СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2023 года по МПК A61B5/507 A61B5/16 G01N21/31 G01N21/47 G01N33/487 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в практической, спортивной и космической медицине, системах обеспечения безопасности, в качестве одного из элементов детектора лжи, а также в системах комфортного жизнеобеспечения, а именно для дистанционного контроля психофизического состояния человека по потоотделению. Обеспечение многопараметрового контроля состояния человека имеет важное значение при решении самых различных задач, таких как наблюдение в реальном времени за изменениями в его организме в ходе медицинских процедур и тестирований, контроль повышенного стресса в системах обеспечения безопасности и в детекторах лжи, в бытовых применениях в качестве датчиков повышенного потоотделения для управления системами комфортного жизнеобеспечения в жилье, автомобилях и др. Известна зависимость количества выделяемого пота и компонентного состава пота от психофизиологического состояния человека (https://ru.wikipedia.org/wiki/Потоотделение_в_стрессовых_ситуациях).

Известно использование различных контактных электрических датчиков потоотделения, позволяющих в реальном времени отслеживать изменения количество выделяемого пота (патент SU 1512564 A1, МПК A61B 5/05, опубл. 07.10.1989).

Известен способ измерения электрокожного сопротивления и устройство для его осуществления (патент SU 1512563 A1, МПК A61B 5/053, опубл. 07.10.1989). Изобретение относится к медицине и предназначено для измерения электрокожного сопротивления в автоматическом режиме исследования состояния человека в процессе трудовой деятельности. Изобретение позволяет производить измерение электрокожного сопротивления с более высокой точностью и повторяемостью результатов измерения при сохранении морфологической интактности при многократных измерениях с помощью автоматических устройств путем пропускания однонаправленных импульсов тока (ИТ) длительностью от 200 до 380 мс, мощностью не более 0,13 мВт, плотностью не более 36,2 мкА/см, с интервалом- следования ИТ не менее 1,2-1,32 с, измерение осуществляют в промежутке времени от 200 до 380 мс от подачи импульса.

Недостатком указанных устройств является необходимость проводного соединения датчиков, установленных на теле испытуемого, с соответствующей аппаратурой.

Известны устройства, позволяющие передавать сигналы контактного датчика в регистрирующую аппаратуру по радиоканалу (патент CN 1088522381А, МПК А61В 5/164, опубл. 23.11.2018). Однако, данные устройства также требуют крепления соответствующих датчиков на испытуемом. Существенно также, что и в первом, и во втором случаях крепление датчиков на человеке само по себе уже влияет на его психофизиологическое состояние.

Особый интерес в настоящее время представляет возможность дистанционного контроля потоотделения без крепления датчиков, основанного на принципах пассивной, либо активной локации. Пример пассивной локации психофизиологического состояния описан в источнике (патент CN 104644187, МПК А61В 5/164, опубл. 09.06.2017), где используется фиксация теплового портрета испытуемого в ИК - области спектра и анализ соответствующего температурного распределения, изменяющегося при изменениях психофизиологического состояния контролируемого индивидуума. Данный способ позволяет контролировать локальные изменения потоотделения, но не предполагает контроль компонентов пота, несущий существенную информацию о психофизиологическом состоянии.

Наиболее близким к заявляемому решению (прототипом) является устройство дистанционного терагерцового детектора лжи (патент CN 104248443, МПК А61В 5/164, опубл. 23.03.2016), включающее терагерцовый сканирующий элемент, терагерцовый приемный элемент, блок обработки терагерцового сигнала и формирования изображения, вспомогательный модуль определения (обнаружения) лжи. Сканирующий элемент состоит из двух подвижных зеркал, осуществляющих пространственное считывание изображения и преобразование его в детекторе в электрический сигнал, пропорциональный ТГЦ - яркости в той точке изображения, которая в данный момент времени находится в фокусе сканирующих зеркал. С помощью стандартных модулей далее осуществляется визуализация ТГЦ-изображения объекта. С помощью также известных программных продуктов выделяются привилегированные участки тела (нос, ладонь), изменение потоотделения в которых наблюдается по изменению яркости ТГЦ-изображения. Предполагается, что в моменты лжи вследствие изменения потоотделения ТГЦ-яркость данных областей тела может изменяться. Вспомогательный модуль предназначен для сопоставления ТГЦ-портрета с температурным (ИК) портретом этих же участков для повышения точности измерений.

