Способ контроля уровня бодрствования человека и система для его реализации

Способ контроля уровня бодрствования человека и система для его реализации

Реферат

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к способам контроля уровня бодрствования человека и системам для их реализации на основе изменения физиологических параметров, характеризующих функциональное состояние человека, и может быть использована для контроля функционального состояния человека-оператора, например водителя транспортного средства.

Известные способы контроля уровня бодрствования человека на основе измерения параметров электрического сопротивления кожи характеризуются тем, что измеряют скорость изменения электрического сопротивления кожи, регистрируют зависимость скорости изменения электрического сопротивления кожи от времени, регистрируют участки этой зависимости с отрицательным значением скорости, превышающим пороговый уровень, измеряют интервалы между передними фронтами соседних участков и по величине этих интервалов судят об уровне бодрствования человека, при этом большей величине интервала соответствует меньший уровень бодрствования, а меньшей величине интервала - больший уровень бодрствования.

Известная система для контроля уровня бодрствования человека содержит электроды, амплитудно-временной селектор и блок сигнализации, вход которого подключен к выходу амплитудно-временного селектора, причем она содержит дифференциатор, вход которого подключен к электродам, и два интегратора, вход одного из которых также подключен к электродам, а вход другого подключен к выходу дифференциатора, при этом выходы обоих интеграторов подключены к входам амплитудно-временного селектора (см. патент РФ №2025731, кл. G01N 33/483, 1994).

Недостатками известных способов и систем является низкая надежность в точности определения контроля функционального состояния оператора, опирающаяся на некорректную информацию, получаемую от носимого датчика кожно-гальванической реакции (КГР), не всегда связанную с состояниями бодрствования и засыпания, а имеющую зависимость также от потовыделения оператора, которое в свою очередь зависит от состояния окружающей среды (температура, влажность), а также от индивидуальных особенностей работы потовыделительных желез, связанных с индивидуальными особенностями вегетативной системы, и в том числе от психоэмоционального состояния оператора в течение процесса измерения КГР оператора.

Техническим результатом, на достижение которого направлены предлагаемые способ контроля уровня бодрствования человека и система для его реализации, является повышение надежности контроля.

Указанный выше технический результат в части способа достигается за счет того, что способ контроля уровня бодрствования человека заключается в том, что регистрируют тонус мышц брюшного пресса человека, например, с помощью датчика давления, путем измерения силы давления стенки брюшного пресса на пояс, расположенный на талии человека, фиксируют момент изменения мышечного тонуса брюшного пресса ниже заданного первоначально порогового значения тонуса, констатирующего нижний уровень бодрствования человека, измеряют промежуток времени, в течение которого тонус мышц брюшного пресса имеет значение ниже указанного порогового значения, и при превышении измеренным значением промежутка времени заданного порогового значения промежутка времени констатируют снижение уровня бодрствования человека.

Указанный выше технический результат в части системы контроля уровня бодрствования человека достигается за счет того, что система включает датчик регистрации силы давления стенки брюшного пресса человека на внутреннюю поверхность надетого на человека кругового поясного ремня, соединенный первым выходом со входом блока аудиотактильной сигнализации, а вторым выходом - со входом передатчика информационного сигнала, который соединен по каналу радиосвязи с приемником информационного сигнала, подключенного выходом к первому входу блока обработки информационного сигнала, второй вход которого соединен с выходом блока ввода команд управления, а выход связан с первым входом блока управления подачей предупредительных сигналов, который вторым входом подключен к выходу блока аудиовизуальной сигнализации, выводы блока управления подачей предупредительных сигналов соединены по радиоканалу связи через устройство для приема и передачи текущей информации с выводами монитора диспетчера для отображения текущего функционального состояния человека.

Кроме того, система включает блок управления тормозным узлом исполнительного механизма, информационный вход которого является информационным выходом блока управления подачей предупредительных сигналов, и, кроме того, блок управления тормозным узлом исполнительного механизма выполнен с возможностью воспроизведения аварийной сигнализации.

