RU2500375C1

RU2500375C1 - Device for automatic correction of individual sight alignment in visual motion control in microgravitation environment

Info

Publication number: RU2500375C1
Application number: RU2012123665/14A
Authority: RU
Inventors: Виктор Антонович Садовничий; Владимир Васильевич Александров; Инеса Бенедиктовна Козловская; Анатолий Иванович Григорьев; Дмитрий Игоревич Бугров; Степан Степанович Лемак; Людмила Николаевна Корнилова; Тамара Борисовна Александрова; Рустем Рамилевич Каспранский; Антон Викторович Лебедев; Леонид Иосифович Воронин; дель Росарио Вега и Саеуз де Миера Мария; Сергей Николаевич Рязанский; Галина Юрьевна Сидоренко; Сото Эгибар Энрике; Катерина Владимировна Тихонова; Елена Сергеевна Томиловская; Алексей Алексеевич Шипов; Нейля Энверовна Шуленина; Виктор Борисович Пахомов
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-10

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medical equipment. A device comprises an independent supply unit, a control signal processing and formation unit equipped with a computer interface and connected to orientation sensors and an electrode assembly. The electrode assembly consists of two groups of electrodes each of which comprises at least one electrode and placed on one of helmet headphones to contact close individual's head skin within papillary tubercles behind the ears. The orientation sensors comprise a micro-accelerometer provided in a frontal portion of the helmet, and an angular velocity sensor at the top of the helmet. The control signal processing and formation unit is provided on a back portion of the helmet; it has a mode switcher, connected by two parallel communication lines to the electrode assembly and designed for correction signal generation onto the electrodes in the form of double-mode bi-phase pulses, including the mode of data gravitation simulation, and the mode of signals describing the head angular motion accompanying proprioceptive-oculocephalic reflex.

EFFECT: using the invention enables minimising the individual sight delay in the micro-gravitation environment and extreme visual motion control on the ground that is the automatic sight stabilisation correction.

1 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для исследования вестибулярной системы и ее роли в развитии болезни движения и нарушении ориентации в условиях измененной динамической и визуальной среды. Устройство может быть использовано для улучшения визуального управления движением на орбите, а также в системах виртуальной реальности для тренировок кандидатов в космонавты.The invention relates to medical equipment, namely, devices for studying the vestibular system and its role in the development of motion sickness and disorientation in an altered dynamic and visual environment. The device can be used to improve visual control of motion in orbit, as well as in virtual reality systems for training candidates for astronauts.

Система персональной навигации человека, включающая зрительный, вестибулярный, слуховой анализаторы, а также тактильные механорецепторы и проприоцепторы, позволяет человеку сохранять в условиях земной силы тяжести точность зрительного восприятия, вертикальную позу и ориентацию в пространстве. В условиях измененного гравитационного поля (в движущихся системах - воздушных, морских и космических кораблях) взаимодействие анализаторов системы персональной навигации может изменяться и приводить к нарушению ряда функций.The system of personal navigation of a person, including visual, vestibular, auditory analyzers, as well as tactile mechanoreceptors and proprioceptors, allows a person to maintain the accuracy of visual perception, vertical position and orientation in space under the conditions of gravity. Under the conditions of a changed gravitational field (in moving systems - air, sea and space ships), the interaction of analyzers of the personal navigation system can change and lead to a violation of a number of functions.

