СПОСОБ СНЯТИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЛУШАЮЩЕГО ПРИ ПОМОЩИ НАУШНИКОВ Российский патент 2015 года по МПК A61B5/53 

Изобретение относится к способам измерения кожно-гальванической реакции во внешних ушных проходах. Способ может найти применение при изготовлении амбушюров с электродами, которые реагируют на состояния бодрствования и сна слушающего и управляют воспроизведением в зависимости от уровня восприятия слушающего.

Известен прибор для обезболивания в период сна (патент RU 2271839), содержащий контактные датчики, подключенные к генератору последовательности импульсов тока, соединенному с блоком управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит полосовой усилитель, квадратичный детектор и интегратор, причем блок управления по управляющему входу соединен с выходом компаратора, вход которого подсоединен через интегратор и квадратичный детектор к выходу полосового усилителя, настроенного на частоту альфа-ритма потенциалов головного мозга, а вход полосового усилителя подсоединен к приемным датчикам этих потенциалов. Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью.

Известно «Устройство для управления механизмами двигателя при возникновении дремотных и просоночных состояний оператора мобильного средства», содержащее электроды, усилитель сигнала, катушку, поляризованное реле, выключатель, блок звуковой сигнализации, лампу стоп-сигнала (патент RU 2287440). Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известно «Устройство контроля за состоянием бодрствования водителя транспортного средства», содержащее кольцевой датчик давления и систему пробуждения, расположенные на рулевом колесе, предохранительную систему безопасности и контроллер управления транспортным средством (патент RU 2214931).

Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известно устройство для предотвращения сна», содержащее блок считывания и преобразования сигнала, выполненный с возможностью закрепления на мочке уха и включающий источник питания, генератор, источник и приемник инфракрасного излучения и блок анализа с вычислителем, а также блок оповещения. Приемник инфракрасного излучения через усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к блоку анализа, параллельно второй приемник инфракрасного излучения через второй усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь подключен ко второму входу блока анализа, выполненного с возможностью анализа концентрации кислорода в крови и регистрации амплитуды и периода пульсаций сердечной деятельности, в свою очередь, вычислитель через интерфейсный блок связан с передатчиком, выполненным с возможностью передачи информации на индикатор удаленного блока оповещения (патент RU 2275857).

Данное решение технически громоздко, основано конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известно устройство контроля бодрствования водителя транспортного средства содержит электроды (патент RU 90743 U), звуковую сигнализацию, источник питания, элемент световой индикации, отличающееся тем, что датчик положения головы водителя закреплен на очках при помощи крепежного приспособления, имеющих три опоры (носовая перегородка и уши), при этом датчик положения головы водителя содержит металлический шарик, электроды бодрствования, электроды сна, закрепленные в корпусе датчика, при этом электроды сна соединены с радиопередатчиком, имеющим передающую антенну, электроды бодрствования соединены с системой сигнализации нормального положения головы с элементом световой индикации, впадину для металлического шарика, препятствующую ложному срабатыванию устройства, наклонные плоскости внутри корпуса для возврата металлического шарика в исходное положение при возобновлении нормального положения головы водителя, при этом в момент засыпания водителя и изменения им положения головы металлический шарик выходит из впадины и замыкает электроды, за счет чего на радиопередатчик через передающую антенну передатчика и приемную антенну подается сигнал, при этом радиопередатчик соединен со звуковой сигнализацией, предназначенной для выведения водителя из состояния сна.

Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известна заявка WO 2009125216. В данном решении описан аппарат стимуляции сна, включающий анализирующий блок, пару наушников и электрод на ремне. Анализирующий блок включает монитор сна, аудиоплеер и блок управления. Монитор сна связан с электродом с целью обнаружить состояние сна посредством анализа изменчивости сердечного ритма. Аудиоплеер подключен к наушникам, чтобы играть релаксационную музыку. Блок управления связан с электродами в наушниках, которые воздействуют электрическими импульсами на нервную систему, чтобы стимулировать сон. Когда пользователь уходит из бодрствующего состояния к состоянию сна, монитор сна подает команду на блок управления, который отключает подачу электрических импульсов. Т.е. во время сна данный прибор не осуществляет стимуляцию электродами нервной системы, чтобы не вызвать эффект привыкания.

Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, применяемые наушники используются отдельно от электродов, анализирующих состояние сна. Электрод, вставленный в наушник, не является анализатором состояния сна. Наиболее близким решением является патент US 7689274. В нем состояние слушающего анализируется на основании измерений ритмов головного мозга, требующее накладывать активные электроды в непосредственной близости от головного мозга на лбу или темени слушающего и закреплять электроды при помощи приспособлений, типа оголовье или дужка. Анализируются потенциалы, возникающие на участках кожи лба или темени. Электрод, закрепленный на чашке наушника мозговых волн, не выполняет функции активного электрода-датчика сигнала, а исключительно функции референтного электрода (относительно которого производятся измерения) при регистрации мозговых волн.

Схема наложения активных электродов в патенте US 7689274 (измерение мозговых волн) принципиально отличается от схемы наложения активных электродов, предложенной в заявляемом способе для измерения КГР тем, что в заявленном способе регистрируются электрическая активность кожи в ушных раковинах слушающего.

Наиболее близким решением является патент RU 133674 U, опубл. 20.10.2013., в котором описаны наушники, содержащие динамики, отличающиеся тем, что участки непосредственного контакта наушников с кожей головы слушающего выполнены из токопроводящих материалов, функцией которых является использование в качестве электродов-датчиков состояния слушающего. В них состояние слушающего анализируется на основании измерений ритмов головного мозга, требующее накладывать активные электроды в непосредственной близости от головного мозга на лбу или темени слушающего, а также имеющее референтный электрод в наушнике. Электрод, контактирующий с кожей на ухе при регистрации мозговых волн, не выполняет функции активного электрода-датчика сигнала, а исключительно функции референтного электрода (относительно которого производятся измерения) при регистрации мозговых волн).

Схема наложения активных электродов в патенте RU 133674 U, опубл. 20.10.2013. (измерение мозговых волн) принципиально отличается от схемы наложения активных электродов (измерение КГР), предложенной в заявляемом способе, тем, что в заявленном способе предлагается регистрировать электрическую активность кожи на ушах слушающего и для этого используется не менее двух электродов, контактирующих с кожей внутри ушных раковин.

Изобретение требует подключение к миниатюрному усилителю сигналов КГР, электрически развязанному с устройствами, подключенными в электрическую сеть, и передаче данных на усилитель звуковой карты персонального компьютера, планшета, смартфона или другого устройства, содержащего программное обеспечение расшифровки поступающих сигналов и управления воспроизведением аудио- или видеоматериалов. Возможно использование специализированного аппаратного преобразователя сигнала КГР в сигналы управления воспроизведением аудио-, видеоматериалов. Благодаря изготовленным автором в 2014 году ушным электродам-амбушурам из электропроводящего силикона опытным путем были определены недостатки модели RU 133674 U, а именно:

- электроды в ней расположены в прямом контакте (а нужно на достаточном расстоянии), что не позволяет, чтобы измерять электрическую активность слоев кожи, а не слоя пота и/или ушной серы;

- оба электрода не находятся в контакте с кожей одного типа (на поверхности слуховых проходов, кожей, содержащей церуминозные железы), что не позволяет измерять электрические реакции, возникающие благодаря реакциям церуминозных железам, а замеряется усредненная кожно гальваническая реакция различных типов кожи, одна из которых содержит церуминозные, а другая эккринные и апокринные потовые железы;

- задействуются электроды, контактирующие с другими частями уха, а из-за конструктивных особенностей такие электроды в процессе использования смещаются относительно кожи (а также волос) пользователя, что приводит к возникновению статических электрических зарядов.

По этой причине применение решения, отраженного в RU 133674 U, не способно обеспечить заявленный в изобретении технический результат при всем сходстве признаков и даже технически оказалось не работоспособно.

Техническим результатом заявленного изобретения является его портативность и удобство прослушивания аудио-, видеоматериалов в состоянии утомления и в процессе засыпания. Также данное изобретение может с успехом использоваться для облегчения процесса засыпания страдающих бессонницей, стимулируя процесс засыпания при помощи аудиоматериалов, громкость которых снижается по мере засыпания. Также техническим результатом заявленного изобретения является упрощение конструкции анализаторов состояния бодрствования и состояния сна человека; уменьшаются его габариты; реализуется возможность встраивания в привычную для пользователей гарнитуру наушников-затычек.

