RU2073487C1 - Устройство для контроля уровня бодроствования человека-оператора - Google Patents

Abstract

Устройство для контроля уровня бодрствования человека- оператора относится к медицинской технике, в частности к средствам контроля человека в системе "человек-машина", где предъявляются повышенные требования к надежности человеческого звена, например, энерговооруженные, потенциально опасные системы - пункты управления полетами, атомные электростанции, системы вооружения и т.д. Технический результат изобретения состоит в расширении области использования устройства для контроля уровня бодрствования человека - оператора за счет возможностей контроля функционального состояния последнего от дремоты до сверхвозбуждения. Устройство согласно изобретению содержит усилитель, полосовой фильтр, компаратор, пороговый элемент, блоки обработки сигналов и отслеживания, дифференциатор, интеграторы и тактовый генератор. Дополнительно устройство может содеpжать блок отображения текущего уровня бодрствования. 2 з.п. ф-лы. 3 ил.

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам контроля состояния человека в системе "человек-машина", где предъявляются повышенные требования к надежности человеческого звена.

Известно устройство (авторское свидетельство СССР N 562268, кл. А 61 В 5/05, 1977), содержащее электроды, усилитель, элемент сравнения, дискриминатор знака, управляемый источник опорного напряжения, пороговый элемент, ключ, тест-блок и блок сигнализации. Устройство детерминирует снижение уровня бодрствования по относительному увеличению электрического сопротивления кожи (ЭСК).

Известно также устройство (авторское свидетельство СССР N 1567427, кл. В 60 Т 7/12, 1990, прототип), содержащее выходные выводы датчика ЭСК, подключенные к усилителю, блок отслеживания, подключенный к выходу и одному из входов усилителя, последовательно соединенные полосовой фильтр, компаратор, интегрирующий элемент, пороговый элемент и блок временной и логической обработки сигнала ЭСК. Устройство определяет уровень бодрствования по увеличению межимпульсного интервала физической составляющей ЭСК.

Недостатком известных устройств является невозможность детерминировать снижение работоспособности человека-оператора за счет сверхвозбуждения (стресса), что ограничивает область применения этих устройств системами человек-машина с монотонной деятельностью оператора.

Известные устройства или не могут быть применены, или недостаточно эффективны в системах, к операторам управления которых предъявляются требования не только высокой степени готовности к экстренным действиям (высокая бдительность), но и способность принимать решения и выполнять алгоритм управления в стрессовых ситуациях нештатных ситуациях (высокая стрессоустойчивость). К таким системам относятся энерговооруженные потенциальноопасные системы, например, пункты управления полетами, атомные электростанции, системы вооружения, суда.

Задачей изобретения является расширение области использования устройства путем обеспечения контроля функционального состояния оператора по всей шкале уровней бодрствования от дремоты до сверхвозбуждения (стресса).

Данное устройство, как и прототип, содержит последовательно соединенные датчик электрического сопротивления кожи, усилитель, полосовой фильтр, компаратор, интегратор, пороговый элемент и блок обработки сигналов, а также блок отслеживания, подсоединенный к первому выходу датчика электрического сопротивления кожи и к выходу усилителя, причем полосовой фильтр, компаратор, интегратор, пороговый элемент и второй выход датчика электрического сопротивления кожи одновременно соединены между собой. В отличие от прототипа устройство дополнительно содержит последовательно соединенные дифференциатор, выпрямитель и второй интегратор с подключенным к нему тактовым генератором, причем вход дифференциатора подсоединен к выходу полосового фильтра, а выход второго интегратора подсоединен к блоку обработки сигналов, а дифференциатор, выпрямитель, второй интегратор, тактовый генератор и второй выход датчика электрического сопротивления кожи одновременно соединены между собой.

Устройство может также иметь подсоединенный к выходу блока обработки сигналов блок отображения, позволяющий наблюдать за показателем уровня бодрствования оператора.

Ниже приводится описание примера исполнения заявляемого устройства.

На чертежах изображены: фиг. 1 структурная схема устройства; фиг. 2 - структурная схема блока обработки сигналов; фиг. 3 диаграммы сигналов устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 электрического сопротивления кожи (ЭСК), усилитель 2, полосовой фильтр 3, компаратор 4, первый интегратор 5, пороговый элемент 6 и блок 7 обработки сигналов, а также блок 8 отслеживания, подсоединенный к первому выходу датчика 1 ЭСК и к выходу усилителя 2, последовательно соединенные дифференциатор 9, однополупериодный выпрямитель 10 и второй интегратор 11, к которому подключен тактовый генератор 12, при этом дифференциатор 9 подключен к выходу полосового фильтра 3, а интегратор 11 ко второму входу блока 7 обработки сигналов. Второй выход датчика 1 ЭСК, полосовой фильтр 3, компаратор 4, первый интегратор 5, пороговый элемент 6, дифференциатор 9, выпрямитель 10, второй интегратор 11 и тактовый генератор 12 имеют соединение на корпус устройства.