Кроме того, система включает приемник GPS или приемник ГЛОНАС-информации, информационный выход которого является информационным входом устройства для приема и передачи текущей информации.

Сущность данной группы изобретений поясняется чертежом, где показана схема системы контроля уровня бодрствования человека, с помощью которой реализуется способ контроля уровня бодрствования человека.

Система контроля уровня бодрствования человека (см. чертеж) включает в себя датчик 1 регистрации силы давления стенки брюшного пресса человека на внутреннюю поверхность кругового поясного ремня, блок 2 аудиотактильной сигнализации, передатчик 3 информационного сигнала, соответствующего данным, которые регистрируются датчиком 1, приемник 4 информационного сигнала, блок 5 обработки информационного сигнала, блок 6 аудиовизуальной сигнализации, блок 7 управления подачей предупредительных сигналов, блок 8 ввода команд управления, блок 9 управления тормозным узлом исполнительного механизма. Блок 9 может быть выполнен с возможностью формирования и подачи аварийной сигнализации.

Система контроля уровня бодрствования человека также содержит мобильные приемопередатчики 11, 12, монитор 13 диспетчера для отображения текущего функционального состояния человека (чертеж).

В данную систему может быть включен приемник 10 GPS или приемник ГЛОНАС-информации, дающий представление о положении человека в пространстве.

Совместно функционирующие датчик 1 регистрации силы давления стенки брюшного пресса человека на внутреннюю поверхность кругового поясного ремня, блок 2 аудиотактильной сигнализации и передатчик 3 информационного сигнала образуют устройство регистрации информации о функциональном состоянии человека.

Совместно функционирующие приемник 4 информационного сигнала, блок 5 обработки информационного сигнала, блок 6 аудиовизуальной сигнализации, блок 7 управления подачей предупредительных сигналов, блок 8 ввода команд управления образуют устройство обработки информации и управления подачей предупредительных сигналов.

Мобильные приемопередатчики 11, 12 составляют устройство для приема и передачи текущей информации.

Датчик 1 регистрации силы давления стенки брюшного пресса человека на внутреннюю поверхность надетого на человека кругового поясного ремня соединен первым выходом со входом блока 2 аудиотактильной сигнализации, а вторым выходом - со входом передатчика 3 информационного сигнала, который соединен по каналу радиосвязи с приемником 4 информационного сигнала, подключенного выходом к первому входу блока 5 обработки информационного сигнала, второй вход которого соединен с выходом блока 8 ввода команд управления, а выход связан с первым входом блока 7 управления подачей предупредительных сигналов, который вторым входом подключен к выходу блока 6 аудиовизуальной сигнализации, выводы блока 7 управления подачей предупредительных сигналов соединены по радиоканалу связи через устройство для приема и передачи текущей информации с выводами монитора 13 диспетчера для отображения текущего функционального состояния человека.

Блок 2 аудиотактильной сигнализации предназначен для подачи зуммера, а также тактильной (с помощью вибромотора) и зрительной (с помощью светодиодов) сигнализации.

Передатчик 3 информационного сигнала предназначен для передачи соответствующих сигналов, ведущих от датчика 1.

Блок 5 обработки информационного сигнала предназначен для регистрации длительности непрерывного срабатывания датчика 1.

Блок 7 управления подачей предупредительных сигналов предназначен для воспроизведения и подачи аудиовизуального сигнала повышенной интенсивности. Звуковая сигнализация переменной частоты 600-3500 Гц с постепенно нарастающей интенсивностью до 90 дБ. в течение 2 с, видеосигнализация - светодиоды повышенной световой интенсивности суммарно до 80 Люкс осуществляются блоком 6 аудиовизуальной сигнализации.

Предлагаемая система, которая реализует способ контроля уровня бодрствования человека, обеспечивает мониторинг бдительности и внимания и определяет момент временной потери контроля оператора к осознанным действиям из-за потери трудоспособности или предшественников такой нетрудоспособности, а также определяет момент перехода фазы бодрствования в фазу засыпания.