Использование более одного электрода, контактирующего с участками кожи на ушах слушающего, и определение состояния слушающего по методу КГР делает наложение дополнительных электродов на другие участки тела не необходимым.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ снятия аналоговых сигналов для анализа функционального состояния слушающего при помощи наушников, характеризующийся использованием не менее чем двух контактных электродов, которые выполняют в форме электропроводящих участков корпуса наушников и размещают в наружных слуховых проходах, при этом электропроводящими участками могут быть выполнены полностью или частично амбушюры наушников или поверхность тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека, отличающийся тем, что производят измерение кожно-гальванической реакции кожи на ушах слушающего, исходя из того, что не менее чем один электрод контактирует с кожей одного уха и не менее чем один электрод контактирует с кожей другого уха.

Изобретение поясняется чертежами

На Фиг. 1 показан пример реализации изобретения на гарнитуре из наушников с вариантами передачи входящего аудиосигнала и исходящего сигнала КГР участков кожи внутри ушных раковин при помощи как беспроводной связи, а также с помощью проводной связи (а - вид верхней части наушников; б - вид наушников в целом с концом в виде коннектора USB-разъема; в - вид конечной части наушников с аналоговыми разъемами).

На Фиг. 2 показан пример реализации наушника, поверхность амбушюра которого покрыта сеткой из электропроводящих нитей.

На Фиг. 3 показан пример реализации наушников, имеющих по два электрода.

На Фиг. 4 показан пример реализации наушников с фильтрами звука (беруши), имеющих по два электрода.

Осуществление изобретения

В отличие от схем наложения электродов в известных нейрогарнитурах, ключевыми элементами которых являются активные электроды, закрепляемые на участках кожи головы в непосредственной близости от головного мозга на лбу, висках или темени, в заявленном способе электроды, контактирующие со лбом, висками и теменем, могут не использоваться, чтобы не создавать пользователю дискомфорт в процессе прослушивания материалов и перехода от бодрствования ко сну.

Отсутствие в предложенном техническом решении электродов, закрепляющихся на лбу или темени слушающего, не позволяет регистрировать ритмы головного мозга, однако позволяют регистрировать кожно-гальваническую реакцию (КГР), характеризующую изменения в работе потовых желез при различных функциональных состояниях слушающего, изменения кровообращения при различных функциональных состояниях слушающего и изменения электрических реакций кожи в ответ на восприятие аудиосигналов и стимуляцию.

Заявленный способ определения функционального состояния человека заключается в:

- измерении электрической активности кожи при помощи контактных электродов, имеющих форму амбушюров наушников-затычек,

- форме амбушюров, определяющей схемы наложения активных контактных электродов на кожу ушных раковин слушающего,

- использовании звуковой стимуляции в процессе измерений.

Способ может быть реализован с использованием наушников, показанных на Фиг. 1. Наушники состоят из динамиков 1, усилителя 2 сигнала КГР, провода 3 передачи усиленного сигнала на анализирующее устройство, например мобильный телефон, планшет, компьютер или специализированное устройство, модуля 4 беспроводной связи, в случае использования беспроводного соединения вместо провода 3 амбушюров-электродов 5, установленных в наушниках для контакта с кожей ушей слушающего. Схема наложения активных контактных электродов 5 соответствует местам контакта амбушюров наушников-затычек с поверхностью кожи в ушной раковине. Данная схема наложения электродов достаточна для определения функционального состояния. Подключение дополнительных как активных, так и референтных электродов к каким-либо другим частям тела благодаря использованию нескольких электродов, контактирующих с кожей на ушах слушающего, становится не обязательным. Варианты схем наложения активных контактных электродов:

- Первый электрод контактирует с кожей одного уха, второй электрод контактирует с кожей другого уха.

- Первый электрод контактирует с кожей одного уха, несколько электродов контактируют с кожей другого уха.

- Несколько контактных электродов контактируют с кожей одного уха, другие несколько контактных электродов контактируют с кожей другого уха.

Указанные схемы наложения контактных электродов достаточны, чтобы производить измерения Кожно-Гальванической Реакции (КГР) кожи на поверхности внешних слуховых каналов.