Однако, известное устройство и реализуемый им способ реагируют на интегральное поглощение ТГЦ-излучения в зонах наблюдения, фактически - на их влагосодержание, и не дают информации о компонентах пота, отвечающих различным психофизическим состояниям человека. Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа и устройства для определения психофизиологического состояния человека c целью расширения арсенала технических средств. Технический результат достигается при реализации способа определения психофизиологического состояния человека, включающий детектирование рассеянного контролируемым объектом терагерцевого излучения и последующую обработку полученного электрического сигнала. Достижение технического результата обеспечивается за счет перехода от интегрального определения влажности зон потоотделения к спектральному покомпонентному анализу состава пота, для чего создаются условия для частотного зондирования исследуемого объекта, определения спектров поглощения ТГЦ -излучения его поверхностью и сопоставления этих спектров со спектрами входящих в состав пота маркеров психофизического состояния. В отличие от прототипа проводят детектирование субтерагерцового 0,03 - 1 ТГЦ, терагерцового 1 - 30 ТГЦ излучения, рассеянного исследуемым индивидуумом, подсветку зон потоотделения исследуемого индивидуума электромагнитным колебанием субтерагерцового, терагерцового диапазонов частот мощностью, лежащей заведомо ниже уровня допустимых безопасных значений, а именно не более 200 мквт/см2/час, изменение частоты генератора подсветки, построение спектра поглощения электромагнитных колебаний в указанных зонах потоотделения, сопоставление частот измеренных линий поглощения с частотами спектральных линий веществ, входящих в состав пота, определение перечня веществ, обнаруженных зондированием, являющихся маркерами психофизиологического состояния, определение психофизиологического состояния по набору и амплитудам соответствующих спектральных линий маркеров.

Устройство для определения психофизиологического состояния человека включает генератор электромагнитных колебаний подсветки, сканирующую антенну, детектор, измерительный блок и блоки управления. Содержит соединенные между собой блок управления частотой генератора подсветки, блок формирования частотного спектра отраженного сигнала, банк значений частот спектральных линий компонентов маркеров пота, блок анализа компонентного состава пота, банк компонентов пота, соответствующих различным психофизическим состояниям, блок определения психофизического состояния по спектральному составу пота, индикатор психофизического состояния.

Генератор электромагнитных колебаний подсветки выполнен с возможностью перестройки в диапазонах субтерагерцовых и терагерцовых частот. Антенны и детектор выполнены с возможностью передачи, приема и детектирования в диапазоне перестройки генератора подсветки. Устройство содержит камеру оптического наблюдения угловой зоны действия приемной антенны и терминал. Частотный фильтр представлен в виде отражающей дифракционной решетки с изменяемым углом наклона. Устройство содержит частотный фильтр, представленный в виде уголкового отражателя и отражающей дифракционной решетки с изменяемым углом наклона, и блок управления частотой фильтра, соединенный с механизмом изменения угла наклона и с блоком формирования частотного спектра, отраженного объектом излучения.

Известно, что входящие в состав пота вещества имеют характерные линии поглощения в терагерцовом диапазоне частот и, соответственно, данным частотам должны соответствовать максимумы коэффициента поглощения (минимумы коэффициента отражения) терагерцового излучения. Применением генератора подсветки с изменяющейся частотой и приемника излучения достигается измерение коэффициента отражения контролируемого объекта, фиксируются минимумы отраженного сигнала и соответствующие этим минимумам значения частот. Сопоставление полученных значений частот, соответствующих минимумам отражения, с предварительно созданным банком спектров маркеров психофизиологического состояния позволяет определить наличие, или отсутствие данных маркеров в измеренном спектре потоотделения. Полученная совокупность обнаруженных маркеров позволит определить психофизиологическое состояние индивидуума.

