Способ диагностики функционального состояния оператора по речевому сигналу и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК A61B8/00 

1

Изобретение относится к медицине, а именно к психофизиологии, и может быть использовано при диагностике психофизиологического состояния оператора в процессе его профессиональной деятельности.

Цель изобретения - повышение точности диагностики функционального состояния оператора.

На чертеже изображена блок-схема устройства для диагностики функционального состояния оператора по речевому сигналу.

Устройство содержит анализатор 1 спектра, состояший из параллельных каналов, число которых определяется шириной спектра речевого сигнала.

В каждом канале последовательно соединены полосовой фильтр 2, нелинейный

элемент 3 и интегратЪр 4. Входы каналов объединены и являются входом устройства, а выход каждого канала соединен с соответствующим входом переключателя 5 режимов работы.

Выходы переключателя 5 режима работы соединены с последовательно включенными блоком 6 деления и индикатором 7 состояния оператора, а также с информацион- ными входами блока 8 аналого-цифровых преобразователей, информационные выходы которых подключены к соответствующим входам блока 9 мультиплексоров.

Устройство также имеет блок 10 обработки данных, содержащий микропроцессор 11, оперативное запоминающее устройство 12, постоянное запоминающее устройство 13 и адресный дешифратор 14.

4

сд

со

О5

ел

СП

i Первый и второй выходы последнего соединены соответственно с управляющими входами оперативного запоминающего устройства 12 и постоянного запоминающего устройства 13. Информационные входы- выходы микропроцессора 11, оперативного запоминающего устройства 12, информационные выходы постоянного запоминающего устройства 13 и выходы блока 9 мультиплексоров соединены с двунаправлениндикации функционального состояния оператора.

Блок 10 оОработки данных предназначен для получения двух наиболее информативных участков исследования по программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве 13. Исходной информацией к программе служит матрица информационных признаков, дискретные значения которых

--J,- -- ., ---- - „-Jгформируются на информационных выходах

ной щиной 15 данных. Адресные входы блока 8 аналого-цифровых преобразователей оперативного запоминающего устройства 12,и через блок 9 мультиплексоров предвапостоянного запоминающего устройства 13, адресные выходы микропроцессора 11 и управляющий вход блока 9 мультиплексоров соединены с щиной 16 адреса блока 10 15 разом.

I обработки данных. Вход «Готовность микро-Предварительно производят регистрацию

процессора 11 соединен с выходом «Го- : товность блока 8 аналого-цифровых преобразователей. ; Кроме того, устройство содержит блок

17 формирования сигнала окончания наст- 20 гии участков для каждого конкретного :ройки, кнопку 18 «Пуск, кнопку 19 функционального состояния оператора. I «Сброс, первый 20 и второй 21 триг- : геры, блок 22 временной задержки, третий триггер 23, элемент ИЛИ 24, регистр 25,

блок 26 индикации, индикатор 27 настрой- 25 рэ по формуле ки, индикаторы 28 и 29 окончания наст- ; ройки. Выход первого разряда регистра 25 соединен с вторым входом элемента ИЛИ 24, а его разрядные выходы с второго по восьмой подключены к входам блока 17 формирования сигнала оконча- 30 ния настройки и блока 26 индикации. Выход последнего соединен с управляющим входом переключателя 5 режимов работы, выход которого соединен с единичным входом триггера 23, снабженного индикатором 28 окончания настройки. Кноп- 35 ка 18 «Пуск соединена с единичным входом триггера 20, снабженного индикатором 27 настройки, а также с нулевым входом второго триггера 21 и через блок 22

рительно заносятся в оперативное запоминающее устройство 12.

Способ осуществляют следующим обречевых сигналов, соответствующих определенному состоянию оператора, и определяют энергетический спектр речевого сигнала с разбивкой на участки, запоминают энерДалее сравнивают энергии информативных признаков всех участков спектра во всех функциональных состояниях операто.А,

,Azi

W, Ig/f - /,

Л 1All.Ajt

где AI; - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отношений информативных признаков в первом (недонапряжен- ном) функциональном состоянии оператора;

А2, - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отно- пений информативных признаков во втором (оптимальном) функциональном состоянии оператора; .А.З/ - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отно- щений информативных признаков в третьем (перенапряженном) функциональном состоянии оператора.

временной задержки с единичным входом триггера 21, инверсный выход которого соединен с управляющим входом блока 8 аналого-цифровых преобразователей. Кнопка 19 «Сброс соединена с входом «Сброс микропроцессора 11, нулевым входом тригге40

А2, - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отно- пений информативных признаков во втором (оптимальном) функциональном состоянии оператора; .А.З/ - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отно- щений информативных признаков в третьем (перенапряженном) функциональном состоянии оператора.