Усилитель 2 служит для согласования цепи датчика 1 ЭСК с остальными цепями схемы. Обладает высоким входным сопротивлением. Может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя по схеме неинвертирующего повторителя.

Полосовой фильтр 3 очищает сигнал фазической составляющей ЭСК от шумов и помех, имеет полосу пропускания 0,05-1 Гц и коэффициент передачи в полосе пропускания около 10. Выполнен на микросхеме операционного усилителя.

Компаратор 4 служит для амплитудной селекции импульсов фазической составляющей ЭСК. Если амплитуда импульса ЭСК, поступающего на первый вход компаратора, превышает значения эталонного напряжения положительной полярности, присутствующее на втором его входе, на выходе компаратора появляется импульс отрицательной полярности, длительность которого равна времени превышения импульсом фазической составляющей ЭСК значения эталонного напряжения. Компаратор 4 может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя.

Первый интегратор 5 и пороговый элемент 6 служат для временной селекции импульсов фазической составляющей ЭСК. Если длительность импульса фазической составляющей ЭСК, выданного компаратором 4, менее 0,5 с, напряжение на конденсаторе 13 не успевает уменьшиться до значения порогового напряжения порогового элемента 6 и импульс на его выходе отсутствует. Пороговый элемент 6 выполнен на микросхеме операционного усилителя.

Блок 7 обработки сигналов ЭСК служит для временной, амплитудной и логической обработки сигналов, поступающих с выходов порогового элемента 6 и второго интегратора 11.

Возможный вариант блока 7 обработки сигналов ЭСК приведен на фиг. 2.

Блок 7 обработки сигналов содержит преобразователь 13 время/напряжение (элементы 1 4, 15, 16), четыре компаратора 17, 18, 19 и 20, три элемента ИЛИ-НЕ 21, 22, 23, генератор импульсов 24 и громкоговоритель 25. Компараторы выполнены на микросхемах операционных усилителей. Генератор 24 вырабатывает импульсы частотой 1 кГц, собран на микросхеме К561ЛЕ5. В качестве громкоговорителя 25 использован малогабаритный телефон ТМ2.

Блок 7 обработки сигналов работает следующим образом. Через первый вход блока на базу транзистора 15 поступают импульсы с выхода порогового элемента 6, которые соответствуют возникновению значимого импульса фазической составляющей ЭСК. Этим импульсом открывается транзистор 15 и осуществляется разряд конденсатора 16. Если время между двумя соседними импульсами превосходит 60 сек, напряжение на конденсаторе 16 превысит опорное напряжение U_оп1 первого компаратора 17 и выходные импульсы генератора 24 поступают через второй элемент ИЛИ-НЕ 22 на громкоговоритель 25. Если через четыре секунды после срабатывания первого компаратора 17 не возникает импульс фазической составляющей ЭСК, напряжение на конденсаторе 16 превысит опорное напряжение U_оп2 второго компаратора 18 и на выходе блока 7 обработки сигнала (выходе третьего элемента ИЛИ-НЕ 23) уровень напряжения изменится с высокого на низкий, что будет свидетельствовать об отказе оператора в результате потери бдительности.

На объединенные входы третьего и четвертого компараторов 19 и 20 через второй вход блока поступает напряжение с выхода второго интегратора 11. Если напряжение на входе третьего компаратора 19 превышает опорное напряжение U_оп3, срабатывает третий компаратор 19 и разрешается прохождение импульсов с генератора 24 на громкоговоритель 25. Оператор слышит предупреждающий сигнал. При дальнейшем увеличении напряжения на выходе второго интегратора 11 сверх значения опорного напряжения U_оп4 срабатывает четвертый компаратор 20 и на выходе третьего элемента ИЛИ-НЕ 23 уровень напряжения меняется с высокого на низкий, что будет свидетельствовать об отказе оператора в результате сверхвозбуждения (стресса).