Устройство, реализующее способ, включающее генератор электромагнитных колебаний подсветки 1, детектор 2, измерительный блок 3 и блоки управления, содержит блок управления частотой генератора подсветки 4, блок формирования частотного спектра отраженного сигнала 5, банк значений частот спектральных линий компонентов (маркеров) пота 6, блок анализа компонентного состава пота 7, банк компонентов пота, соответствующих различным психофизическим состояниям 8, блок определения психофизического состояния по спектральному составу пота 9, индикатор психофизического состояния 10. Генератор подсветки 1 выполнен с возможностью перестройки в диапазонах субтерагерцовых и терагерцовых частот, антенны и детектор 2 выполнены с возможностью передачи, приема и детектирования в диапазоне перестройки генератора подсветки.

Пример конкретного осуществления приведен ниже.

Генератор подсветки 1 освещает исследуемого индивидуума колебаниями, частота которых сканируется блоком управления частотой генератора 4, соответственно в каждому моменту времени соответствует определенное значение частоты генератора 1. Отраженный объектом сигнал данной частоты принимается детектором 2, ток которого измерительным блоком 3 преобразуется в цифровой сигнал, подаваемый в блок формирования частотного спектра 5. Одновременно в блок формирования частотного спектра 5 из блока управления частотой генератора 4 поступает соответствующее значение частоты генератора, таким образом, в блоке 5 фиксируется значение тока детектора, пропорциональное значению отраженной объектом мощности на данной частоте. Последовательным пошаговым изменением частоты генератора 1 формируется зависимость амплитуды принятого сигнала от частоты, т.е. спектр отражения от объекта. Анализ этого спектра (определение экстремумов амплитуды отражения и соответствующих им значений частот) и сопоставление полученных значений частот спектральных линий с частотами маркеров компонентов пота, (банк 6), осуществляется блоком анализа компонентного состава пота 7. На выходе данного блока формируется перечень маркеров пота, обнаруженных зондированием. Этот перечень сопоставляется с представленным банком 8 перечнем компонентов пота, соответствующим различным психофизиологическим состояниям, данное сопоставление осуществляется в блоке 9, на выходе которого формируется перечень выявленных показателей психофизиологического состояния, совокупность которых выводится на индикатор психофизиологического состояния 10.

Все операции в блоках 5,7 и 9 реализуются с помощью известных программных продуктов.

Формирование банка спектральных линий компонентов пота производится путем измерений в спектрометре коэффициентов отражения образцов пота, полученных для разных психофизиологических состояний, либо прямыми измерениями спектров этих компонентов, выделенных в виде отдельных образцов. На фиг. 1 приведен пример ТГц-спектра отражения кожи / Идентификация аминокислот, входящих в состав кожи человека, с помощью спектров диапазона 0,05-1,2 ТГц. А.А. Езерская, М.В. Цуркан, О.А. Смолянская, А.В. Капралова, и т.д. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. С. 50-54./, где отмечены спектральные линии, принадлежащие различным ее компонентам, в т.ч. потовым. Значительная часть линий на этом спектре соответствует спектру воды, остальные определены по спектрам известных аминокислот. Тем не менее, приведенный здесь перечень отражает далеко не все компоненты пота, в том числе и связанные с различными психофизиологическими состояниями человека, из чего следует необходимость формирования предложенных настоящим патентом банка данных 6, включающего резонансные частоты компонентов пота, и банка данных 8, включающего компоненты, соответствующие различным психофизическим состояниям. Переход от предложенного прототипом наблюдения за интегральной интенсивностью к наблюдению за отдельными спектральными линиями позволяет значительно расширить информативность определения психофизиологического состояния испытуемого.

Устройство, реализующее способ, предполагает подсветку объекта естественным широкополосным фоновым излучением. Устройство содержит перестраиваемый частотный фильтр, представленный в виде уголкового отражателя 11 и отражающей дифракционной решетки 12 с изменяемым углом наклона α, и блок управления частотой фильтра 13, соединенный с исполнительным механизмом изменения угла наклона дифракционной решетки α и с блоком формирования частотного спектра 5.

Известной особенностью дифракционной решетки является отражение ею в обратном направлении только излучения определенной частоты, зависящей от шага решетки и угла ее наклона к падающему излучению. Отраженное объектом излучение, поступившее в приемную антенну, уголковым отражателем 11 направляется на дифракционную решетку 12. Часть поступающего на решетку 12 излучения, отраженная строго в обратном направлении, уголковым отражателем направляется на детектор 2, ток которого измерительным блоком 3 преобразуется в цифровой сигнал, подаваемый в блок формирования частотного спектра 5. Одновременно в блок формирования частотного спектра 5 из блока управления частотой фильтра 4 поступает соответствующее значение частоты принятого излучения, таким образом, в блоке 5 фиксируется значение тока детектора, пропорциональное значению отраженной объектом мощности на данной частоте.