Необходимо отметить, что при использовании проводной связи усилитель 2 сигнала КГР должен включать в себя электрическую развязку электродов-датчиков от включающихся в сеть анализирующих устройств.

Пример использования гарнитуры с наушниками для случаев передачи входящего аудиосигнала и исходящего сигнала КГР с помощью беспроводной связи, а также с помощью проводной связи показан на Фиг. 1 (в), где б - входящий в гарнитуру наушников аудиосигнал и 7 - исходящий усиленный сигнал КГР. Также оба этих конца могут быть объединены в виде единого коннектора, как показано на Фиг. 1(б).

Контактные электроды 8, 10, 11 (см. Фиг. 2 - Фиг. 4) выполняются в форме электропроводящих участков корпуса наушников, вставляющихся в ушную раковину слушающего, в случае если наушники не имеют съемных насадок или электропроводящих участков амбушюров наушников-затычек (далее амбушюр).

Амбушюр (участок корпуса наушников) может быть выполнен из электропроводящего материала полностью, либо содержать электропроводящие участки, либо иметь электропроводящие покрытия в местах контакта с кожей ушей слушающего. Электропроводящие покрытия могут наноситься методом напыления электропроводящих материалов, окраски электропроводящей краской, вклеиванием электропроводящего слоя или иными методами. Электропроводящие покрытия амбушюра 5 могут быть выполнены сплошными или нанесены в виде рисунка, например в виде электропроводящих сеточек 8 на Фиг. 2.

Один амбушюр наушника-затычки может заключать в себе один контактный электрод при использовании двух электродов-амбушюров (Фиг. 1, Фиг. 2) или заключать в себе несколько (более одного) контактных электродов (Фиг. 3, Фиг. 4).

На Фиг. 3 и Фиг. 4 показаны примеры размещения электродов 10 и 11 на электропроводящих участках амбушюров различной формы, где есть всегда изолирующая часть 9, отделяющая один электрод 10 от другого электрода 11. На Фиг. 3 видно, как оба электрода 10 и 11 накладываются на участки кожи в наружном слуховом проходе. На Фиг. 4 электрод 10 накладывается на кожу в наружном слуховом проходе, а электрод 11 - на кожу в полости ушной раковины. Такого рода наушники могут использоваться как специальные наушники, у которых отдельные элементы или весь амбушюр выполнены в виде затычек для слухового прохода с целью гашения сторонних шумов, типа затычек беруши.

Заявленный способ позволяет использовать привычные в быту наушники-затычки в качестве анализатора функционального состояния слушающего и в зависимости от функционального состояния слушающего управлять воспроизведением аудио-, видеоматериалов, например [1].

Также данное изобретение может использоваться для облегчения процесса засыпания страдающих бессонницей, стимулируя процесс засыпания при помощи аудиоматериалов, громкость которых понижается по мере засыпания, а после засыпания аудиостимуляция отключается. Также данное техническое решение может использоваться в качестве датчика кожно-гальванической реакции при проведении тестирования на «полиграфе» детекторе лжи вместо электродов, накладывающихся на пальцы руки. В отличие от схем наложения электродов в нейрогарнитурах [2], ключевыми элементами которых являются активные электроды, закрепляемые на участках кожи головы в непосредственной близости от головного мозга на лбу или темени [3], в заявленном способе электроды, контактирующие со лбом и теменем, не используются, чтобы не создавать пользователю дискомфорт в процессе перехода от бодрствования ко сну. Исключение из предложенного технического решения электродов, закрепляющихся на любу или темени слушающего, не позволяет регистрировать ритмы головного мозга. Однако качественный контакт электродов, установленных в наружных слуховых каналах, не вызывает дискомфорта, при этом позволяет регистрировать кожно-гальваническую реакцию (КГР), характеризующую изменения в работе потовых желез при различных функциональных состояниях слушающего, изменения кровообращения при различных функциональных состояниях слушающего и изменения электрических реакций кожи в ответ на восприятие аудиосигналов [4, 5, 6].

Предложенное техническое решение значительно комфортнее и привычнее для прослушивающего аудиоматериалы перед сном, не мешает процессу засыпания, более портативно, проще в исполнении и содержит меньшее количество необходимых элементов.

