УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВНИМАНИЯ ОПЕРАТОРА В СИСТЕМАХ "ЧЕЛОВЕК-ТЕХНИКА" Российский патент 2015 года по МПК A61B5/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины, в частности к медицинской технике для диагностики психофизиологического состояния человека, и может быть использовано для повышения безопасности движения транспортных средств и безопасного функционирования «критических» технологий за счет поддержания высокого уровня внимания, бдительности и работоспособности водителей автотранспорта и специальных транспортных средств (машинистов, летчиков), а также операторов «критических» технологий (диспетчеров транспортных и энергетических систем), деятельность которых связана с повышенным риском.

Уровень техники

Поддержание высокой работоспособности, бдительности и безошибочной деятельности операторов в системах «человек-техника» является крайне актуальной задачей в связи с тем, что согласно статистике, от 30 до 80 процентов техногенных аварий и катастроф, дорожно-транспортных происшествий происходят по вине «человеческого фактора». При этом наиболее частой причиной таких инцидентов является снижение, отвлечение или потеря внимания оператора в процессе деятельности.

На сегодняшний день известны технические устройства поддержания бдительности, периодически (через каждые 15-90 секунд) подающие оператору (машинисту, водителю автотранспорта) тестовый сигнал (зрительный или акустический), на который оператор должен быстро ответить определенным действием (нажатием на кнопку, поворотом рукоятки и т.п.). В случае отсутствия такого ответного действия устройство подает сигнал тревоги и/или автоматически изменяет параметры динамического объекта (например, включает режим торможения) [Патент SU 1470585 (формула), 18.05.1987; Лазер-радар-детектор 268 RU «ТопРадар» (фирмы Whistler Group Inc., США) с функцией Stay Alert (Антисон), 2011-2014]. Недостатками этих устройств являются относительно низкое быстродействие (как минимум 20 секунд), то есть невозможность определения кратковременных (порядка долей или единиц секунд) эпизодов снижения внимания человека-оператора до «опасного» уровня, а также создание дополнительной информационной нагрузки на оператора, которая отвлекает его от основной деятельности.

Известна также и другая группа устройств для определения и поддержания бдительности, основанных на непрерывной регистрации (мониторинге) и автоматическом измерении различных физиологических показателей человека-оператора непосредственно в процессе деятельности. При выходе параметров этих показателей за некоторые, экспериментально определенные, пределы оператору подается сигнал, предупреждающий его о наступлении «опасного» функционального состояния, а также (опционально) могут изменяться параметры управляемого динамического объекта [см., например, обзор 03 T024 Quintec 22 RPT Final Report Issue 01. 30th August 2002, Railway Safety, GB].

Точность, быстродействие и помехоустойчивость этих устройств принципиально зависит от характера регистрируемых физиологических показателей.

Так, при использовании в качестве информативного показателя параметров кожно-гальванических реакций и/или электрокожного сопротивления [например, патент RU 2025731 (формула), 30.12.1994; патент RU 2003541 (формула), 30.11.1993] для определения наступления «опасного» функционального состояния оператора требуется не менее 15-60 секунд. Поэтому кратковременные (порядка долей или единиц секунд) эпизоды снижения внимания человека-оператора устройствами, основанными на регистрации электрокожных показателей, не определяются. Более того, состояние «флуктуирующей бдительности» оператора расценивается такими устройствами как состояние активной деятельности. Кроме того, параметры электрокожной активности значительно варьируют не только в связи с изменением функционального состояния оператора, но и в зависимости от внешних условий (прежде всего, температуры и влажности) и от характера деятельности оператора (частоты и интенсивности управляющих воздействий).

При использовании в качестве информативного показателя уровня бдительности параметров глазодвигательной системы (закрывания глаз, частоты морганий, скорости смыкания/размыкания век, направления взора и частоты его переключений) [Патент RU 2395228 (формула), 27.07.2010; патент RU 2423070 (формула), 10.07.2011; патент RU 2444275 (формула), 30.09.2010] существенными ограничениями таких устройств являются: ношение оператором очков (особенно, противосолнечных), повороты головы, изменения позы, вибрация, связанная с особенностями транспортного средства и состоянием дорожного покрытия. Быстродействие этих устройств (в силу временных характеристик регистрируемых показателей) также не дает возможность определения кратковременных (порядка долей или единиц секунд) эпизодов снижения внимания человека-оператора до «опасного» уровня.