На фигурах 2 и 3 представлена схема заявленного устройства.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к способу для определения психофизиологического состояния человека и устройству для его осуществления. При этом проводят детектирование субтерагерцевого 0,03–1 ТГЦ, терагерцевого 1–30 ТГЦ излучения, рассеянного исследуемым индивидуумом. Подсветку зон потоотделения исследуемого индивидуума осуществляют электромагнитным колебанием субтерагерцевого, терагерцевого диапазонов частот мощностью, лежащей заведомо ниже уровня допустимых безопасных значений, а именно не более 200 мкВт/см²/ч. Изменяют частоту генератора подсветки. Осуществляют построение спектра поглощения электромагнитных колебаний в зонах потоотделения. Сопоставляют частоты измеренных линий поглощения с частотами спектральных линий веществ, входящих в состав пота. Определяют перечень веществ, обнаруженных зондированием и являющихся маркерами психофизиологического состояния. Определяют психофизиологическое состояние по набору и амплитудам спектральных линий маркеров. Устройство для определения психофизиологического состояния человека содержит генератор электромагнитных колебаний подсветки, сканирующую антенну, детектор, измерительный блок, блок управления частотой генератора подсветки, блок формирования частотного спектра отраженного сигнала, блок анализа компонентного состава пота, банк значений частот спектральных линий компонентов маркеров пота, а также блок определения психофизического состояния по спектральному составу пота, который соединен с индикатором психофизиологического состояния. Обеспечивается дистанционный бесконтактный контроль психофизиологического состояния человека по спектральному анализу состава пота. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

1. Способ для определения психофизиологического состояния человека, включающий детектирование рассеянного контролируемым объектом терагерцевого излучения и последующую обработку полученного электрического сигнала, отличающийся тем, что проводят детектирование субтерагерцевого 0,03-1 ТГЦ, терагерцевого 1-30 ТГЦ излучения, рассеянного исследуемым индивидуумом, подсветку зон потоотделения исследуемого индивидуума электромагнитным колебанием субтерагерцевого, терагерцевого диапазонов частот мощностью, лежащей заведомо ниже уровня допустимых безопасных значений, а именно не более 200 мкВт/см²/ч, изменение частоты генератора подсветки, построение спектра поглощения электромагнитных колебаний в указанных зонах потоотделения, сопоставление частот измеренных линий поглощения с частотами спектральных линий веществ, входящих в состав пота, определение перечня веществ, обнаруженных зондированием, являющихся маркерами психофизиологического состояния, определение психофизиологического состояния по набору и амплитудам соответствующих спектральных линий маркеров.

2. Устройство для определения психофизиологического состояния человека в соответствии со способом по п. 1, включающее генератор электромагнитных колебаний подсветки, сканирующую антенну, детектор, измерительный блок и блоки управления, отличающееся тем, что содержит блок управления частотой генератора подсветки, соединенный с блоком формирования частотного спектра отраженного сигнала, соединенным с измерительным блоком и блоком анализа компонентного состава пота, который в свою очередь соединен с банком значений частот спектральных линий компонентов маркеров пота, устройство также содержит соединенный с блоком анализа компонентного состава пота и с банком компонентов пота, соответствующих различным психофизическим состояниям, блок определения психофизического состояния по спектральному составу пота, который соединен с индикатором психофизического состояния.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что генератор электромагнитных колебаний подсветки выполнен с возможностью перестройки в диапазонах субтерагерцевых и терагерцевых частот.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что антенны и детектор выполнены с возможностью передачи, приема и детектирования в диапазоне перестройки генератора подсветки.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что содержит камеру оптического наблюдения угловой зоны действия приемной антенны и терминал.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что содержит частотный фильтр, представленный в виде уголкового отражателя и отражающей дифракционной решетки с изменяемым утлом наклона, и блок управления частотой фильтра, соединенный с механизмом изменения угла наклона и с блоком формирования частотного спектра, отраженного объектом излучения.