Телеметрическая система контроля работоспособности оператора по уровню бодрствования и предвестникам гипогликемии

Телеметрическая система контроля работоспособности оператора по уровню бодрствования и предвестникам гипогликемии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к средствам диагностики психофизиологического состояния человека в процессе профессиональной деятельности и может быть использовано в системах автоматического контроля состояния операторов, в частности водителей транспортных средств.

Известно, что безопасность в промышленности, на транспорте в первую очередь определяется психофизиологическим состоянием человека-оператора ответственных профессий. Например, пребывая в стадии утомления, под воздействием стрессовых ситуаций или в состоянии алкогольного (наркотического) воздействия оператор - водитель теряет объективную картину дорожной обстановки, являясь источником дорожно-транспортных происшествий.

Описано большое количество изобретений, касающихся технических средств противодействия как изначально неработоспособному оператору, так и оператору, который в процессе профессиональной деятельности теряет работоспособность. Так, известно использование газоанализаторов для определения паров алкоголя в процессе дыхания водителя, препятствующих запуску двигателя (ЕР 1024746 A1, Smart Start Inc., 09.08.2000), использование систем распознавания речи (RU 2148505, ЗАО “НЕЙРОКОМ”, В 60 К 28/06, 10.05.2000) для этих же целей.

Другим направлением контроля за состоянием оператора является фиксация его физиологических параметров - электроэнцефалограмм, электромиограмм и электроокулограмм, а также их совместный анализ (WO 00/44580 A1, Compumedics Sleep. PTY. Ltd, 03.08.2000), состояния давления, сердцебиения, температуры кожи, ее электропроводности и др. (WO 02/096694 A1, 05.12.2002). Контроль функционального состояния может быть эффективно использован для поддержания работоспособности, например, в условиях монотонии, когда оператор теряет бдительность (см. RU 2111134 С1, НЕЙРОКОМ, 1998). Одним из наиболее информативных критериев перехода в состояние потери работоспособности оператора является изменение кожно-гальванической реакции (RU 2107460 С1, НЕЙРОКОМ, 27.03.1998; US 6167299, Galchenkov et al., NEUROCOM, 26.12.2000). Устройство для реализации способа содержит электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, средства для подавления импульсных помех, средства для выделения сигнала в полосе фазической и тонической составляющих электродермальной активности, средства для детектирования импульсов фазической составляющей, блок регистрации.

Наиболее близким устройством по назначению и совокупности признаков является система по патенту RU 2200095 С1, НЕЙРОКОМ, 10.03.2003. Телеметрическая система контроля бодрствования оператора содержит электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, соединенному с блоками приема, обработки сигнала и управления и блоком индикации. Электроды и входное устройство выполнены в виде единого блока телеметрического датчика с возможностью размещения и крепления на запястье или на пальце оператора. Блоки приема, обработки сигнала и управления и блок индикации размещены в едином блоке стационарной части, при этом связь упомянутых телеметрического датчика и блока приема осуществляется по радиоканалу. Входное устройство содержит последовательно соединенные логарифмический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, формирователь кодовых посылок и передатчик, имеющий передающую антенну, являющуюся выходом телеметрического датчика. Блок приема сигнала выполнен двухканальным, при этом каждый из каналов образован последовательно соединенными приемной антенной, усилителем высокой частоты, детектором, коррелятором, выходы корреляторов подключены к блоку предварительной обработки информации, соединенному через интерфейс с блоком обработки сигналов и управления, причем приемные антенны имеют взаимно ортогональную поляризацию. Блок обработки сигналов и управления соединен с блоками входных сигналов транспортного средства, сопряжения с бортовым компьютером транспортного средства, формирования управляющих воздействий и интерфейсом для связи с блоком индикации, при этом блок входных сигналов соединен с кнопкой подтверждения бодрствования и имеет группу входов для подключения к соответствующим электрическим цепям транспортного средства. Блок индикации включает блок управления индикацией, к выходам которого подключены блок звуковой сигнализации и индикатор уровня бодрствования.

Система дает возможность осуществлять контроль бодрствования оператора, однако не позволяет своевременно информировать о возможности возникновения гипогликемического шока, если оператор страдает сахарным диабетом.