Условия космического полета приводят к изменению вестибулярной функции. В невесомости отсутствуют реакции компенсаторного противовращения глаз, рефлексы положения и установки тела, в течение длительного времени подавляется афферентация с отолитового аппарата, повышается реактивность полукружных каналов, меняется взаимодействие вестибулярного аппарата с глазодвигательным (Gualterotti Т. et al, 1970 [12]; Dai М. et al., 1994 [13]; Kornilova L.N. et al., 1983 [14], 1987 [15], 1997 [16]; Козловская И.Б. и соавт., 1981 [17], 1986 [18], 1994 [19]; Kozlovskaya I.B. et al., 1985 [20, 21, 22], Корнилова Л.Н. и соавт., 1982 [23], 2002 [24]). В частности, одним из главных препятствий для реализации высокоточного визуального управления движением в условиях микрогравитации на орбитальных станциях («Мир», МКС и др.) является наличие запаздывания при установке взора в два и более раз по сравнению с земными условиями (Корнилова Л.Н. и соавт., 2002 [24]; Томиловская Е.С., Козловская И.Б., 2010 [19]; Tomilovskaya E.S. et al., 2011 [18]).Space flight conditions lead to a change in vestibular function. In zero gravity, there are no reactions of compensatory eye rotation, reflexes of the position and position of the body, afferention from the otolith apparatus is suppressed for a long time, the semicircular canal reactivity is increased, the interaction of the vestibular apparatus with the oculomotor system changes (Gualterotti T. et al, 1970 [12]; Dai M. et al., 1994 [13]; Kornilova LN et al., 1983 [14], 1987 [15], 1997 [16]; Kozlovskaya IB, et al., 1981 [17], 1986 [18], 1994 [19]; Kozlovskaya IB et al., 1985 [20, 21, 22], L. Kornilova et al., 1982 [23], 2002 [24]). In particular, one of the main obstacles to the implementation of high-precision visual motion control in microgravity conditions at orbital stations (Mir, ISS, etc.) is the delay in installing the gaze two or more times in comparison with terrestrial conditions (Kornilova L.N. . et al., 2002 [24]; Tomilovskaya ES, Kozlovskaya IB, 2010 [19]; Tomilovskaya ES et al., 2011 [18]).

Известны многочисленные попытки коррекции вестибуло-сенсорных, вестибуло-глазодвигательных и вестибуло-постуральных нарушений с помощью вестибулярной гальванической и стохастической электрической стимуляции (Halvacka F. et al., 1985 [10]; Fitzpatrick R. et al., 1999 [4], 2004 [5]; Baiter S. et al., 2004 [9]; Bent L. et al., 2000 [3]; Scinicariello A. et al., 2002 [6]; Collins J. et al., 2003 [11]; McDougall H.G. et al, 2006 [9]; Moore S.T. et al., 2006 [8]; Maeda T. et al., 2005 [1], 2007; Садовничий B.A., Александров B.B., 2010 [27], 2011 [28])Numerous attempts have been made to correct vestibulo-sensory, vestibulo-oculomotor and vestibulo-postural disorders using vestibular galvanic and stochastic electrical stimulation (Halvacka F. et al., 1985 [10]; Fitzpatrick R. et al., 1999 [4], 2004 [5]; Baiter S. et al., 2004 [9]; Bent L. et al., 2000 [3]; Scinicariello A. et al., 2002 [6]; Collins J. et al., 2003 [11] ]; McDougall HG et al, 2006 [9]; Moore ST et al., 2006 [8]; Maeda T. et al., 2005 [1], 2007; Sadovnichy BA, Aleksandrov BB, 2010 [27], 2011 [ 28])

Прототипом технического устройства, которое можно было бы использовать для коррекции данного феномена, является устройство гальванической вестибулярной стимуляции (Galvanic Vestibular Stimulation GVS, разработанное группой японских исследователей корпорации Nippon Telegraph and Telephone в рамках программы "Shaking the World: Galvanic Vestibular Stimulation as A Novel Sensation Interface", http://www.siggraph.org/s2005/main.php?f=conference&p=:etech&s=etech24) [1], [7], представленное на 32-й Международной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям SIGGRAPH в 2005 году в Лос-Анджелесе. Устройство представляет собой наушники, снабженные электродами, которые прилегают к сосцевидным отросткам заушной области правой и левой стороны. К одному из электродов присоединен анод, к противоположному - катод. С блока управления на электроды подаются микротоки (мА), которые через кости черепа стимулируют рецепторы вестибулярного аппарата. В зависимости от направления тока, задаваемого джойстиком, человек ощущает движение в ту или иную сторону и для сохранения равновесия совершает движение тела в противоположную сторону.The prototype of a technical device that could be used to correct this phenomenon is a galvanic vestibular stimulation device (Galvanic Vestibular Stimulation GVS), developed by a group of Japanese researchers Nippon Telegraph and Telephone in the framework of the program "Shaking the World: Galvanic Vestibular Stimulation as A Novel Sensation Interface ", http://www.siggraph.org/s2005/main.php?f=conference&p=:etech&s=etech24) [1], [7] presented at the 32nd International Conference on Computer Graphics and Interactive Technologies SIGGRAPH in 2005 in Los Angeles. The device is a headset equipped with electrodes that are adjacent to the mastoid processes of the ear region of the right and left side. An anode is connected to one of the electrodes, and a cathode is connected to the opposite one. Microcurrents (mA) are supplied to the electrodes from the control unit, which stimulate receptors of the vestibular apparatus through the bones of the skull. Depending on the direction of the current set by the joystick, a person senses movement in one direction or another and, in order to maintain equilibrium, makes a movement of the body in the opposite direction.