Блок отслеживания 8 совместно с усилителем 2 образует замкнутую систему автоматического регулирования с частотно-зависимой обратной связью и служит для поддержания неизменного значения постоянной составляющей напряжения на датчике 1 при изменении электрического сопротивления кожи. Блок отслеживания 8 (фиг. 1) состоит из элемента сравнения 26, фильтра нижних частот 27 и источника тока 28, управляемого напряжением.

При изменении ЭСК изменяется напряжение на датчике 1, что вызывает появление сигнала разбаланса, поступающего с выхода элемента сравнения 26 на вход источника тока 28, и изменяющего его выходной ток таким образом, что напряжение на датчике 1 возвращается к исходному значению. Отслеживание напряжения на датчике 1 при изменении ЭСК происходит с запаздыванием, определяемым фильтром нижних частот 27, что обеспечивает прохождение на выход усилителя 2 переменной составляющей сигнала с датчика 1, которая и является информативной в предлагаемом устройстве.

Поддержание с помощью блока отслеживания 8 неизменного значения постоянной составляющей напряжения на датчике 1 при изменении ЭСК позволяет нормировать амплитуду физической составляющей ЭСК (переменной составляющей напряжения на датчике 1) относительно значения тонической составляющей ЭСК (постоянной составляющей напряжения на датчике 1), что необходимо для нивелирования индивидуальных различий ЭСК.

Дифференциатор 9 служит для преобразования амплитуды колебаний фазической составляющей ЭСК на его входе в площадь импульсов на его выходе. Дифференциатор 9 собран с применением микросхемы операционного усилителя.

Однополупериодный выпрямитель 10 пропускает на вход второго интегратора 11 только отрицательные полуволны сигнала с выхода дифференциатора 9, которые соответствуют падению ЭСК.

Второй интегратор 11 суммирует площади полуволн сигнала с выхода дифференциатора 9 за время, определяемое периодом следования импульсов на выходе тактового генератора 12. Интегратор 11 собран с применением микросхемы операционного усилителя. Сброс интегратора 11 осуществляется полевым транзистором, открываемым импульсом, поступающим с тактового генератора 12.

Тактовый генератор 12 генерирует короткие импульсы с периодом, например, 1 мин и собран на микросхеме К176ИЕ12.

Устройство содержит расположенный в поле зрения оператора блок отображения 31 текущего уровня бодрствования, обеспечивающий оператору возможность самоуправления своим состоянием.

Устройство для контроля уровня бодрствования человека-оператора работает следующим образом.

После одевания человеком-оператором датчиков ЭСК включается питание. Независимо от индивидуального уровня ЭСК через некоторое время на выходе усилителя 2 установится напряжение, равное опорному на втором входе элемента 26 сравнения блока 8 отслеживания, благодаря действию системы автоматического регулирования, образованной усилителем 2 и блоком 8 отслеживания. В дальнейшем любые изменения ЭСК в полосе частот фильтра 27 блока 8 отслеживания будут отслеживаться, т.е. напряжение на выходе усилителя 2 будет сохраняться неизменным. Быстрые изменения ЭСК, так называемая фазическая составляющая, которая и является информативной, не отслеживается блоком 8 отслеживания, благодаря наличию в нем фильтра 27. Таким образом, на фоне постоянного уровня напряжения (отрицательного) на выходе усилителя 2 будут присутствовать быстрые колебания (фазическая составляющая), поступающие через полосовой фильтр 3 на первый вход компаратора 4. Напряжение на выходе последнего в отсутствие входного сигнала положительное. Конденсатор 13 первого интегратора 5 заряжен через диод 29 этой цепи. Выходное напряжение порогового элемента 6 отрицательное и, следовательно, его опорное напpяжение тока отрицательное. Если импульс фазической составляющей ЭСК, поступающий на первый вход компаратора 4, превысит порог срабатывания, его выходное напряжение скачком изменит знак (станет отрицательным) и начнется перезаряд конденсатора 13 через резистор 30 первого интегратора 5. Когда отрицательное напряжение на конденсаторе 13 достигнет уровня опорного сигнала порогового элемента 6, последний срабатывает, и в блоке 7 обработки сигналов будет зафиксирован значащий импульс фазической составляющей.