В то же время гипогликемический шок у больных сахарным диабетом является одним из наиболее опасных состояний человека-оператора. Гипогликемия часто возникает вследствие небрежности самого больного диабетом, который вовремя не примет пищу или недопустимо увеличит физическую нагрузку. При легкой стадии гипогликемии человек испытывает голод, при большей - потливость, слабость, а при тяжелой степени может наступить потеря сознания и даже смерть. Известны многочисленные случаи, когда человек, например, управляющий транспортным средством, по причине внезапного наступления гипогликемии терял контроль над своими действиями и создавал аварийную ситуацию на дороге, зачастую приводящую к тяжелым последствиям (см. Рунэ Эльвик, Аннэ Боргер Мюсен, Трулс Ваа. Справочник по безопасности дорожного движения / Пер. с норв. Под редакцией проф. В.В.Сильянова. М.: МАДИ (ГТУ), 2001. 754 с.). В соответствии с Перечнем медицинских противопоказаний к допуску на работу (утвержден приказом Минздрава СССР от 29 сентября 1989 г. №555) больные сахарным диабетом признавались негодными к профессиональной деятельности в качестве водителей транспортных средств категорий "В", "С", "D" и "Е". В то же время в России и некоторых других странах данное заболевание не является препятствием к получению прав на управление автомобилем.

В соответствии с вышеописанным, актуальным является своевременное распознавание признаков близкого наступления гипогликемии с помощью неинвазивных дистанционных методов. Это целесообразно как с точки зрения безопасного выполнения ответственных работ, так и возврата к полноценной деятельности лиц, страдающих сахарным диабетом, когда такая деятельность запрещена по причине заболевания.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего контроль работоспособности оператора по уровню бодрствования и выявлению предвестников гипогликемии. По информации, которой располагает заявитель, постановка задачи и средства ее решения являются новыми.

Технический результат, сформулированный в задаче изобретения, достигается тем, что телеметрическая система контроля работоспособности оператора содержит блок телеметрического датчика, включающий первую пару электродов для регистрации электродермальной активности по фазической и тонической составляющим, подключенную к соединенньм друг с другом первому логарифмическому преобразователю, аналого-цифровому преобразователю, формирователю кодовых посылок и передатчику, связанному по радиоканалу с блоком стационарной части, выход которого соединен с блоком индикации, включающим блок управления индикацией, к выходам которого подключены блок звуковой сигнализации и индикатор уровня бодрствования. В систему дополнительно введены средства для регистрации предвестников гипогликемии по критическому падению уровня электрического сопротивления кожного покрова, выполненные в виде второй пары электродов, подключенной к второму логарифмическому преобразователю, при этом аналого-цифровой преобразователь выполнен двухканальным, к его входам подключены выходы обоих упомянутых логарифмических преобразователей, а блок индикации включает индикатор предвестников гипогликемии по состоянию критического падения электрического сопротивления кожного покрова, подключенный к выходу блока управления индикацией.

Система может характеризоваться тем, что первая пара электродов имеет средства для гальванической связи с внутренней поверхностью кожного покрова запястья или пальца, а вторая - с тыльной областью кисти или запястья руки оператора.

Система может характеризоваться и тем, что к критическому падению электрического сопротивления кожного покрова, как предвестника гипогликемического шока, относят величины падения электрического сопротивления кожного покрова в диапазоне от 1,5 до сотен раз за период времени, не превышающий одной минуты.

Система может характеризоваться также тем, что блок телеметрического датчика выполнен в виде единого с электродами второй группы блока с возможностью размещения и крепления на руке оператора.

Система может характеризоваться, кроме того, тем, что блок телеметрического датчика выполнен в виде единого с электродами второй группы блока с возможностью размещения и крепления на руке оператора.

Система может характеризоваться и тем, что средство крепления блока телеметрического датчика на руке оператора выполнено в форме перчатки или ее части, а электроды установлены на внутренней поверхности перчатки с возможностью гальванической связи с кожным покровом руки.