Известно устройство для контроля и управления функциональным состоянием оператора-летчика, основанное на регистрации усилия обжатия летчиком ручки управления самолетом, изменения траектории движения ручки управления, усилия упора ног летчика на педалях, положения головы, дыхательного процесса, давления кислорода и качества смеси в тракте кислородной системы, давления в противоперегрузочном костюме, текущей (с учетом критической) высоты полета, величины перегрузки. При этом устройство содержит датчики физиологических параметров состояния оператора, подключенные к блоку измерения, выход которого подключен к входу блока анализа, который связан с блоком информации и команды [патент RU 2150886 (формула), 20.06.2000]. Недостатком данного устройства является наличие большого количества различных датчиков, ограничивающих движение и функциональные возможности оператора.

Наилучшим разрешением по времени среди физиологических показателей (от единиц до десятков миллисекунд) обладают параметры биоэлектрической активности головного мозга - электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Убедительно доказано, что амплитудные и частотные параметры ЭЭГ наиболее достоверно характеризуют функциональное состояние человека в континууме сон-бодрствование, а некоторые из них непосредственно связаны со зрительным вниманием. До недавнего времени использование ЭЭГ в качестве информативного показателя уровня бдительности человека-оператора в условиях реальной деятельности было затруднительно вследствие низкой помехоустойчивости как регистрирующей аппаратуры, так и традиционных методов анализа ЭЭГ.

Известно устройство для пробуждения человека в фиксированную фазу сна, основанное на регистрации биоэлектрической активности мозга, определении фаз сна, эмпирическом определении фазы сна, пробуждение в которую связано с оптимальным психофизиологическим состоянием последующего бодрствования, воздействии пробуждающим сигналом в различные фазы сна. Пробуждающий сигнал синхронизируют с электрической активностью мозга найденной фазы сна в заданный интервал времени. Устройство включает портативный электроэнцефалограф с анализатором ритма, с помощью которого осуществляется регистрация ЭЭГ человека, и, в частности во время сна с одновременным автоматическим анализом ЭЭГ-ритмов и определением фаз сна, электронный будильник, который обеспечивает в заранее установленное время подачу сигнала, обычно звукового, воздействующего пробуждающим образом на человека [патент RU 2061406 (формула), 10.06.1996]. Однако для регистрации психофизиологического сигнала необходимо фиксировать на голове обследуемого человека отводящие электроды, которые причиняют неудобства при использовании данного устройства в практической профессиональной деятельности, включая и те его виды, для которых сигнализация о функциональном состоянии имеет большое значение. Кроме того, данное устройство предназначено для распознавания только стадий сна, что ограничивает его область применения.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство для диагностики функционального состояния человека-оператора по параметрам электроэнцефалограммы, содержащее блок электродов и блок усилителей, соединенные последовательно, а также индикатор, блок корреляторов, блок аналого-цифровых преобразователей, блок памяти, блок цифроаналоговых преобразователей и блок вычисления модулей разности, соединенные последовательно, сумматор, первый компаратор, интегратор и второй компаратор, соединенные последовательно, а также переключатель режима работы, два источника опорного напряжения и программный блок, при этом вход последнего соединен с переключателем режима работы, а выход - со входами блока памяти, выходы корреляторов соединены со входами блока вычисления модулей разности, а выходы последнего соединены со входами сумматора, выходы блока усилителей соединены с входами блока корреляторов, кроме того, входы компараторов соединены с выходами соответствующих источников опорного напряжения, а выход второго компаратора соединен с индикатором. Это обеспечивает ускорение диагностики и достоверность определения функционального состояния человека-оператора [авторское свидетельство SU 1393398 (формула), 07.05.1988]. Недостатками данного устройства являются: необходимость установки на голову оператора большого числа электродов (не менее 4-х), устройство предназначено для различения только двух функциональных состояний - покоя и мыслительной деятельности, и, кроме того, устройство требует настройки («обучения») на параметры электроэнцефалограммы конкретного оператора.