Принцип работы устройства может быть реализован следующим образом. Электрические сигналы поступают от поверхностей кожи ушей слушающего благодаря плотному контакту электропроводящими поверхностями эластичных амбушюров наушников-затычек, плотно входящими в наружные ушные каналы. Электрические сигналы поступают на усилитель, далее посредством проводной или беспроводной связи передаются на персональный компьютер, смартфон, планшет или другое устройство для обработки сигнала (аудовход, Bluetooth, USB или другой вход). Программная (или аппаратная) обработка сигналов выявляет постоянную и переменные составляющие КГР кожи и определяет момент перехода от состояния бодрствования ко сну, регистрирующийся по изменениям сопротивления кожи, обусловленным:

- изменениями в работе потовых желез, приводящями к увеличению сопротивления кожи при засыпании;

- изменениями сопротивления кожи благодаря снижению артериального давления при засыпании;

- уровнем и частотой модуляции сопротивления кожи за счет интенсивности кровообращения и частотой пульса, уменьшающихся при засыпании;

- скоростью и величиной электрической реакции кожи, вызванных восприятием полученных аудиосигналов и информации.

В зависимости от поставленной задачи программа фиксирует момент засыпания и позволяет следующее.

1. Запомнить, на каком эпизоде слушатель перестал воспринимать информацию. Эта функция эффективна при прослушивании аудиокниг перед сном, чтоб в дальнейшем не требовались производить длительные поиски, на каком из эпизодов пользователь перестал воспринимать сюжет, и не приходилось прослушивать по нескольку раз одно и то же.

2. Будить засыпающего слушателя, например, увеличивая громкость воспроизведения материала при задремывании или при помощи подачи стимулирующего сигнала сразу или дав поспать в течение заданного промежутка времени, если это необходимо.

3. В случае, если пользователь страдает бессонницей и аудиоматериалы используются для стимулирования процесса засыпания, то по мере изменения сигналов о функциональном состоянии программа сможет понижать громкость сигналов для максимально комфортного засыпания или переключать воспроизведение аудио на программу релаксации.

Таким образом, пользователь может иметь портативное удобное в быту устройство, способное оптимизировать прослушивание аудио-, видеоинформации в зависимости от функционального состояния слушающего.

Источники информации

1. Патент на полезную модель №122516 от 27.11.2014 «Система Обучения».

2. http://best-freesoft.ru/news/news-it/424-neyro-garnitura-emotiv-epoc.htrnl

3.http://ilive.com.ua/health/metodika-provedeniya-elektroentsefalografii_8709i326.html

4. http://medinfa.ru/article/109/118112/

5. http://www.skgr.narod.ru/metod.htm

6. Данилова H.H. Функциональные состояния: механизмы и диагностика. - М.: МГУ, 1985. - 287 с.

Изобретение относится к медицине, диагностике, способам измерения кожно-гальванической реакции в наружных слуховых проходах. Способ может быть использован для контроля состояния бодрствования и сна слушающего и управления воспроизведением в зависимости от уровня восприятия слушающего. Используют не менее чем два контактных электрода, выполненные в форме электропроводящих участков корпуса наушников. Электроды размещают в наружных слуховых проходах, при этом электропроводящими участками могут быть выполнены полностью или частично амбушюры наушников или поверхность тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека. Производят измерение кожно-гальванической реакции кожи на ушах слушающего, исходя из того, что не менее чем один электрод контактирует с кожей одного уха и не менее чем один электрод контактирует с кожей другого уха. Техническим результатом изобретения является портативность, удобство прослушивания аудиоматериалов в состоянии утомления и в процессе засыпания облегчение (стимулирование) засыпания при бессоннице, упрощение анализа состояний бодрствования и сна без необходимости наложения дополнительных электродов на другие части тела. 4 ил.

Способ снятия аналоговых сигналов для анализа функционального состояния слушающего при помощи наушников, характеризующийся использованием не менее чем двух контактных электродов, которые выполняют в форме электропроводящих участков корпуса наушников и размещают в наружных слуховых проходах, при этом электропроводящими участками могут быть выполнены полностью или частично амбушюры наушников или поверхность тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека, отличающийся тем, что производят измерение кожно-гальванической реакции кожи на ушах слушающего, исходя из того, что не менее чем один электрод контактирует с кожей одного уха и не менее чем один электрод контактирует с кожей другого уха.