦП термоэлектрических сигналов, преобразователь код - напряжение для подавления синфазной составляющей, блок памяти микропрограмм, оперативно-запоминающее устройство, процессор биологической обратной связи, ЦАП стимулов и тестов, нормализатор стимулов и тестов, блок коммутации парафазного сигнала, беспроводное приемопередающее устройство человека-оператора, беспроводное приемопередающее устройство компьютера. Это позволяет повысить информативность биологической информации, расширить функциональные возможности системы и уменьшить ее размеры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система мониторинга человека-оператора, содержащая датчики биологических сигналов, первые выходы которых подключены к N входам мультиплексора биоэлектрических сигналов, выход которого подключен к первому входу усилителя-нормализатора, датчик общего электрода, первый выход которого соединен с первыми входами каждого датчика биологических сигналов, электрод подавления синфазной составляющей, аналого-цифровой преобразователь электробиологических сигналов, контроллер управления, интерфейс последовательной связи, центральный компьютер, отличающаяся тем, что в нее введены цифроаналоговый преобразователь коррекции нуля, аналого-цифровой преобразователь термоэлектрических сигналов, процессор биологической обратной связи, оперативно запоминающее устройство, блок памяти микропрограмм, беспроводное приемопередающее устройство человека-оператора, беспроводное приемопередающее устройство компьютера, цифроаналоговый преобразователь стимулов и тестов, нормализатор сигналов стимулов и тестов, цифроаналоговый преобразователь подавления синфазной составляющей, блок коммутации парафазного сигнала, мультиплексор термоэлектрических сигналов, к N+1 входам которого подключены вторые выходы датчиков биологических сигналов и второй выход датчика общего электрода, а выход через аналого-цифровой преобразователь термоэлектрических сигналов - к первому входу процессора биологической обратной связи, ко второму входу которого через аналого-цифровой преобразователь электробиологических сигналов подключен выход усилителя-нормализатора, к второму входу которого подключен выход цифроаналогового преобразователя коррекции нуля, вход которого соединен с первым выходом процессора биологической обратной связи, второй выход которого подключен через цифроаналоговый преобразователь стимулов и тестов к входу нормализатора сигналов стимулов и тестов, а через цифроаналоговый преобразователь подавления синфазной составляющей - к входу электрода подавления синфазной составляющей, третий выход процессора биологической обратной связи подключен к первому входу контроллера управления, второй вход которого соединен с двунаправленной шиной, подключенной к третьему входу процессора биологической обратной связи, входу оперативного запоминающего устройства и интерфейсу последовательной связи, третий вход соединен с выходом памяти микропрограмм, а выход соединен с входом блока памяти микропрограмм, с третьим входом усилителя-нормализатора, входами управления мультиплексоров биологических и термоэлектрических сигналов, блока коммутации парафазного сигнала, вторым входом нормализатора сигналов стимулов и тестов, третий вход которого соединен с первым выходом датчика общего электрода, парафазный выход которого через (N+1)•2 выходов блока коммутации парафазного сигнала подключен к соответствующим вторым входам датчиков биологических сигналов и входу датчика общего электрода, причем выход интерфейса последовательной связи через беспроводное приемопередающее устройство человека-оператора и беспроводное приемопередающее устройство компьютера подключен к центральному компьютеру. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что датчики биологических сигналов содержат источник автономного питания, электрод, датчик температуры, предварительный усилитель, первый вход которого соединен с первым входом датчика биологических сигналов, второй вход - с электродом и со вторым входом датчика биологических сигналов, а выход - с первым выходом датчика, второй выход датчика биологических сигналов соединен с выходом датчика температуры, причем источник автономного питания подключен к предварительному усилителю и датчику температуры. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что датчик общего электрода содержит источник автономного питания, общий электрод, датчик температуры, согласующий усилитель, вход которого соединен с общим электродом и с входом датчика общего электрода, а первый выход - с первым выходом датчика общего электрода, второй выход датчика общего электрода соединен с выходом датчика температуры, причем источник автономного питания подключен к согласующему усилителю и датчику температуры.