Сущность изобретения

Технический результат предлагаемого устройства заключается в ускорении идентификации и предотвращении непроизвольных и неосознаваемых (в том числе, кратковременных) эпизодов снижения внимания оператора в процессе его деятельности за счет непрерывной регистрации биоэлектрических показателей его функционального состояния и автоматического анализа в реальном времени (on-line) их амплитудных и частотных характеристик. Кроме того, устройство не ограничивает подвижности и функциональных возможностей оператора.

Указанный результат достигается тем, что устройство для контроля внимания оператора в системах «человек-техника», содержащее последовательно соединенные блоки: блок электродов, блок усилителей биопотенциалов, блок анализа биопотенциалов и блок сигнализации, при этом содержит блок электродов в виде активных «сухих» электродов, а блок анализа биопотенциалов содержит два полосовых фильтра ПФ1 и ПФ2 параллельно присоединенные к выходу цифрового усилителя биопотенциалов, к выходу ПФ1 параллельно присоединены дифференциатор 2-го порядка - «пик-детектор» (ПД) и 3-х пороговый 2-х «оконный» амплитудный дискриминатор (АД), выход ПД через электронный ключ 1, управляемый выходами 1-го и 2-го порогов АД, соединен с запускающими входами двух таймеров Т1 и Т2 и с суммирующими входами двух счетчиков Сч1 и Сч2, выход таймера Т1 и выход 3-го порога АД соединены с блокирующим входом электронного ключа 1, выход таймера Т2 соединен со счетчиком Сч2, выходы счетчиков Сч1 и Сч2 через электронные ключи 2 и 3 соединены с входами блока сигнализации, в котором формируются два типа звуковых сигналов биообратной связи - «тревожный» и «предупреждающий», один выход блока сигнализации соединен со звукоизлучателем, а второй выход блока сигнализации соединен с обнуляющими входами счетчиков Сч1 и Сч2, выход полосового фильтра ПФ2 соединен с входом интегратора, выход которого соединен со входом компаратора, выход компаратора соединен с блокирующими входами электронных ключей 2 и 3.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена упрощенная блок-схема устройства, на фиг. 2 - детальная функциональная блок-схема устройства.

Подробное описание осуществления изобретения

Устройство для контроля внимания оператора в системах «человек-техника» состоит из последовательно соединенных функциональных блоков: блока регистрации биопотенциалов (1), содержащего блок электродов (2) и блок усилителей биопотенциалов (3), блока анализа биопотенциалов (4) и блока сигнализации (5), и отличается тем, что:

1) с целью повышения комфорта оператора в блоке регистрации биопотенциалов (1) в качестве блока электродов (датчиков) (2) используются активные («сухие») электроды;

2) с целью сокращения времени и повышения точности идентификации и предотвращения эпизодов снижения уровня внимания оператора, повышения помехоустойчивости устройства и минимизации «ложных тревог» блок анализа биопотенциалов содержит два полосовых фильтра ПФ1 (7) и ПФ2 (8), параллельно присоединенных к выходу блока усилителей биопотенциалов (3). К выходу ПФ1 (7) параллельно присоединены дифференциатор 2-го порядка - «пик-детектор» ПД (9) и 3-х пороговый 2-х «оконный» амплитудный дискриминатор АД (10). Импульсный выход ПД (9) соединен с синхронизирующим входом АД (10), а также через выходы 1-го (п1) и 2-го (п2) порогов АД (10) и выходы электронного ключа 1 (11) соединен с запускающими входами двух таймеров Т1 (12) и Т2 (13) и с суммирующими входами (Σ) двух счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15). Выход таймера Т1 (12) и выход 3-го порога (п3) АД (10) соединены с блокирующим входом электронного ключа 1 (11). Выход таймера Т2 (13) соединен с входом счетчика Сч2 (15), выходы счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15) через электронные ключи 2 (16) и 3 (17) соединены с входами блока сигнализации (5). Выход полосового фильтра ПФ2 (8) соединен с входом интегратора (18), выход которого соединен с входом компаратора (19), выход компаратора (19) соединен с блокирующими входами электронных ключей 2 (16) и 3 (17), выходы блока сигнализации (5) соединены с «обнуляющими» входами (0) счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15), а также со звукоизлучателем (наушником) (6);

