УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2003 года по МПК A61B5/16 

Устройство для определения психофизиологического состояния человека может быть использовано для решения разнообразных задач прикладной психофизиологии и медицины труда, в частности для контроля операторской деятельности человека, выполняющего ответственные функции в различных областях деятельности, связанные с большими психологическими нагрузками, например, на авиационном, железнодорожном, автомобильном транспорте, на предприятиях АЭС, энергетики, а также для индивидуального самоконтроля функциональных возможностей человека.

Известно устройство для определения изменения эмоционального состояния по речевому сигналу, содержащее блок выделения основного тона, блок умножения, блок формирования модуля разностного сигнала, блок деления, сумматор и индикатор. Блок формирования модуля разностного сигнала, блок умножения выполнен параллельно между выходом блока выделения основного тона и входом блока деления, к выходу которого подключены сумматор и индикатор (см. Авторское свидетельство СССР 793575, МКИ А 61 В 5/16, 1977 г.).

Недостатками известного устройства являются малая информативность и оперативность, низкая точность диагностических данных.

Ближайшим техническим решением является устройство, патент США 5741217, Н Кл. 600/547, 1998 г., в котором датчик определения физиологических характеристик выполнен в виде электрода, расположенного на поверхности корпуса прибора в контакте с кожей человека. Датчик подключают к измерительной схеме для определения физиологического состояния человека.

Недостатками известного устройства являются малая оперативность и недостаточная информативность и достоверность.

Техническим результатом предложенного устройства для определения психофизиологического состояния человека является повышение оперативности и достоверности результатов диагностики, а так же увеличение информативности определения психофизиологического состояния человека и обеспечение надежности и безопасности профессиональной деятельности, что позволяет сохранить здоровье различных категорий населения за счет расширения функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения психофизиологического состояния человека, содержащем два датчика, один из которых является датчиком электрокожного сопротивления (ЭКС), выходы датчиков подключены к входам двухканального измерительного блока, каждый канал которого выполнен в виде последовательно соединенных шумоподавляющего фильтра, усилителя и аналого-цифрового преобразователя, и блок обработки, связанный с измерительным блоком, в качестве второго датчика использован датчик фотоплетизмограммы (ФПГ), а блок обработки выполнен двухканальным в виде последовательно соединенных в каждом канале цифрового фильтра, дифференциатора и компаратора, причем выход компаратора первого канала соединен с блоком определения психоэмоционального состояния человека, а выход компаратора второго канала соединен с блоком накопления и определения параметров RR интервалов, выход которого соединен с анализатором состояния сердечно-сосудестой системы, выход которого и выход блока определения психоэмоционального состояния соединены с анализатором психофизиологического состояния человека, выход которого соединен с блоком выбора тест-стимулов, воздействующих на человека, блок датчиков расположен на поверхности компьютерной мыши или блок датчиков расположен на поверхности штурвала, или блок датчиков расположен на поверхности джойстика, или блок датчиков расположен на поверхности руля автомобиля, или блок датчиков расположен на поверхности клавиатуры, например компьютера, а блок тест-стимулов выполнен в виде звуковых раздражителей или блок тест-стимулов выполнен в виде световых раздражителей.

Устройство для определения психофизиологического состояния человека иллюстрируется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства.

Устройство для определения психофизиологического состояния человека содержит последовательно соединенные между собой блок датчиков 1 электрокожного сопротивления (ЭКС) и фотоплетизмограммы (ФПГ) человека, двухканальный измерительный блок 2 сигналов с блока датчиков 1, двухканальный блок обработки сигналов 3 с соответствующих датчиков ЭКС и ФПГ, анализатор психофизиологического состояния (ПФС) 4 человека, блок выбора комбинации тест-стимулов 5, предъявляемых человеку. Блок датчиков 1 представляет собой комбинацию детекторов двух и более физиологических параметров, например двух: датчика электрокожного сопротивления 6 и датчика фотоплетизмограммы 7. Выход каждого датчика соединен через шумоподавляющие фильтры 8, 9 и усилители 10, 11 с аналого-цифровыми преобразователями АЦП 12, 13 измерительного блока 2, преобразующих аналоговые сигналы с датчиков ЭКС и ФПГ в цифровые коды. Блок обработки сигналов 3 выполнен в виде последовательно соединенных по каналу каждого датчика цифровых фильтров 14, 15, дифференциаторов 16, 17, блок определения параметров сигнала ЭКС 18 (амплитуда импульса, скорость нарастания, латентный период, площадь под кривой) по сравнительным Аср, Тср, Scp, компаратор 19 канала ФПГ, сравнивающий амплитуду сигнала ФПГ с опорным значением Uoпор. Выход блока определения параметров сигнала ЭКС 18 канала датчика ЭКС соединен с блоком определения психоэмоционального состояния человека-оператора (ПЭС) 20 по зависимости между величиной ЭКС и степенью эмоционального напряжения человека. Выход компаратора 19 канала ФПГ соединен с вариометром RR интервала 21, накапливающим массив их значений и определяющим их вариабельность (степень изменчивости). Выход вариометра 21 соединен с анализатором состояния сердечно-сосудистой системы (ССС) 22, определяющего уровень напряжения регуляторных механизмов ССС. Выходы каждого канала блока обработки сигналов 3 соединены с анализатором психофизиологического состояния (ПФС) 4, выход которого соединен с блоком выбора тест-стимулов 5, стимулирующим психофизиологические реакции человека.