При развитии дремотного состояния фазическая составляющая затухает, т.е. уменьшается амплитуда колебаний и увеличивается время между колебаниями. Если время между импульсами, поступающими в блок 7 обработки сигналов, достигнет критического значения, блок 7 вырабатывает звуковой сигнал, в ответ на который оператор должен активизироваться, т.е. в блок 7 обработки сигналов должен поступить хотя бы один значимый импульс фазической составляющей. При этом звуковой сигнал прекращается. Если в течение определенного времени (4 с) после включения звукового сигнала в блок 7 обработки сигналов не поступает значимый импульс фазической составляющей, блок 7 детерминирует потерю бдительности и вырабатывает соответствующий сигнал на пульт контроля (в устройство не входит) или в контур управления, отвечающий за перераспределение функций между человеком и машинным звеном системы человек-машина.

Алгоритм детерминирования сверхвозбуждения (стресса) оператора основан на измерении суммы амплитуд колебаний фазической составляющей ЭСК за промежуток времени (1 мин). Этот алгоритм реализован следующим образом. С выхода усилителя 2 через фильтр 3 колебания фазической составляющей ЭСК поступают на вход дифференциатора 9. Площадь колебания на выходе дифференциатора пропорциональна амплитуде соответствующего колебания фазической составляющей ЭСК на его входе. Информативными являются колебания, соответствующие уменьшению ЭСК положительные на входе дифференциатора 9 и отрицательные на его выходе. Отрицательные полуволны колебаний на выходе дифференциатора 9 выделяются однополупериодным выпрямителем 10. Площади колебаний отрицательной полярности суммируются вторым интегратора 11 за время, равное периоду следования импульсов генератора 12. Таким образом, на выходе второго интегратора 11 присутствует напряжение положительной полярности, пропорциональное сумме амплитуд фазических реакций за время, прошедшее с момента прихода с генератора 12 последнего импульса сброса. Эпюры напряжений на входе (U₁) и выходе (U₂) дифференциатора 9, выпрямителя 10 (U₃) и второго интегратора 11 (U₄) приведены на фиг. 3.

При развитии эмоционального напряжения возрастает частота следования и амплитуда колебаний фазической составляющей ЭСК. Если напряжение, пропорциональное сумме амплитуд фазических реакций, поступающее на второй вход блока 7 обработки сигналов, превысит установленный порог, блок 7 обработки сигналов вырабатывает звуковой сигнал, услышав который, оператор должен расслабиться и волевым усилием подавить реакции ЭСК (желательно, чтобы предварительно оператор был обучен методике самоуправления, например, аутотренингу, ключу Алиева или какой-либо из методик повышения стрессоустойчивости). Если оператору не удалось овладеть своими эмоциями, напряжение на втором входе блока 7 обработки сигналов достигает критического значения, блок 7 детерминирует состояние сверхвозбуждения (стресса) и подает соответствующий сигнал на пульт контроля либо в контур управления, отвечающий за перераспределение функций между человеческим и машинным звеньями системы человек-машина.

Получив сигнал с блока 7 обработки сигналов, свидетельствующий о значительном снижении или потере бдительности (сне, потере сознания, смерти) либо в результате перевозбуждения (стресса), главный оператор (либо устройство управления) в зависимости от оперативной обстановки и имеющихся резервов принимает решение о замене оператора или о перераспределении функций между человеческим и машинным звеньями системы человек-машина.

Claims (3)

1. Устройство для контроля уровня бодрствования человека-оператора, содержащее датчик электрического сопротивления кожи, первый и второй выходы которого подключены к соответствующим входам усилителя, выход которого через блок отслеживания соединен с первым входом усилителя, а через полосовой фильтр, компаратор, первый интегратор и пороговый элемент подключен к первому входу блока обработки сигналов, выход которого является выходной шиной, а второй вход компаратора шиной эталонного напряжения положительной полярности, отличающееся тем, что в него введены тактовый генератор и соединенные последовательно дифференциатор, выпрямитель и второй интегратор, выход которого подключен к второму входу блока обработки сигналов, вход дифференциатора соединен с выходом полосового фильтра, а выход тактового генератора соединен с входом сброса второго интегратора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок обработки сигналов выполнен на четырех компараторах, трех элементах ИЛИ-НЕ, генераторе импульсов, громкоговорителе и преобразователе время напряжение, вход которого является первым входом блока, а выход соединен с первыми входами первого и второго компараторов, выход первого из которых подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход к входу громкоговорителя, выход второго компаратора соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого является выходом блока, первый вход третьего компаратора объединен с первым входом четвертого компаратора и является вторым входом блока, выходы третьего и четвертого компараторов подключены к вторым входам соответственно первого и третьего элементов ИЛИ-НЕ, при этом второй вход каждого компаратора является шиной соответствующего опорного напряжения.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок отображения текущего уровня бодрствования, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов.

Images