Устройство для поддержания активной работоспособности человека

Устройство для поддержания активной работоспособности человека

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицинской техники, а конкретно к аппаратам, предназначенным для создания на участке тела человека, конкретно на коже лба, различного типа программно управляемых тепловых воздействий, таких как, изотермических, термоцикличных, термоконтрастных, реверсивных и т.д. с целью достижения определенного терапевтического эффекта, конкретно поддержания уровня бодрствования человека.

Известно устройство, обеспечивающее поддержание уровня бодрствования человека-оператора, содержащее две группы охлаждающих термомодулей, размещаемых симметрично на двух участках кожи лба, источник постоянного тока, коммутатор, обеспечивающий временной алгоритм подключения каждой группы к источнику постоянного тока, состоящий в том, что устройство реализует прерывистое циклическое охлаждение участков кожи лба на 5-15°C и переход от первого режима охлаждения ко второму в течение 3-5 мин.

При этом устройство обеспечивает разность температур ΔΤ между 1-м и 2-м участками в 1-м режиме цикла, длительность которого 7-13 мин, ΔT=-(4÷8)°C, а во 2-м режиме цикла, длительность которого 6-10 мин, ΔТ=+(4÷8)°С (Авт. св. СССР №1572611).

Недостатком известного устройства является низкая эффективность поддержания в течение длительного времени высокого уровня психофизиологических характеристик функционального состояния человека при работе в монотонных условиях.

Этот недостаток обусловлен тем, что в известном устройстве циклы холодового воздействия имеют постоянные значения, амплитуды длительности, скважности, периодичности, реализуются на одних и тех же участках кожи лба.

В свою очередь, длительное создание постоянных очагов периодического холодового воздействия на лбу человека с неизменными амплитудно-частотными характеристиками обуславливает возникновение у человека привыкания, адаптацию к такого рода воздействию и последующее снижение его физиологической эффективности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному устройству относится устройство, содержащее исполнительный элемент в виде групп полупроводниковых термомодулей, тепловоздействующие пластины которых размещены на 1 участке тела человека, датчики температуры, установленные на тепловоздействующих пластинах, источник постоянного тока, коммутатор, блок программного управления (Патент RU №2479289).

Недостаток известного устройства, принятого за прототип, состоит в низкой психофизиологической эффективности при использовании его в качестве устройства для длительного поддержания активной работоспособности человека-оператора.

Этот недостаток обусловлен следующими причинами.

В известном устройстве все группы термомодулей, будучи параллельно подключенными к одному источнику постоянного тока, реализуют при работе одинаковые тепловые режимы, что существенно ухудшает эффективность реадаптации.

В известном устройстве невозможно реализовывать термоконтрастные тепловые воздействия, т.е. когда на соседних зонах осуществляются одновременно режимы теплового воздействия противоположных направлений, что снижает эффективность мобилизации терморецепторов и соответственно снятия состояния монотонии.

В известном устройстве исключена какая-либо возможность создавать на участке тела переменное температурное поле с различными очагами теплового воздействия, меняющемуся по такому временному алгоритму, при котором сокращается время реадаптации и увеличивается продолжительность состояния активной работоспособности.

Технический результат изобретения - удлинение продолжительности состояния активной работоспособности преимущественно у человека-оператора посредством предварительного задания и последующей реализации сочетанного теплового воздействия, включающего в себя этапы охлаждения и этапы термоцикличного, термоконтрастного, реверсивного теплового воздействия, обеспечивающих постоянное поддержание на высоком уровне количества мобилизованных терморецепторов на участке лба, подвергающегося холодовому воздействию, устранение адаптации и, как следствие, поддержание физиологической эффективности при охлаждении на постоянном уровне.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для поддержания активной работоспособности человека содержит исполнительный элемент в виде N групп полупроводниковых термомодулей, тепловоздействующие пластины которых размещены на коже лба человека, датчики температуры, установленные на тепловоздействующих пластинах, источники постоянного тока, число которых находится в диапазоне от 1 до N, коммутатор, блок программного управления, при этом блок программного управления выполнен в виде свободно программируемого контроллера, выходы датчиков температуры соединены с входами контроллера, коммутирующие выходы контроллера соединены с управляющими входами коммутатора с возможностью обеспечения их открытого или закрытого состояния как по обратной связи с величинами сигналов от датчиков температуры, так и при реализации от контроллера программно распределенных во времени управляющих импульсов с предварительно установленными значениями длительности, периодичности, скважности, выходы источников питания соединены с коммутирующими входами коммутатора, а коммутирующие выходы коммутатора соединены с входами групп термомодулей с возможностью обеспечения программно управляемого подключения любой комбинации входов групп термомодулей к любой комбинации выходов источников питания для реализации заданного программно управляемого по времени распределения на коже лба локальных температурных очагов при нагреве и охлаждении, реверсивных и термоцикличных тепловых воздействиях.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1.

На фиг. 1 представлена электрическая схема предложенного устройства.