По наибольщему значению W,-vaxc выделяют два наиболее информативных участра 23 и первым входом элемента ИЛИ 24. д ка спектра речевого сигнала и путем Выход последнего соединен с нулевым входом триггера 20 и установочным входом регистра 25 (не показано). Разрядные входы регистра 25 соединены с щиной 15 данных блока 10 обработки данных, его управляющий вход соединен с третьим вы- 50 ходом адресного дещифратора 14.

Анализатор 1 спектра вырабатывает матрицу информативных признаков.

Переключать 5 режимов работы предназначен для подключения выходов кана- ,.

лов анализатора 1 спектра к входам бло- -53 режимов работы устанавливают в режим ка 10 обработки данных в режиме наст- «Настройка. При этом его выходы сое- ройки либо выбранных каналов к входам динены с информационными входами блока 8 блока 6 деления в рабочем режиме при аналого-цифровых преобразователей.

сравнения отнощения их энергии с результатами деятельности оператора осу- ш,ествляют диагностирование функционального состояния оператора, степень его напряженности.

Устройство работает следующим образом.

Устройство имеет два режима работы: режим настройки и рабочий режим.

В режиме настройки переключатель 5

разом.

рительно заносятся в оперативное запоминающее устройство 12.

Способ осуществляют следующим обПредварительно производят регистрацию

гии участков для каждого конкретного функционального состояния оператора.

речевых сигналов, соответствующих определенному состоянию оператора, и определяют энергетический спектр речевого сигнала с разбивкой на участки, запоминают энер гии участков для каждого конкретного функционального состояния оператора.

рэ по формуле

Далее сравнивают энергии информативных признаков всех участков спектра во всех функциональных состояниях операторэ по формуле

.А,

,Azi

W, Ig/f - /,

Л 1All.Ajt

где AI; - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отношений информативных признаков в первом (недонапряжен- ном) функциональном состоянии оператора;

А2, - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отно- пений информативных признаков во втором (оптимальном) функциональном состоянии оператора; .А.З/ - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отно- щений информативных признаков в третьем (перенапряженном) функциональном состоянии оператора.

По наибольщему значению W,-vaxc выделяют два наиболее информативных участка спектра речевого сигнала и путем

ка спектра речевого сигнала и путем

,.

режимов работы устанавливают в режим «Настройка. При этом его выходы сое- динены с информационными входами блока 8 аналого-цифровых преобразователей.

сравнения отнощения их энергии с результатами деятельности оператора осу- ш,ествляют диагностирование функционального состояния оператора, степень его напряженности.

Устройство работает следующим образом.

Устройство имеет два режима работы: режим настройки и рабочий режим.

В режиме настройки переключатель 5

тора 1 спектра, соответствующих наиболее информативным участкам спектра исследуемого речевого сигнала, которая поступает с второго по восьмой информационных

После нажатия кнопки 19 «Сброс в исходное состояние устанавливаются микропроцессор 11, регистр 25, первый 20

и третий 23 триггеры. В результате гас-,. .

нут индикатор 2 настройки и индикатор выходов регистра 25 на блок 26 индика- 29 окончания настройки.ции. Последний регистрирует номера этих

В блоке 22 временной задежки устанавливают время действия речевого- сигнала.

В момент начала поступления речевого сигнала, соответствующего первому состоянию оператора, на анализатор 1 спектра нажимают кнопку 18 «Пуск. При этом триггер 20 переходит в состояние «1 и загорается индикатор 28 настройки. Триггер 21 переходит в состояние «О и его ОР 2 окончания настройки, выходной сигнал высокого уровня переводит блок 8 аналого-цифровых преобразова-В рабочем режиме переключатель 5 ре- телей в исходное состояние, подготовив жимов работы устанавливают в режим его к преобразованию исходной инфор- «Работа, в результате чего выходные мации. сигналы с двух каналов анализатора 1

Через промежуток времени, установлен- 20 спектра, выбранных в режиме настройки, вый в блоке 22 временной задержки,поступают на блок 6, с выхода которого

выходной сигнал последнего устанавливаетснимают напряжение, пропорциональное

триггер 21 в состояние «1. При этомчастному входных напряжений, которое фиксигнал низкого уровня с выхода триггерасируют индикатором 7 состояния опера21 разрешает преобразование входной ин- с ™РЗ- напряжение является информал.. Л,-,, Q оттогт/чт л II V nr лr Л итлг оиитпл ПЯПамрТППМ П.ПЯ Л И Я ГНОГТИ ПОВЗНИЯ

двух каналов в удобной для оператора форме.