3) с целью поддержания внимания оператора на оптимальном уровне путем информирования его о начале эпизода «опасного» снижения внимания, экстренного прерывания таких эпизодов и предупреждения оператора о высокой вероятности развития эпизода снижения внимания, на выходе блока сигнализации (5) формируются два типа звуковых сигналов биообратной связи - «тревожный» (запускаемый счетчиком Сч1 (14) через электронный ключ 2 (16)), и «предупреждающий» (запускаемый счетчиком Сч2 (15) через электронный ключ 3 (17)), которые поступают с выхода блока сигнализации (5) на звукоизлучатель (наушник) (6).

Устройство работает следующим образом

Биоэлектрическая активность, регистрируемая блоком активных «сухих» электродов (2) (достаточно двух), расположенных на голове человека-оператора, усиливается с помощью расположенного там же блока усилителей биопотенциалов (3) и передается на входы полосовых фильтров ПФ1 (7) и ПФ2 (8) блока анализа биопотенциалов (4). С выхода ПФ1 (7) сигнал поступает на вход дифференциатора 2-го порядка - «пик-детектора» ПД (9) и на вход 3-х порогового 2-х «оконного» амплитудного дискриминатора АД (10). Если в момент времени срабатывания «пик-детектора» ПД (9) амплитуда сигнала на входе АД (10) не превышает 1-го амплитудного порога АД (п1 - порог «шума»), то выходной импульс с ПД (9) блокируется электронным ключом 1 (11) и далее никуда не поступает. Если в момент времени срабатывания «пик-детектора» ПД (9) амплитуда сигнала находится в «нижнем» амплитудном окне АД (10) (между 1-ми 2-м амплитудными порогами - между п1 и п2), импульс с выхода ПД (9) через электронный ключ 1 (11) поступает на суммирующий вход счетчика Сч2 (15), а также запускает таймеры Т1 (12) и Т2 (13). Если в момент времени срабатывания «пик-детектора» ПД (9) амплитуда сигнала находится в «верхнем» амплитудном окне АД (10) (между 2-м и 3-м амплитудными порогами - между п2 и п3), импульс с выхода ПД (9) через электронный ключ 1 (11) поступает на суммирующие входы обоих счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15), а также запускает таймеры Т1 (12) и Т2 (13). Если в момент времени срабатывания «пик-детектора» ПД (9) амплитуда сигнала превышает 3-й амплитудный порог АД (11) (порог «помехи» - п3), импульс с выхода ПД (9) блокируется электронным ключом 1 (11) и не поступает на суммирующие входы счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15) и на таймеры Т1 (12) и Т2 (13). Аналогичное блокирование суммирующих входов счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15) происходит, если каждый следующий импульс с выхода ПД (9), соответствующий попаданию амплитуды сигнала с выхода ПФ1 (7) в пределы «окон» АД (10), приходит раньше или позже определенной временной задержки (t) после предыдущего импульса с выхода ПД (9) (границы этой временной задержки t1 и t2 задаются таймером Т1 (12), запускаемым каждым очередным импульсом с выхода ПД (9)). При достижении суммы импульсов в счетчике Сч1 (14) определенного «критического» числа, сигнал с его выхода через электронный ключ 2 (16) поступает на вход блока сигнализации (5), где в этом случае формируется «тревожный» звуковой сигнал биообратной связи, передающийся на звукоизлучатель (наушник) (6) на голове оператора и информирующий его о начале эпизода «опасного» снижения уровня внимания. «Быстродействие» идентификации такого функционального состояния с помощью предлагаемого устройства составляет 0.25-0.5 с. При достижении суммы импульсов в счетчике Сч2 (15) определенного «критического» числа за единицу времени (задаваемую таймером Т2 (13)) сигнал с его выхода через электронный ключ 3 (17) поступает на вход блока сигнализации (5), где в этом случае формируется «предупреждающий» звуковой сигнал биообратной связи, передающийся на звукоизлучатель (наушник) (6) на голове оператора и информирующий его о высокой вероятности наступления эпизода снижения уровня внимания в ближайшее время (через 5-30 с). Синхронный со звуковыми сигналами выходной сигнал блока сигнализации (5) также подается на «обнуляющие» входы счетчиков Сч1 (14) и Сч2 (15). Кроме того, если уровень сигнала на выходе интегратора (18) превышает порог срабатывания компаратора (19), то выходной сигнал компаратора (19) подается на блокирующие входы электронных ключей 2 (16) и 3 (17), при этом звуковые сигналы с блока сигнализации (5) на наушник (6) не подаются.