В состав устройства входит N групп последовательно или параллельно соединенных между собой термомодулей 1, реализующих эффект Пельтье, источники постоянного тока 2 в количестве от 1 до N, свободно программируемый контроллер 3, коммутатор 4, датчики температуры 5.

При этом:

- датчики температуры 5 установлены на тепловоздействующих пластинах термомодулей 1 и соединены с входами 6 контроллера 3;

- коммутирующие выходы 7 контроллера 3 соединены с управляющими входами 8 коммутатора 4;

- выходы 9 источников постоянного тока 2 соединены с коммутирующими входами 10 коммутатора 4;

- коммутирующие выходы 11 коммутатора 4 соединены с входами 12 групп термомодулей 1.

В качестве примера конкретной реализации элементов предложенного устройства функцию контроллера 3 для применения в предложенном устройстве могут выполнить, например, свободно программируемые контроллеры, выпускаемые фирмой ОВЕН, такие как, ПЛК63, ПЛК73, ПЛК100 и др.

Функцию коммутатора 4 может выполнить группа реле, одни из которых по сигналам, поступающим от контроллера 3, в соответствии с предварительно установленным временным алгоритмом обеспечивают либо реверсирование полярности напряжения, подаваемого от источников постоянного тока 2 на входы групп термомодулей 1 и реализацию, тем самым, локальных периодически сменяющих друг друга режимов нагрева и охлаждения, либо реализацию термоцикличных периодических воздействий.

Другая группа реле обеспечивает поддержание по обратной тепловой связи с сигналами от датчиков температуры 5 значение T_ст.min и Т_ст.max в режимах нагрева и охлаждения, а также заданные амплитудные значения температур при работе в термоцикличных и реверсивных тепловых режимах.

Третья группа реле обеспечивает возможность программно управляемого по времени распределения на коже лба очагов локального термостатирования при нагреве и охлаждении, реверсивных и термоцикличных тепловых воздействиях.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Предварительно проводят в клинических учреждениях, аттестованных для проведения испытаний на человеке, психофизиологические испытания разработанного устройства на предмет выявления оптимального алгоритма тепловых воздействий, при котором достигается удлинение периода активной работоспособности человека.

Объективным критериальным параметром, определяющим необходимость проведения локальных термоцикличных или реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека с целью обеспечения уровня бодрствования, повышения длительности активной работоспособности человека и снятия состояния монотонии, является число холодовых и тепловых рецепторов на участке тела, подвергаемом тепловому воздействию, например умеренному охлаждению, нормотермированию.

Определение числа терморецепторов, в частности, производится посредством прибора "Термоэстезиометр", разработанного в ЗАО "Удел" (Патент RU №2479249).

Как показали проведенные клинические испытания, адаптация к холодовому воздействию, обуславливающая и снижение уровня работоспособности, количественно определяется снижением числа мобилизованных терморецепторов.

На первой стадии клинических испытаний до проведения умеренного холодового воздействия (нормотермирования) на участок тела человека, конкретно на лобную часть головы, определяют термоэстезиометрическим способом начальное количество холодовых и тепловых рецепторов на участке, подвергаемом нормотермирующему воздействию.

Через несколько минут после начала нормотермирующего воздействия снимают исполнительный элемент и вновь определяют количество терморецепторов на этом участке. При этом наблюдается тенденция к уменьшению числа мобилизованных терморецепторов, что является количественной характеристикой проявления адаптации.

Уменьшение числа терморецепторов до некоторого порогового значения свидетельствует о полном снижении психофизиологической эффективности нормотермирующего воздействия.

Таким образом, на 1-м этапе клинических испытаний определяется длительность нормотермирующего воздействия, когда уменьшается психофизиологическая эффективность, снижается активная работоспособность, что качественно называется адаптацией, а количественно определяется уменьшением числа мобилизованных терморецепторов до некоторого порогового значения.

Для снятия состояния адаптации, т.е. для повышения числа терморецепторов до первоначального уровня, переводят предложенное устройство в режим генерации либо холодовых импульсов с более низкой температурой (термоцикличные воздействия), либо периодических реверсивных тепловых воздействий. Эффективность этих воздействий повышается, когда они носят термоконтрастный характер, т.е. когда тепловые очаги на соседних участках совершаются либо в противофазах, либо по совершенно разным алгоритмам.

По результатам предварительно проведенных психофизиологических испытаний определяется:

1. Длительности как 1-го этапа нормотермирующего воздействия, так и последующих этапов, в конце которых наступает эффект адаптации;

2. Параметры пространственно-временного алгоритма термоконтрастных термоцикличных и реверсивных тепловых воздействий, при реализации которых достигается восстановление до нормы числа мобилизованных терморецепторов и снимается состояние адаптации.

Само по себе сочетанный характер теплового воздействия, включающего в себя изотермическое нормотермирование лобной части головы человека и циклические, тем более термоконтрастные воздействия, обладает значительным взбадривающим эффектом.