В основе патентуемого изобретения лежат следующие положения. Как известно, до настоящего времени не создано надежного бескровного метода определения уровня сахара в крови. В то же время для определения гипогликемии не обязательно точно знать количественные значения концентрации сахара. Достаточно детектировать предвестники гипогликемического шока, чтобы человек-оператор мог вовремя предпринять стандартные корректирующие действия. Одним из предвестников является повышение потоотделения в тех зонах на кожном покрове, где отсутствует потоотделение, обусловленное другими причинами, например эмоциональным состоянием человека. Такие зоны должны также характеризоваться отсутствием терморегуляционного потоотделения в комфортных температурных условиях. Примерами участков, удовлетворяющих описанным условиям, являются кожный покров тыльной области кисти и запястья человека. Повышение потоотделения регистрируется по резкому падению электрического сопротивления кожи G. Как показали эксперименты, в качестве предвестников гипогликемического шока могут быть приняты величины падения электрического сопротивления кожи G в диапазоне от 1,5 до десятков-сотен раз за временной интервал, не превышающий нескольких десятков секунд. Для формирования сигналов-предвестников используется модернизированный тракт преобразования и обработки сигналов по патенту-аналогу RU 2200095, существенные признаки которого раскрываются в нижеприведенных графических материалах и описании.

Существо изобретения поясняется на рисунках, где:

на фиг.1 показана блок-схема патентуемой системы;

на фиг.2 представлен алгоритм функционирования системы.

Система содержит (см. фиг.1) телеметрический датчик 10, приемник 20 сигналов телеметрического датчика, контроллер 30 и устройство 40 индикации. Телеметрический датчик 10 предназначен для получения информации об относительном изменении параметров кожного сопротивления водителя, преобразования этой информации в кодовые посылки и передачу их по радиоканалу гигагерцового диапазона частот на подсистему обработки сигналов телеметрического датчика. Телеметрический датчик 10 располагается на запястье или на пальце оператора и может быть выполнен в виде браслета, наручных часов или перстня, а также перчатки или ее фрагмента, одеваемых на руку.

Телеметрический датчик 10 имеет две пары электродов: 101 и 102, 103 и 104, обеспечивающие электрический контакт с кожей оператора. Одна пара электродов (102, 101) предназначена для регистрации электродермальной активности, по параметрам которой выделяются сигналы в полосе фазической и тонической составляющих (полностью аналогично ближайшему аналогу RU 2200095). Вторая пара электродов (103, 104) предназначена для регистрации предвестников гипогликемии по состоянию критического падения электрического сопротивления кожи. Эти электроды устанавливаются в зонах, как отмечено выше, обычно не характеризующихся потоотделением в условиях эмоционального напряжения, а также не имеющих выраженного потоотделения при комфортных условиях окружающей среды. Такими зонами являются тыльная область кисти или тыльная область запястья оператора.

Пары электродов подключены к входу логарифмических преобразователей 106, 107. Выходы преобразователей 106, 107 подключены к входам двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 108, выход которого подключен к входу формирователя 110 кодовых посылок, выход которого подключен к передатчику 112, соединенному с передающей антенной 114. Питание датчика 10 осуществляется от элемента питания 113.

Приемник сигналов 20 телеметрического датчика 10 предназначен для приема высокочастотных сигналов по двум независимым каналам с взаимно ортогональной поляризацией, для чего служат две приемные антенны 202 и 204. Антенны 202, 204 подключены к двум каналам усилителя высокой частоты 206, 208, выходы которых через детекторы 210, 212 подключены к входам канальных корреляторов 214, 216. С выхода корреляторов 214, 216 цифровые значения корреляционной функции входного сигнала подаются на вход блока 218 предварительной обработки информации телеметрического датчика. Выход упомянутого блока 218 подключен к интерфейсу 220 для связи с контроллером 30.

Для этой цели контроллер 30 имеет интерфейс 302, соединенный с блоком 304 управления и цифровой обработки сигналов. Блок 304 подключен к блоку 306 формирования управляющих воздействий, имеющему ряд соответствующих выходных клемм 308 для подключения к различным системам сигнализации или управления объектом (объектом может быть транспортное средство). В таком случае к одному из входов блока 304 подключен блок 310 входных сигналов, имеющий группу входов 312 для подключения к соответствующим электрическим цепям объекта. Например, для транспортного средства - указателям торможения, поворота и другим. К блоку 310 также подключена кнопка 314 подтверждения бодрствования. Для подключения блока 304 к бортовому компьютеру управляемого объекта введен блок 316 сопряжения, вход которого соединен с блоком 304, а выход имеет соответствующий разъем 318. Кроме того, блок 304 связан с интерфейсом 320 для связи с устройством 40 индикации.