Данное устройство предназначено для создания у человека ощущения воздействия сил инерции переносного движения и не предусматривает возможности устранения физиологических последствий реальных внешних воздействий (нарушения равновесия, болезни движения и др.). Тем более данное устройство не предусматривает перманентную корректировку сигналов вестибулярной системы.This device is designed to create a person’s sensation of the influence of inertia forces of a portable movement and does not provide the possibility of eliminating the physiological consequences of real external influences (imbalance, motion sickness, etc.). Moreover, this device does not provide for permanent correction of the signals of the vestibular system.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, которое обеспечило бы ответ вестибулярной системы на движения головой в условиях разного рода движущихся систем, в частности, в условиях микрогравитации на орбитальной станции, соответствующий ответу при естественных поворотах головы в земных условиях при визуальном управлении движением.The objective of the present invention is to provide a device that would provide a response of the vestibular system to head movements in conditions of various kinds of moving systems, in particular, under microgravity conditions at the orbital station, corresponding to the response during natural head turns in terrestrial conditions with visual control of movement.

Технический результат изобретения направлен на минимизацию запаздывания взора человека в условиях микрогравитации - автоматическую коррекцию стабилизации взора по показаниям микросенсоров при визуальном управлении космическим объектом.The technical result of the invention is aimed at minimizing the delay in the gaze of a person in microgravity - automatic correction of stabilization of the gaze according to the readings of microsensors during visual control of a space object.

Указанный результат достигается тем, что устройство автоматической коррекции установки взора человека при визуальном управлении движением в условиях микрогравитации содержит автономный блок питания, блок обработки и формирования сигналов управления, снабженный устройством сопряжения с компьютером и связанный электродным блоком с датчиками ориентации. Электродный блок состоит из двух групп электродов, каждая из которых размещена на одном из наушников шлема с возможностью плотного контакта с кожей головы человека в районе сосочковых бугорков за ушами. Датчики ориентации включают микроакселерометр в лобной части шлема и датчик угловой скорости на верхней части шлема. Блок обработки и формирования сигналов управления расположен на задней части шлема, снабжен переключателем режимов, связан двумя параллельными линиями связи с двумя блоками электродов и выполнен с возможностью формирования корректирующих сигналов на электроды в виде бифазных импульсов двух режимов - в режиме информационной имитации силы тяжести и в режиме сигналов, соответствующих поворотам головы при реализации вестибуло-окулярного рефлекса.This result is achieved in that the device for automatic correction of the human gaze installation during visual motion control in microgravity conditions contains an autonomous power supply unit, a processing and generation of control signals unit, equipped with a computer interface device and connected by an electrode unit with orientation sensors. The electrode block consists of two groups of electrodes, each of which is placed on one of the headphones of the helmet with the possibility of tight contact with the human scalp in the region of the papillary tubercles behind the ears. Orientation sensors include a microaccelerometer in the front of the helmet and an angular velocity sensor on the top of the helmet. The control signal processing and generation unit is located on the back of the helmet, equipped with a mode switch, connected by two parallel communication lines with two electrode blocks and configured to generate corrective signals to the electrodes in the form of biphasic pulses of two modes - in the information mode of gravity simulation and in the mode signals corresponding to head turns during the implementation of the vestibulo-ocular reflex.