Критерием для контроля бодрствования, бдительности и внимания является изменение произвольного (осознанного) тонуса мышц. Измерение тонуса мышц (напряженности) производится путем регистрации силы давления стенки брюшного пресса оператора на датчик давления или путем снятия электромиограммы с группы мышц брюшного пресса и мышц спины, регистрации и анализа электроактивности мышечных групп, что позволяет надежно контролировать уровень бодрствования и определять моменты временной потери контроля оператора к осознанным действиям.

Принцип реализации способа контроля уровня бодрствования человека заключается в следующем.

Датчик 1 регистрации силы давления стенки брюшного пресса человека на внутреннюю поверхность установленного на талии человека кругового пояса дает информацию о величине давления (натяжении ремня).

Заранее определяют пороговое значение тонуса мышц брюшного пресса, констатирующего нижний уровень бодрствования человека. Для этого с помощью датчика 1 регистрируют силу давления на пояс при нижнем уровне бодрствования испытуемого. Нижний уровень бодрствования - это такое состояние испытуемого (оператора, водителя, диспетчера и т.д.), при котором он еще способен адекватно реагировать на раздражитель слабой интенсивности (звуковой сигнал, вибрацию, световой сигнал в пределах естественного визуального обзора) в течение первых 2-4 секунд с момента увеличения силы давления на пояс, в который срабатывает и сигнализирует датчик 1 (описано ниже). С точки зрения физиологии через 2-4 секунды (пороговое значение промежутка времени) наступления неконтролируемого состояния человека происходит переход в более глубокие фазы торможения нервной системы, что в дальнейшем обусловлено более длительным временным интервалом перехода нервной системы в состояние активного бодрствования.

Проводя контроль уровня бодрствования, измеряют величину силы давления на пояс, по результатам чего регистрируют силу давления, превышающую силу давления, соответствующую заранее определенному оператором пороговому значению тонуса мышц, констатирующего снижение уровня бодрствования человека. Измеряют промежуток времени, в течение которого значение тонуса продолжает оставаться ниже порогового (а величина силы давления остается выше силы давления, соответствующего пороговому значению тонуса), т.е. измеряют промежуток времени, в течение которого оператор не реагирует на аудиотактильную сигнализацию небольшой интенсивности (аудиозуммер 3000 Гц 40-60 дБ, тактильный - встроенный в корпус блока датчика вибромотор Т - 1500-3000 об/мин) носимого блока. Если этот промежуток времени превышает пороговое значение 2-4 секунды, констатируют снижение уровня бодрствования.

При потере контроля водителя над собой тонус мышц начинает падать, увеличивается сила давления стенки брюшного пресса на датчик 1. При замыкании контактов данного датчика, который может быть электромеханическим, запускается блок 2 аудиотактильной сигнализации. В этом случае воспроизводится тактильная сигнализация (с помощью вибромотора) и/или зрительная сигнализация (с помощью светодиодов). Одновременно с этим включается передатчик 3 информационного сигнала о срабатывании датчика 1 в приемник 4 информационного сигнала, который посылает соответствующий сигнал в блок 5 обработки информационного сигнала, определяя длительность непрерывного срабатывания датчика 1. Если эта длительность превышает заранее известное пороговое значение промежутка времени (2-4 сек), делается вывод о снижении уровня бодрствования. Таким образом, регистрируется момент, когда человек-оператор, например водитель транспортного средства, начинает терять контроль над собой, бдительность. В этот момент срабатывает блок 7 управления подачей предупредительных сигналов и с помощью блока 6 подается предупредительный аудиовизуальный сигнал повышенной интенсивности. Если в течение некоторого заданного промежутка времени человек-оператор не отключит аудиовизуальный сигнал повышенной интенсивности, то может включаться блок 9 управления тормозным узлом исполнительного механизма, а вместе с ним и аварийная сигнализация. При этом включаются мобильные приемопередатчики 11, 12 устройства для приема и передачи текущей информации. Если человек-оператор отключает аудиовизуальный сигнал повышенной интенсивности путем нажатия комбинации кнопок (не более трех) в соответствии с визуальной инструкцией (т.е. на кнопочном поле блока 8 включается произвольная комбинация из нескольких световых индикаторов), человек-оператор, проанализировав и отключив индикацию, приводит осознанно датчик 1 в первоначальное положение, а также уменьшает уровень натяжения кругового ремня. Система снова начинает измерение состояния электромеханического датчика 1 регистрации силы давления на внутреннюю поверхность кругового поясного ремня. При этом к работе может подключиться приемник 10 GPS или приемник ГЛОНАС-информации. При необходимости также срабатывают мобильные приемопередатчики 11, 12 устройства для приема и передачи текущей информации для передачи сведений в виде сигналов на монитор 13 диспетчера для отображения текущего функционального состояния человека. В отдельных случаях на монитор 13 может поступать информация с приемника 10 о местонахождении оператора. При этом находящийся у монитора диспетчер по полученной информации может принять адекватное и своевременное решение о воздействии на человека по обратной связи или с учетом различных технических средств максимально эффективно.