Устройство 40 индикации связано с интерфейсом 320 посредством интерфейса 402, подключенного к блоку 404 управления индикацией, имеющему соответствующие выходы. Эти выходы подключены к блоку 406 звуковой сигнализации, индикатору 408 уровня бодрствования, показывающему уровень бодрствования оператора по условной шкале, и индикатору 410 предвестников гипогликемии по состоянию критического падения электрического сопротивления кожи.

Интерфейсы 220, 302, 320 и 402 могут быть организованы по стандарту RS-232С или другому, используемому на управляемом объекте.

Устройство работает следующим образом.

Ток через кожу руки, обозначенную на фиг.1 как сопротивление G, подключенное к парам электродов 101, 102 и 103, 104, преобразуется логарифмическими преобразователями 106, 107 в напряжение и поступает на входы АЦП 108, который измеряет текущее значение сопротивлений G.

Сигнал с выхода АЦП 108 поступает на формирователь 110 кодовых посылок, который управляет модуляцией передатчика 112 радиоканала. В кодовых посылках передается также информация о подсоединении электродов 101, 102, 103, 104 к телу оператора, о напряжении батареи (блок 113) и наступлении режима тестирования.

Приемник 20 сигналов телеметрического датчика принимает высокочастотные импульсно-модулированные сигналы по двум независимым каналам с взаимно ортогональной поляризацией приемных антенн 202, 204. После усиления (блоки поз. 206, 208), детектирования (поз. 210, 212) и нормирования по амплитуде входной сигнал по каждому из каналов поступает на входы канальных корреляторов 214, 216. С выхода упомянутых корреляторов цифровые значения корреляционной функции входного сигнала подаются на вход блока 218 предварительной обработки информации телеметрического датчика. Канал для обработки текущей посылки телеметрического датчика выбирается по максимальному значению корреляционной функции на интервале стартового бита посылки.

По запросу контроллера 30 информационный код вместе с признаками тестирования и ошибки подается на выход прибора. Блок 304 управления и цифровой обработки анализирует полученные с приемника 20 сигналы, соответствующие измеренному значению сопротивления кожи. На основе этого анализа с учетом известных критериев состояния бодрствования по кожно-гальванической реакции (например, RU 2107460) блок 304 определяет уровень бодрствования оператора.

В соответствии с уровнем бодрствования через интерфейс 320 на вход устройства 40 индикации поступает код состояния индикатора 408. Блок 404 управления индикацией включает необходимое число элементов индикатора (например, светодиодов) и при критическом снижении уровня бодрствования подает сигнал на блок 406 звуковой сигнализации. Звуковой сигнал тревоги требует от оператора нажатия кнопки 314 подтверждения бодрствования. Если оператор нажал кнопку 314 или блок 310 входных сигналов с транспортного средства зарегистрировал сигнал по любому из входов 312, работа всей системы продолжается в прежнем режиме. В том случае, если с выхода блока 310 на блок 304 не поступило никакого сигнала, подтверждающего бодрствование, блок 304 выдает сигналы на блок 306 формирования управляющих воздействий, выходные клеммы 308 которого подключены к функциональным системам транспортного средства. При использовании телеметрической системы на автодорожном транспорте и речных судах это системы световой и звуковой сигнализации, управления впрыском топлива, управления пневматической подвеской. На железнодорожном транспорте управляющее воздействие подается на систему аварийного торможения.

При наличии на управляемом оператором объекте бортовой сети стандарта CAN BUS патентуемая телеметрическая система может быть подключена к бортовому компьютеру посредством блока 316 сопряжения через разъем 318, выполненных также в стандарте CAN BUS. В бортовую сеть в этом случае может передаваться информация о текущем уровне бодрствования оператора, включении звукового сигнала тревоги, активизации водителем кнопки 314 подтверждения бодрствования, информация о выдаче сигналов на блок 306 формирования управляющих воздействий. Кроме того, в бортовую сеть может выдаваться информация и о состоянии самой системы контроля бодрствования (например, о возникновении сбоев, потере контакта телеметрического датчика с кожей руки оператора, разряде элемента питания датчика и о прочих нерегламентных ситуациях в работе системы).

Алгоритм функционирования системы показан на фиг.2.

При включении питания (п.60) происходит самотестирование стационарной части системы (п.61), в процессе которого проверяется правильность функционирования ее блоков. При обнаружении ошибок выдается сообщение (п.73), после чего водитель принимает решение (п.74) относительно дальнейшего использования системы: продолжить работу системы (п.61) или отключить ее (п.75).