Результат также достигается тем, что блок обработки и формирования сигналов управления в режиме информационной имитации силы тяжести формирует бифазные импульсы предварительно установленной частоты, а в режиме, соответствующем угловым скоростям и ускорениям поворотов головы, - формирует бифазные импульсы переменной частоты, при этом частота импульсов определяется в соответствии с сигналом с датчика угловой скорости и/или в соответствии с сигналом с микроакселерометра.The result is also achieved by the fact that the processing and generation of control signals in the mode of informational simulation of gravity generates biphasic pulses of a predetermined frequency, and in the mode corresponding to angular velocities and accelerations of head rotations, generates biphasic pulses of variable frequency, and the pulse frequency is in accordance with the signal from the angular velocity sensor and / or in accordance with the signal from the microaccelerometer.

Также результат достигается тем, что блок обработки и формирования сигналов управления выполнен в виде микроконтроллера, а устройство сопряжения с компьютером выполнено беспроводным.Also, the result is achieved by the fact that the processing unit and the generation of control signals are made in the form of a microcontroller, and the device for interfacing with a computer is made wireless.

Кроме того, датчиком угловой скорости является микровиброгироскоп, а датчиком кажущегося ускорения - акселерометр. Информация об ускорении углового рассогласования позволяет уменьшить запаздывание процесса стабилизации [29].In addition, the angular velocity sensor is a microvibroscope, and the apparent acceleration sensor is an accelerometer. Information on the acceleration of angular mismatch can reduce the delay in the stabilization process [29].

На фиг.1 представлена блок-схема устройства.Figure 1 presents a block diagram of a device.

Устройство автоматической коррекции установки взора человека при визуальном управлении движением в условиях микрогравитации представляет собой шлем, на котором размещены автономный блок питания 5 (фиг.1) (аккумуляторная батарея), блок обработки и формирования сигналов управления 3 на задней части шлема, снабженный беспроводным устройством сопряжения с компьютером (на рисунке не показано) и связанный с МЭМС датчиками 1, 2 и электродным блоком 4. Устройство сопряжения позволяет передавать на компьютер информацию о работе устройства и изменять алгоритм обработки данных в микроконтроллере.The device for automatically correcting the installation of the gaze of a person during visual motion control in microgravity is a helmet on which there is an autonomous power supply unit 5 (Fig. 1) (battery), a processing unit and generating control signals 3 on the back of the helmet, equipped with a wireless interface with a computer (not shown in the figure) and connected to MEMS sensors 1, 2 and the electrode unit 4. The interface device allows you to transfer information about the device’s operation and changes to the computer be data processing algorithm in the microcontroller.

Электродный блок состоит из двух групп электродов 4, каждая из которых размещена на одном из наушников шлема с возможностью плотного контакта с кожей головы человека в районе сосочковых бугорков за ушами.The electrode block consists of two groups of electrodes 4, each of which is placed on one of the headphones of the helmet with the possibility of tight contact with the skin of the human head in the region of the papillary tubercles behind the ears.

Датчики ориентации состоят из микроакселерометра 1 в лобной части шлема и датчика угловой скорости (ДУС) 2 на верхней части шлема, причем ДУС представляет собой микровиброгироскоп. Все датчики выполнены в виде МЭМС-элементов (элементов микроэлектромеханической системы).Orientation sensors consist of a microaccelerometer 1 in the frontal part of the helmet and an angular velocity sensor (TLS) 2 on the top of the helmet, and the TLS is a microvibroscope. All sensors are made in the form of MEMS elements (elements of a microelectromechanical system).

Блок обработки и формирования сигналов управления 3 расположен на задней части шлема, снабжен переключателем режимов, представляет собой микроконтроллер и связан двумя параллельными линиями связи с блоком электродов 4. Блок 3 формирует корректирующие сигналы на электроды 4 в виде бифазных импульсов двух режимов - в режиме информационной имитации силы тяжести и в режиме сигналов, соответствующих поворотам головы при реализации вестибуло-окулярного рефлекса. Частота импульсов при втором режиме определяется в соответствии с сигналом с ДУС при медленных (низкочастотных) поворотах головы относительно заранее установленного уровня и в соответствии с сигналом с микроакселерометра при быстрых (высокочастотных) поворотах головы относительно заранее установленного уровня. Выходной сигнал формируется как линейная комбинация этих сигналов на фоне «окрашенного» белого шума. В случае использования устройства в экстремальных условиях визуального управления движением на Земле режим информационной имитации силы тяжести не используется.The processing unit and the generation of control signals 3 is located on the back of the helmet, is equipped with a mode switch, is a microcontroller and is connected by two parallel communication lines to the electrode unit 4. Block 3 generates correction signals to the electrodes 4 in the form of biphasic pulses of two modes - in the information simulation mode gravity and in the mode of signals corresponding to head turns during the implementation of the vestibulo-ocular reflex. The pulse frequency in the second mode is determined in accordance with the signal from the TLS at slow (low-frequency) head rotations relative to a predetermined level and in accordance with the signal from the microaccelerometer at fast (high-frequency) head rotations relative to a predetermined level. The output signal is formed as a linear combination of these signals against a background of “colored” white noise. In the case of using the device in extreme conditions of visual motion control on Earth, the mode of informational simulation of gravity is not used.