Конструктивно блок активных «сухих» электродов (2), блок усилителей биопотенциалов (3) и звукоизлучатель (наушник) (6) помещаются на голове человека-оператора и закрепляются в любом головном уборе (например, в штатном защитном шлеме, на штатной микротелефонной гарнитуре, на теннисной ленточке или на обруче для волос). Выход блока усилителей биопотенциалов (3) с входом блока анализа биопотенциалов (4) и выход блока сигнализации (5) со звукоизлучателем (наушником) (6) соединены с помощью беспроводной (BlueTooth) связи. Функциональные блоки анализа биопотенциалов (4) и сигнализации (5) реализованы на базе микропроцессора и объединены в едином конструктиве (с габаритами смартфона).

Конкретное местоположение датчиков-электродов (2) на голове оператора, значения границ частотных диапазонов полосовых фильтров ПФ1 (7) и ПФ2 (8) в Гц, значения 1-го (п1), 2-го (п2) и 3-го (п3) амплитудных порогов 2-х «оконного» амплитудного дискриминатора АД (10) в мкВ, значения границ временных диапазонов таймеров Т1 (12) (t1 и t2 в мс) и Т2 (13) в секундах, значения «критических» чисел в счетчиках Сч1 (14) и Сч2 (15) в единицах, значение постоянных времени накопления и «утечки» интегратора (18) в секундах), а также значение порога срабатывания компаратора (19) в мкВ², информативные для идентификации и предотвращения наступления эпизодов снижения уровня внимания оператора, определены авторами заявки в серии психофизиологических экспериментов в лабораторных и стендовых (симуляционных) условиях, а также в ходе испытаний при реальной профессиональной деятельности человека-оператора (водителя автомобиля, летчика). Также определено, что устройство не требует настройки на индивидуальные параметры биоэлектрической активности конкретного оператора.

Эксперименты и испытания продемонстрировали высокую помехоустойчивость (в отношении физических и физиологических помех) реализуемого устройством специального алгоритма в виде сочетания амплитудно-интервального анализа (период-анализа) биопотенциалов и выделения определенных комбинаций биоэлектрической активности, по сравнению с традиционно применяемыми узкополосной фильтрацией и Фурье-преобразованием, что принципиально важно для надежной безошибочной работы устройства (в том числе, для минимизации «ложных тревог») в реальных условиях профессиональной деятельности человека-оператора.

В перспективе выходные сигналы блока сигнализации устройства могут быть использованы не только для контроля уровня внимания оператора, но и для изменения параметров управляемого оператором динамического объекта (например, для снижения скорости транспортного средства или перевода его в режим автоматического управления), а также для реорганизации работы группы операторов при их совместной (командной) работе (например, для автоматического перераспределения объема информации, поступающей каждому оператору).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую эффективность в идентификации и предотвращении непроизвольных и неосознаваемых (в том числе, кратковременных) эпизодов снижения внимания оператора в процессе деятельности.