Выявленная на предварительных психофизиологических испытаниях совокупность оптимальных температурно-временных параметров сочетанного теплового воздействия вводится в программное обеспечение контроллера.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Фиксируют на лобной чафти головы человека исполнительный элемент в виде N групп термомодулей 1. Устанавливают датчики температуры 5 на тепловоздействующих пластинах термомодулей 1 и соединяют их выходы с входами 6 контроллера 3.

Соединяют коммутирующие выходы 7 контроллера 3 с управляющими входами 8 коммутатора 4.

Соединяют выходы 9 источников постоянного тока 2, число которых может быть от 1 до N, с коммутирующими входами 10 коммутатора 4.

Соединяют входы 12 групп термомодулей 1 с коммутирующими выходами 11 коммутатора 4.

Устанавливают в контроллере 3 программное обеспечение, которое реализует предварительно выявленный в процессе психофизиологических испытаний временной алгоритм срабатывания коммутирующих выходов 11 коммутатора 4.

Подключают устройство к сети электропитания.

На участках лба человека, контактирующих с тепловоздействующими пластинами термомодулей 1, в соответствии с установленным в контроллере 3 программным обеспечением начинает реализовываться предварительно заданная временная программа тепловых воздействий, причем различных на разных участках лба, которая может включать в себя:

- этапы дозированного изотермичного холодового или теплового воздействия с предварительно устанавливаемыми длительностями и температурами, меняющимися от цикла к циклу;

- этапы реверсивных тепловых воздействий с различными температурными амплитудами, длительностями, частотами;

- этапы термоцикличных тепловых воздействий с различными температурами, скважностями, частотами и т.д.

При этом значения параметров, определяющих критериальные характеристики сочетанных тепловых воздействий, могут меняться по закону случайных чисел, тем самым исключая возможность привыкания человека к какой-либо периодичности воздействий, в свою очередь, обуславливающей возникновение состояния монотонии.

В итоге, в течение всего времени применения устройства не возникает адаптация и обеспечивается длительное поддержание уровня бодрствования.

Предложенное техническое решение реализовано в макетном образце устройства, исполнительный элемент которого состоит из шести термомодулей, объединенных в 3 пары групп.

В качестве контроллера применен свободно программируемый контроллер ОВЕН ПЛК63.

Коммутатор включает в себя 11 реле, 2 из которых обеспечивают изменение полярности постоянного напряжения, подаваемого на входы термомодулей, и соответственно реверсирование направления теплового воздействия, а одно реле используется для позиционного регулирования температуры по обратной тепловой связи с сигналами от датчика температуры. 9 реле обеспечивают различные комбинации подключения групп термомодулей к источнику постоянного тока. Обеспечиваются следующие варианты очагов теплового воздействия, при которых одновременно функционируют:

- все 3 группы термомодулей;

- только 1-я группа;

- только 2-я группа;

- только 3-я группа;

- 1-я и 2-я группы;

- 2-я и 3-я группы;

- 1-я и 3-я группы.

При этом обеспечивается возможность реализации при любом варианте подключения термомодулей к источнику питания:

- независимая работа термомодулей во всех запрограммированных тепловых режимах;

- автоматический переход по предварительно программно выставленному алгоритму с одного режима теплового воздействия на другой;

- поддержание по обратной тепловой связи с сигналами от датчиков температуры значений T_ст.min и Т_ст.max в режимах нагрева и охлаждения и заданных амплитудных значений температур при работе в термоцикличных и реверсивных режимах;

- корректирование всей совокупности программно задаваемых значений температурно-временных величин, определяющих конкретные параметры реализуемых тепловых процессов.

Предложенное устройство обеспечивает повышение длительности состояния активной работоспособности человека путем наложения на нормотермируемые участки кожи лба перемещающихся по расположению с периодичностью, меняющейся по закону случайных чисел, очагов термоцикличного, реверсивного или термоконтрастного воздействия, что позволяет удлинить периоды высокой тонической эффективности терморецепторов и сводит к минимуму время реадаптации.

Устройство для обеспечения уровня бодрствования человека, содержащее исполнительный элемент в виде N групп полупроводниковых термомодулей, тепловоздействующие пластины которых размещены на коже лба человека, датчики температуры, установленные на тепловоздействующих пластинах, источники постоянного тока, число которых находится в диапазоне от 1 до N, коммутатор, блок программного управления, отличающееся тем, что блок программного управления выполнен в виде свободно программируемого контроллера, выходы датчиков температуры соединены с входами контроллера, коммутирующие выходы контроллера соединены с управляющими входами коммутатора с возможностью обеспечения их открытого или закрытого состояния как по обратной связи с величинами сигналов от датчиков температуры, так и при реализации от контроллера программно распределенных во времени управляющих импульсов с предварительно установленными значениями длительности, периодичности, скважности; выходы источников питания соединены с коммутирующими входами коммутатора, а коммутирующие выходы коммутатора соединены с входами групп термомодулей с возможностью обеспечения программно управляемого подключения любой комбинации входов групп термомодулей к любой комбинации выходов источников питания для реализации заданного программно управляемого по времени распределения на коже лба локальных температурных очагов при нагреве и охлаждении, реверсивных и термоцикличных тепловых воздействиях.