Работа устройства заключается в подаче сигналов с помощью гальванического тока на область наружных проекций вестибулярного аппарата (в районе сосочковых бугорков за ушами) для имитации реакции вестибулярной системы, соответствующей реакции системы в естественных земных условиях. Чувствительные элементы устройства (МЭМС датчики ориентации) измеряют значения углового ускорения и угловой скорости. Эти значения передаются в микроконтроллер, который в соответствии с математической моделью вестибулярной функции, реализованной в виде ее двухканального выполнения, вычисляет текущие параметры бифазного сигнала (абсолютная величина, длительность фаз, частота и т.д.), который должна формировать электрическая схема, входящая в состав устройства и который подается на первичные нейроны вестибулярного нерва через электроды. При этом осуществляется комбинация детерминированного сигнала с «окрашенным» белым шумом.The operation of the device consists in applying signals using a galvanic current to the area of the external projections of the vestibular apparatus (in the region of the papillary tubercles behind the ears) to simulate the reaction of the vestibular system, corresponding to the reaction of the system in natural terrestrial conditions. Sensitive elements of the device (MEMS orientation sensors) measure the values of angular acceleration and angular velocity. These values are transmitted to the microcontroller, which, in accordance with the mathematical model of the vestibular function, implemented in the form of its two-channel execution, calculates the current parameters of the biphasic signal (absolute value, phase duration, frequency, etc.), which the electrical circuit included in the composition of the device and which is fed to the primary neurons of the vestibular nerve through the electrodes. In this case, a combination of a deterministic signal with “colored” white noise is performed.

Устройство является компактным и легким и реализует возможность решения задачи определения корректирующих сигналов в ускоренном режиме.The device is compact and lightweight and implements the ability to solve the problem of determining corrective signals in accelerated mode.

Claims

1. A device for automatically correcting the installation of the gaze of a person during visual motion control in microgravity conditions, comprising an autonomous power supply unit, a processing unit and generating control signals, equipped with a computer interface device and connected to orientation sensors and an electrode unit, characterized in that the electrode unit consists of two groups of electrodes, each of which includes at least one electrode and is placed on one of the headphones of the helmet with the possibility of tight contact with the scalp h man in the region of the papillary tubercles behind the ears, orientation sensors include a microaccelerometer in the frontal part of the helmet and an angular velocity sensor on the top of the helmet, a processing and signal generation unit for control located on the back of the helmet, equipped with a mode switch, connected by two parallel communication lines with the electrode block and configured to generate corrective signals to the electrodes in the form of biphasic pulses of two modes - in the mode of informational simulation of gravity and in the signal mode, corresponding x angular motion of the head in the implementation of the vestibular-ocular reflex.

2. The device according to claim 1, characterized in that the unit for processing and generating control signals in the mode of informational simulation of gravity is configured to preset the frequency.

3. The device according to claim 1, characterized in that the unit for processing and generating control signals in the mode of signals corresponding to the angular movement of the head generates biphasic pulses of variable frequency, the pulse frequency being determined in accordance with the signal from the angular velocity sensor and / or according to the signal from the microaccelerometer.

4. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the processing unit and the formation of control signals is made in the form of a microcontroller.

5. The device according to claim 1, characterized in that the device for interfacing with a computer is made wireless.

6. The device according to claim 1, characterized in that the angular velocity sensor is a microvibroscope, and the angular acceleration sensor is a microaccelerometer.

7. The device according to claim 1, characterized in that the orientation sensors are made in the form of MEMS elements.