С помощью устройства в процессе деятельности оператора непрерывно регистрируются несколько биоэлектрических показателей его функционального состояния, автоматически анализируются в реальном времени (on-line) их амплитудные и частотные характеристики с использованием специального алгоритма и по появлению специфической комбинации показателей биоэлектрической активности определяется начало эпизода «опасного» снижения внимания оператора, а также подается звуковой сигнал «тревоги» для вывода оператора из «опасного» функционального состояния и «предупреждающий» звуковой сигнал для предотвращения появления эпизодов «опасного» снижения внимания оператора.

Предлагаемое устройство позволяет определять эпизоды непроизвольного «опасного» снижения внимания оператора с быстродействием менее 1 секунды, прерывать такие эпизоды, а также предотвращать их появление.

Предлагаемое устройство не ограничивает подвижности и функциональных возможностей оператора и может быть использовано для поддержания высокого уровня внимания, бдительности и работоспособности водителей автотранспорта и специальных транспортных средств (в том числе, летчиков, машинистов), а также операторов «критических» технологий (например, диспетчеров транспортных и энергетических систем).

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для контроля оператора в системах «человек-техника». Устройство содержит последовательно соединенные блоки электродов, усилителей биопотенциалов, анализа биопотенциалов и сигнализации, при этом блок электродов содержит активные «сухие» электроды, блок анализа биопотенциалов содержит первый и второй полосовые фильтры параллельно присоединенные к выходу блока усилителей биопотенциалов, к выходу первого полосового фильтра параллельно присоединены дифференциатор 2-го порядка - «пик-детектор» и 3-х пороговый 2-х «оконный» амплитудный дискриминатор, выход «пик-детектора» присоединен через выходы 1-го и 2-го порогов амплитудного дискриминатора и первый электронный ключ к запускающим входам первого и второго таймеров и к суммирующим входам первого и второго счетчиков, выход первого таймера и выход 3-го порога амплитудного дискриминатора соединены с блокирующим входом первого электронного ключа, выход второго таймера соединен со вторым счетчиком, выходы первого и второго счетчиков соединены через второй и третий электронные ключи со входами блока сигнализации, выполненного с возможностью подачи «тревожного» и «предупреждающего» звуковых сигналов. Один выход блока сигнализации соединен со звукоизлучателем, а второй выход блока сигнализации соединен с обнуляющими входами первого и второго, выход второго полосового фильтра соединен через интегратор и компаратор с блокирующими входами второго и третьего электронных ключей. Использование изобретения обеспечивает ускорение идентификации и предотвращение непроизвольных и неосознанных эпизодов снижения внимания оператора. 2 ил.

Устройство для контроля внимания человека-оператора в системах «человек-техника», содержащее последовательно соединенные блоки электродов, усилителей биопотенциалов, анализа биопотенциалов и сигнализации, отличающееся тем, что блок электродов содержит активные «сухие» электроды, блок анализа биопотенциалов содержит первый и второй полосовые фильтры, параллельно присоединенные к выходу блока усилителей биопотенциалов, к выходу первого полосового фильтра параллельно присоединены дифференциатор 2-го порядка - «пик-детектор» и 3-х пороговый 2-х «оконный» амплитудный дискриминатор, выход «пик-детектора» присоединен через выходы 1-го и 2-го порогов амплитудного дискриминатора и первый электронный ключ к запускающим входам первого и второго таймеров и к суммирующим входам первого и второго счетчиков, выход первого таймера и выход 3-го порога амплитудного дискриминатора соединены с блокирующим входом первого электронного ключа, выход второго таймера соединен со вторым счетчиком, выходы первого и второго счетчиков соединены через второй и третий электронные ключи с входами блока сигнализации, выполненного с возможностью подачи «тревожного» и «предупреждающего» звуковых сигналов, один выход блока сигнализации соединен со звукоизлучателем, а второй выход блока сигнализации соединен с обнуляющими входами первого и второго, выход второго полосового фильтра соединен через интегратор и компаратор с блокирующими входами второго и третьего электронных ключей.