Одновременно сигналы с тех же выхо- дов регистра 25 поступают на блок 17 формирования сигнала окончания настройки. С входа последнего сигнал поступает на триггер 23 и устанавливает его в состояние «1. При этом загорается индикаформации блоку 8 аналого-цифровых преобразователей.

Через промежуток времени, равный длительности преобразования, аналоговой информации в цифровую, на выходе «Гоционным параметром для диагностирования функционального состояния оператора.

Пример. Для диагностирования функцио„„ р™..... . ..j., - --нального состояния оператора используют

товность блока 8 аналого-цифровых преоб-зо речевые сигналы, произносимые артистами, разователей формируется сигнал высокогомоделирующими три состояния человека: уровня, разрещая микропроцессору 11 приемперенапряжение, нейтральное и подавленное, значений матрицы информативных признаков речевого сигнала в цифровой форме.Речевой сигнал, соответствующий опреС этого момента начинается исполнениеделенному состоянию, подается на анализазаписанной в постоянном запоминающем35 тор 1 спектра, на выходе которого формиустройстве 13 программы ввода инфор-руются информативные признаки данного

мации в микропроцессор 11.состояния, записываемые в оперативное

После ее выполнения микропроцессор 11запоминающее устройство 12. Эта операпо щине 15 данных записывает в регистрция повторяется три раза для а.ждого

25 код, в первом разряде которого со-из трех состояний. В результате в оперативдержится «1, а в остальных разрядах ном запоминающем устройстве 12 записа«0. Сигнал с первого информационногона матрица информативных признаков

выхода регистра 25 поступает через эле-вида

мент ИЛИ 24. на нулевой вход тригге-схп ai2 «is ссм ais

pa 20, устанавливая его в состояние «О,а-ц ayz 23 ct.24 ос25

При этом индикатор 28 настройки гаснет.45 о з аз2 «зз аз4 аз5

На этом завершается ввод данных для/ одного состояния эмоциональной напряженности оператора.

Аналогично заносится информация, соответствующая второму и третьему состоянию

эмоциональной напряженности оператора.50

После занесения информации по третьему состоянию эмоциональной напряженности оператора начинает работать программа обработки данных для всех трех состояний эмоциональной напряженности, в

Числовое значение матрицы для одной фразы имеет вид

12 5 2 2 2 8 5 4,5 6 5,5 6 4 1,2 1,3 1

Матрица информативных признаков является исходной для выделения наиболее информативных участков спектра.

Далее в процессе обработки этой матрезультате исполнения которой микропро- 55 рицы микропроцессором 11 по программе, цессор 11 по щине 15 данных заноситзаписанной в постоянном запоминающем

устройстве 13, формируется матрица отношений признаков

в регистр 25 код, содержащий информацию о номерах двух каналов анализатора 1 спектра, соответствующих наиболее информативным участкам спектра исследуемого речевого сигнала, которая поступает с второго по восьмой информационных

,. .

выходов регистра 25 на блок 26 индика- ции. Последний регистрирует номера этих

выходов регистра 25 на блок 26 индика- ции. Последний регистрирует номера этих

ОР 2 окончания настройки, В рабочем режиме переключатель 5 ре- жимов работы устанавливают в режим «Работа, в результате чего выходные сигналы с двух каналов анализатора 1

двух каналов в удобной для оператора форме.

Одновременно сигналы с тех же выхо- дов регистра 25 поступают на блок 17 формирования сигнала окончания настройки. С входа последнего сигнал поступает на триггер 23 и устанавливает его в состояние «1. При этом загорается индика ™РЗ- напряжение является информаитлг оиитпл ПЯПамрТППМ П.ПЯ Л И Я ГНОГТИ ПОВЗНИЯ

ционным параметром для диагностирования функционального состояния оператора.

Числовое значение матрицы для одной фразы имеет вид

12 5 2 2 2 8 5 4,5 6 5,5 6 4 1,2 1,3 1

Матрица информативных признаков является исходной для выделения наиболее информативных участков спектра.