Если самотестирование прошло успешно, проводится проверка наличия сигнала от датчика 10 (п.62). В том случае, если сигнал отсутствует, система возвращается в цикл самотестирования (п.61). При наличии сигнала включается индикатор приема (п.63) и производится анализ принимаемых данных (п.64). В случае обнаружения ошибок (п.65), сообщение о которых передал датчик 10 или приемник 20, выдается сообщение (п.73). После этого водитель принимает решение (п.74) относительно дальнейшего использования системы: устранить причину ошибки и продолжить работу системы (п.61) или отключить систему (п.75).

При отсутствии ошибок проводится определение уровня бодрствования (п.66) и его индикация (п.67). Далее проводится проверка уровня бодрствования (п.68) по известным критериям, его индикация (п.69).

Производится проверка на наличие предвестников гипогликемии по критическому падению уровня сопротивления кожи (п.76) в канале измерения, подключенном к тыльной стороне запястья (пара электродов 103, 104). Если обнаружено критическое падение сопротивления G за короткий промежуток времени (критерии которого описаны выше), то включается соответствующий индикатор 410 (п.78). Если такое падение не обнаружено, то система работает аналогично прототипу, т.е. определяет уровень бодрствования по фазической составляющей сопротивления кожи.

Если уровень бодрствования выше критического, система возвращается в п.62 по циклу. Если уровень бодрствования ниже критического, выдается звуковой сигнал “Подтвердите бодрствование” (п.69). Проверяется ответная реакция оператора (п.70): нажата ли в течение заданного времени кнопка 314.

Если кнопка нажата, система возвращается на шаг (п.62). Одновременно проверяется наличие сигналов от органов управления транспортным средством (п.71) с группы входов 312, например указателей торможения, поворота и других. Если хотя бы один из этих сигналов присутствует, система возвращается на шаг п.62. При отсутствии таких сигналов подается управляющее воздействие на выходы 308 и соответствующее сообщение об ошибке (п.73). После этого водитель принимает решение (п.74) относительно дальнейшего использования системы: продолжить работу системы, устранив причину ошибки (п.61), или отключить систему (п.75).

Таким образом, система позволяет одновременно контролировать как работоспособность по уровню бодрствования, так и регистрировать предвестники гипогликемического шока, тем самым повышая безошибочность работы человека-оператора.

1. Телеметрическая система контроля работоспособности оператора, содержащая блок телеметрического датчика, включающий первую пару электродов для регистрации электродермальной активности по фазической и тонической составляющим, подключенную к соединенным друг с другом первому логарифмическому преобразователю, аналого-цифровому преобразователю, формирователю кодовых посылок и передатчику, связанному по радиоканалу с блоком стационарной части, выход которого соединен с блоком индикации, включающим блок управления индикацией, к выходам которого подключены блок звуковой сигнализации и индикатор уровня бодрствования, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены средства для регистрации предвестников гипогликемии по критическому падению уровня электрического сопротивления кожного покрова, выполненные в виде второй пары электродов, подключенной к второму логарифмическому преобразователю, при этом аналого-цифровой преобразователь выполнен двухканальным, к его входам подключены выходы обоих упомянутых логарифмических преобразователей, а блок индикации включает индикатор предвестников гипогликемии по состоянию критического падения электрического сопротивления кожного покрова, подключенный к выходу блока управления индикацией.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первая пара электродов имеет средства для гальванической связи с внутренней поверхностью кожного покрова запястья или пальца, а вторая - с тыльной областью кисти или запястья руки оператора.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что к критическому падению электрического сопротивления кожного покрова, как предвестника гипогликемического шока, относят величины падения электрического сопротивления кожного покрова в диапазоне от 1,5 до сотен раз за период времени, не превышающий одной минуты.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что блок телеметрического датчика выполнен в виде единого с электродами второй группы блока с возможностью размещения и крепления на руке оператора.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок телеметрического датчика выполнен в виде единого с электродами второй группы блока с возможностью размещения и крепления на руке оператора.

6. Система по п.2, отличающаяся тем, что средство крепления блока телеметрического датчика на руке оператора выполнено в форме перчатки или ее части, а электроды установлены на внутренней поверхности перчатки с возможностью гальванической связи с кожным покровом руки.