Устройство для определения психофизиологического состояния работает следующим образом.

Блок датчиков 1 размещен на поверхности манипулятора механизма, управляемого человеком, например пульта управления. Манипулятор, которым может быть компьютерная мышь или джойстик, руль, штурвал, клавиатура и т.п., выполнен со встроенными датчиками некоторых физиологических параметров человека, функционально полностью совместимый со стандартными устройствами. Во время работы кожный покров пальцев человека контактирует с датчиками ЭКС 6 и ФПГ 7. Датчик ЭКС 6 выполнен, например, в виде двух металлических электродов, на которые подают постоянное напряжение от гальванически изолированного источника питания порядка 0,5 В. ЭКС - тоническая составляющая сопротивления кожи человека, сложный интегративный показатель деятельности коры головного мозга, отражающий, в частности, психоэмоциональное состояние человека. Одновременно с помощью датчика фотоплетизмограммы 7 снимают сигнал, пропорциональный кровенаполнению периферических сосудов пальца человека. Датчик ФПГ 7 представляет собой инфракрасную оптическую пару, например светодиод и фототранзистор, работающую на просвет или отражение и измеряющую величину, пропорциональную кровенаполнению периферических сосудов человека. Сигналы с датчиков ЭКС 6 и ФПГ 7 соответственно поступают на высокочастотные фильтры 8 и 9 для выделения полезного сигнала. После прохождения фильтров сигналы усиливают усилителями 10 и 11 до уровня, необходимого для преобразования в цифровой вид с помощью стандартных аналого-цифровых преобразователей 12 и 13, например до 5 В. АЦП работают на частоте, во много раз превышающей частоту полезного сигнала.Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на цифровые фильтры 14 и 15 для понижения частоты дискретизации и избирательной фильтрации сигнала. Далее сигнал поступает на дифференциаторы 16 и 17 для выделения передних фронтов, которые характеризуют временные параметры измеряемых сигналов. С выхода дифференциатора 17 сигнал поступает на компаратор 19, который сравнивает уровень сигнала с опорным Uoпор и выделяет RR интервал (время между двумя соседними сокращениями сердца). С выхода дифференциатора 16 сигнал поступает на компаратор 18, который определяет параметры сигнала ЭКС-амплитуду, скорость нарастания, латентный период и площадь по сравнительным Аср, Тср, Scp, которые передаются на определитель психоэмоционального состояния человека (ПЭС) 20. Блок ПЭС 20 по соотношению параметров ЭКС определяет характеристики эмоционального состояния человека в терминах "активация-торможение". С выхода компаратора 19 длительность RR интервала подается на RR вариометр, который накапливает и определяет статистические параметры массива RR интервалов. Полученные параметры подают на анализатор состояния сердечно-сосудистой системы (ССС), который определяет состояние ССС по соответствующей матрице состояний. Параметры психоэмоционального и физиологического состояния поступают на анализатор психофизиологического состояния (ПФС) 4, который в зависимости от их значений вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на блок тест-стимулов 5. Блок тест-стимулов представляют собой комбинацию звуковых, речевых, графических, текстовых, световых и т.п. воздействий на человека. Реакции человека на тест-стимулы в виде физиологических параметров регистрируют блоком датчиков 1, тем самым создавая обратную биологическую связь системы "человек - машина". Рассмотрим работу устройства для определения психофизиологического состояния человека на конкретном примере использования его для релаксации человека. Сигналы с блока датчиков 1, регистрирующие ЭКС и фотоплетизмограмму (ФПГ), обрабатывают измерительным блоком 2 и в цифровом виде подают на блок обработки сигналов 3, который определяет параметры психоэмоционального (ПЭС) и физиологического (ФС) состояния человека. Эти параметры подают на анализатор психофизиологического состояния (ПФС) 4, который, отслеживая динамику изменения ПФС по шкале "активация - торможение", вырабатывает управляющий сигнал на блок тест-стимулов 5. Этот блок отображает, например, на экране монитора, в графическом виде, в виде цветовой гаммы или образных представлений аудио-видео характера текущее состояние человека, что, образуя биологическую обратную связь (БОС), приводит к его сознательному изменению и последующему улучшению функциональных возможностей человека.