Данные способ и система контроля уровня бодрствования человека прошли апробацию и экспериментальные проверки.

1. Эксперимент с применением компьютерного автосимулятора. В ходе эксперимента человек-оператор выполнял упражнения на симуляторе - аналогичные реальному продолжительному управлению транспортного средства в условиях изменяющегося физиологического состояния - от бодрствования до засыпания.

2. Эксперимент - контроль человеком-оператором за изменением обстановки в условиях длительного наблюдения - осуществлялся через показ оператору на экране монитора случайных графических символов разной величины, цветовой гаммы, в разных местах зрительного поля, на фоне показа слайд-фильма с нейтральной смысловой информативностью. Оператору ставилась задача отслеживать и регистрировать предъявляемые символы в условиях изменяющегося физиологического состояния - от бодрствования до засыпания. Далее нами проводился анализ достоверности регистрируемой информации оператором.

Приведение организма человека-оператора в состояние засыпания проводилось по форсированной методике с помощью:

- дозированного перорального приема этилосодержащего раствора;

- применения оператором седативных медицинских препаратов со снотворным эффектом (элениум);

- электросна с наложением электродов на затылочную область.

Контроль бодрствования осуществлялся по методике регистрации ЭЭГ (электроэнцефалограмма) и анализа активности головного мозга оператора. Одновременно выполнялось видеонаблюдение с синхронизированной аудиозаписью за действиями и состоянием оператора (контроль положения головы, моргания), запись ЭМГ (электромиограмма) мышц брюшного пресса оператора, а также КГР (кожно-гальваническая реакция) человека-оператора, учитывались количество набранных очков в программе-симуляторе, а также количество ложных срабатываний.

Эксперименты выполнялись сериями: одно задание, через два дня отдыха, всего в количестве 10 раз (на протяжении 30 дней) - для одного оператора-испытуемого.

В исследовании приняли участие 48 человек, в том числе: водители грузовых машин (12 человек 30-45 лет), военнослужащие (7 человек 20-36 лет), охранники (9 человек 27-39 лет), операторы газовых котельных (4 человека 38-54 года), авиадиспетчер (1 человек 33 года), гражданские лица (15 человек - разного пола, возраста и профессиональной ориентации).

По условию эксперимента, согласно методике и теории применения, подопытный (оператор) в течение первой недели выполнял спец. упражнение по специально разработанной программе (поясное ношение датчика давления с аудиосигнализацией состояния датчика) для адаптации.

После проведения серии экспериментов, проанализировав и сопоставив результаты полученных данных, мы однозначно пришли к выводу о высокой достоверности и эффективности определения уровня бодрствования человека.