Далее в процессе обработки этой матрицы микропроцессором 11 по программе, записанной в постоянном запоминающем

Аи А,2 аи

ai3 аи

ai5

ai5

AIAIS 10

ai3

ai4

Изобретение относится к медицине, точнее к диагностированию психофизиологического состояния оператора. Цель изобретения - повышение точности диагностики функционального состояния оператора. Для этого после определения энергетичес- кого спектра речевого сигнала с одновременной разбивкой его на участки запоминают энергии участков для каждого конкретного функционального состояния оператора, сравнивают энергии всех участков спектра во всех функциональных состояниях оператора, выделяя наиболее информативные участки спектра речевого сигнала, по результату сравнения энергий которых осуществляют диагностирование или тренировку в достижении оптимального функционального состояния оператора. Способ осуществляют при помощи устройства, содержащего анализатор спектра, блоки аналого- цифровых преобразователей, мультиплексоров, обработки данных, а также регистр, кнопку «Пуск, соединенную с нулевым входом первого триггера. Устройство имеет переключатель режимов работы, блок деле- g ния, индикаторы состояния оператора, настройки, сигнала окончания настройки, /Л а также второй и третий триггеры, эле- мент ИЛИ. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

a22 ,. Ct23 . CC24 A ° 25 дa25

-.-

a2ia23a24

a2i

a2i

азз д аз4 . аз5 . аз5

...

азз«34

аз1

аз1

Числовое значение этой матрицы j данного примера имеет вид 14,1 1,6 1,6 0,6 0,56 0,75 16,6 -0,2 0,21 ;i,6 0,4 0,4

10,68 0,9 1,2

0,16 0,3 0,32 0,4 1 1 1,1 1,3 1,2 0,9 |0,25 1,1 0,8 0,77

I Сравнение энергий (информативных наков) всех участков спектра в трех I тояниях осуществляется по формуле

w,. /ig|}f/ /ig%/.

А.с

: числовые значения W,- в рассматриваемом примере имеют вид 0,007; 0,19; 0,16; 0,25; 0,02; 0,03; 0,06; 0,0003; 0,0013; 0,0004,

W,,25.

Информация о W,M3xc (номера двух выделенных наиболее информативных участ- ков спектра) поступает из блока 10 об- ; работки данных в регистр 25 и высвечивается в блоке 26 индикации.

В данном примере наиболее информативными участками спектра являются пер- вый и пятый, соответствующие четвертому элементу строки W,-.

После выделения наиболее информативных учатков спектра диагностирование осуществляется переключением переключателя 5 режимов работы на два выделенных канала анализатора 1 спектра. Напряжение с двух выделенных кан алов (первого и пятого) подается на блок 6, а их отно- щение поступает на индикатор 7 состояния оператора.

В данном примере имеем:

1,6 - перенапряженное состояние;

0,68 - нейтральное состояние;

0,16 - подавленное состояние.

После выделения наиболее информативных участков спектра речевого сигнала

диагностирование функционального состояния оператора осуществляется по одному параметру, определяемому двумя информативными признаками. В этом случае при однократном произнесении речевого сигнала ошибка диагностирования составляет 0,15. Если для диагностирования использовать пять информативных признаков, то ошибка диагностирования 0,37.

аз1

5

0

5

0

5

л 5

Способ для диагностики функционального состояния оператора по речевому сигналу и устройство для его осуществления позволяют повысить точность диагностики функционального состояния оператора и могут быть использованы при выходе оператора на оптимальное состояние эмоциональной напряженности, когда данная работа соверщается конкретным оператором с минимальной усталостью.

В процессе работы с их помощью оператор может быть предупрежден об эмоциональном перенапряжении состояния, которое может повлечь сбои в работе или привести его в стрессовое состояние или к выполнению работы без должного внимания.

Формула изобретения

w,- /ig4- - / /ig4 -f/.

A/i

Аи

A.:

5

A2/

0

где AI/ - отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отношений информативных признаков в первом функциональном состоянии оператора; отнощение информативных признаков в i-M столбце матрицы отношений информативных признаков во втором функциональном состоянии оператора; АЗ; - отношение информативных признаков в i-M столбце матрицы отношений информативных признаков в третьем функциональном состоянии оператора, и по наибольшему значению У,-макс выделяют наиболее информативные участки спектpa речевого сигнала и диагностирование осуществляют путем сравнения отношения энергий двух наиболее информативных участков спектра с результатами деятельности оператора.

5

щееся тем, что, с целью повышения точности, оно содержит переключатель режимов работы, блок деления, индикатор состояния оператора, соединенные последовательно, а также второй и третий триггеры, элемент ИЛИ, индикатор настройки, формирователь и индикатор сигнала окончания настройки, причем кнопка «Пуск соединена с первым входом второго триггера, с вторым входом которого соединен через элемент ИЛИ первый выход регистра, второй выход регистра соединен с индикатором окончания настройки через последовательно соединенные формирователь сигнала окончания настройки и третий триггер, а выход анализатора спектра соединен с блоком аналого-цифровых преобразователей через переключатель режима работы.