Измерительный блок 2 выполнен в виде автономного блока и может иметь интерфейс с компьютером типа RS232. АЦП измерительного блока 2 может иметь 8 разрядов и быстродействие порядка 1 мс. Целесообразно использовать один АЦП (возможно с последовательным интерфейсом) и аналоговый мультиплексор на 2 входа для коммутации измерительных каналов ФПГ и ЭКС. Изготовление всего устройства не требует применения специальных технологий и может быть реализовано по стандартной схеме изготовления радиоэлектронной аппаратуры. Вся элементная база выпускается серийно и доступна для свободного приобретения. Работа устройства апробирована специалистами в области авиакосмической медицины.

Устройство для определения психофизиологического состояния человека позволяет повысить оперативность, достоверность и информативность определения психофизиологического состояния человека, а также обеспечить надежность и безопасность профессиональной деятельности, что позволяет сохранить здоровье различных категорий населения за счет расширения функциональных возможностей.

Изобретение может быть использовано для решения различных задач прикладной психофизиологии и медицины труда, в частности для контроля операторской деятельности человека, выполняющего ответственные функции в различных областях деятельности, связанные с большими психологическими нагрузками, а также для индивидуального самоконтроля функциональных возможностей человека. Устройство содержит последовательно соединенные между собой блок датчиков электрокожного сопротивления (ЭКС) и фотоплетизмограммы (ФПГ), двухканальный измерительный блок, двухканальный блок обработки сигналов, анализатор психофизиологического состояния (ПФС) человека, блок выбора комбинации тест-стимулов, воздействующих на человека-оператора. Измерительный блок содержит в каждом канале шумоподавляющий фильтр, усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Блок обработки сигналов выполнен по числу каналов на цифровых фильтрах, дифференциаторах и компараторах, а также блоках определения психоэмоционального состояния человека, накопления и определения параметров R-R интервалов и анализаторе состояния сердечно-сосудистой системы. Устройство обеспечивает повышение оперативности и достоверности результатов диагностики, а также увеличение информативности определения психофизиологического состояния человека и обеспечение надежности профессиональной деятельности и сохранения здоровья различных категорий населения за счет расширения функциональных возможностей. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения психофизиологического состояния человека, содержащее два датчика, один из которых является датчиком электрокожного сопротивления, выходы датчиков подключены к входам двухканального измерительного блока, каждый канал которого выполнен в виде последовательно соединенных шумоподавляющего фильтра, усилителя и аналого-цифрового преобразователя, и блок обработки, связанный с измерительным блоком, отличающееся тем, что в качестве второго датчика использован датчик фотоплетизмограммы, а блок обработки выполнен двухканальным в виде последовательно соединенных в каждом канале цифрового фильтра, дифференциатора и компаратора, причем выход компаратора первого канала соединен с блоком определения психоэмоционального состояния человека, а выход компаратора второго канала соединен с блоком накопления и определения параметров RR интервалов, выход которого соединен с анализатором состояния сердечно-сосудистой системы, выход которого и выход блока определения психоэмоционального состояния соединены с анализатором психофизиологического состояния человека, выход которого соединен с блоком выбора тест-стимулов, воздействующих на человека. 2. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п.1, отличающееся тем, что блок датчиков расположен на поверхности компьютерной мыши. 3. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п.1, отличающееся тем, что блок датчиков расположен на поверхности штурвала. 4. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п.1, отличающееся тем, что блок датчиков расположен на поверхности джойстика. 5. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п. 1, отличающееся тем, что блок датчиков расположен на поверхности руля автомобиля. 6. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п.1, отличающееся тем, что блок датчиков расположен на поверхности клавиатуры. 7. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п. 1, отличающееся тем, что блок тест-стимулов выполнен в виде звуковых раздражителей. 8. Устройство для определения психофизиологического состояния человека по п. 1, отличающееся тем, что блок тест-стимулов выполнен в виде световых раздражителей.