С помощью предлагаемой системы с достоверностью Р<0,05 определяется у оператора грань между бодрствованием и сном, состояние переутомления, связанное с торможением нервных процессов организма и неадекватной реакции на окружающую обстановку. Отмечена высокая корреляция изменения произвольного тонуса мышц брюшного пресса с изменениями в ЭЭГ (0,93), ЭМГ (0,98) и КГР (0,79). Ложных срабатываний системы за время тестирования в среднем было зарегистрировано 2,7%, причем наблюдалась явная тенденция к уменьшению ложных сигнализаций при дальнейшем использовании и адаптации оператора к проведению мониторинга бодрствования бдительности и внимания.

Ниже приведен пример реализации способа на примере одного испытуемого оператора.

1. Испытуемый был приведен в состояние засыпания, при этом регистрировалась ЭЭГ, ЭМГ и КГР, как описано выше. В момент засыпания сила давления брюшного пресса испытуемого на датчик 1 составила 750 граммов. Данный уровень был принят за пороговое значение тонуса мышц брюшного пресса, констатирующего нижний уровень бодрствования.

2. Тот же испытуемый в состоянии бодрствования выполнял упражнения на компьютерном автосимуляторе. При этом сила давления брюшного пресса на датчик 1 составила:

при вдохе: 500 грамм, при выдохе: 200 грамм.

3. Испытуемый принял седативный препарат. Через некоторое время был зафиксирован рост силы давления (снижение тонуса мышц брюшного пресса).

Через 2 секунды с момента начала роста силы давления сработал блок 6 аудиовизуальной сигнализации (при силе давления на датчик при вдохе около 750 грамм, соответствующей пороговому значению тонуса мышц). Испытуемый не прореагировал на данный аудиовизуальный сигнал повышенной интенсивности.

4. Значение силы давления увеличилось до:

при вдохе: 800 граммов, при выдохе: 500 граммов

и оставалось на этом же уровне в течение 8 секунд и более. Поскольку данный промежуток времени превысил пороговое значение 2-4 секунды, было зафиксировано снижение уровня бодрствования.

Использование предлагаемой группы изобретений позволяет расширить функциональные возможности способа и системы контроля уровня бодрствования человека за счет повышения точности определения функционального состояния человека.

1. Способ контроля уровня бодрствования человека, заключающийся в том, что регистрируют тонус мышц брюшного пресса человека, фиксируют момент изменения мышечного тонуса брюшного пресса ниже заданного первоначально порогового значения тонуса, констатирующего нижний уровень бодрствования человека, измеряют промежуток времени, в течение которого тонус мышц брюшного пресса имеет значение ниже указанного порогового значения, и при превышении измеренным значением промежутка времени заданного порогового значения промежутка времени констатируют снижение уровня бодрствования человека.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию тонуса мышц брюшного пресса человека осуществляют путем измерения силы давления стенки брюшного пресса на пояс, расположенный на талии человека.

3. Система контроля уровня бодрствования человека, содержащая датчик регистрации силы давления стенки брюшного пресса человека на внутреннюю поверхность надетого на человека кругового поясного ремня, соединенный первым выходом со входом блока аудиотактильной сигнализации, а вторым выходом - со входом передатчика информационного сигнала, который соединен по каналу радиосвязи с приемником информационного сигнала, подключенным выходом к первому входу блока обработки информационного сигнала, второй вход которого соединен с выходом блока ввода команд управления, а выход связан с первым входом блока управления подачей предупредительных сигналов, который вторым входом подключен к выходу блока аудиовизуальной сигнализации, выводы блока управления подачей предупредительных сигналов соединены по радиоканалу связи через устройство для приема и передачи текущей информации с выводами монитора диспетчера для отображения текущего функционального состояния человека.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена блоком управления тормозным узлом исполнительного механизма, информационный вход которого является информационным выходом блока управления подачей предупредительных сигналов.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что блок управления тормозным узлом исполнительного механизма выполнен с возможностью воспроизведения аварийной сигнализации.

6. Система по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена приемником GPS или приемником ГЛОНАС-информации, информационный выход которого является информационным входом устройства для приема и передачи текущей информации.