Способ передачи информации нервной системе человека

 

Использование: изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для создания искусственного зрения, слуха, а также адаптивных протезов конечностей. Сущность: способ включает кодирование информации в тактильно воспринимаемые сигналы и обучение человека распознаванию этих сигналов, причем первичную информацию дезинтегрируют на отдельные потоки, каждый из этих потоков кодируют в виде последовательности дискретных кодов, причем коды каждого потока передают на отдельные фиксированные точки кожного покрова человека, а у последнего в процессе обучения вырабатывают способность синтезировать полученные сигналы в конечную информацию, адекватную первичной, которую кодируют электрическими сигналами с различными частотами и/или амплитудными характеристиками напряжения, и/или силы тока, механическими вибрационными сигналами с различной амплитудой и/или частотой, тепловыми сигналами, при этом изменяют продолжительность кодов и временные промежутки между ними, а степень дезинтеграции первичной информации регулируют. 5 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к способам передачи информации нервной системе человека, минуя визуальный и аудиальный каналы восприятия.

Изобретение может быть использовано в системах искусственного зрения, слуха, в системах управления различными устройствами, в том числе протезами конечностей и т.п.

Известны способы передачи информации нервной системе, минуя аудиальный и визуальный канал восприятия, основанные, например, на применении трости-щупа слепыми (см. например, журнал "Радио" N 9, 1980 г. с. 15 -16). Подобные способы несовершенны, т. к. они не дают возможность слепому с необходимой свободой ориентироваться в обстановке.

Более совершенны способы передачи информации нервной системе человека, включающие кодирование первичной информации в тактильно воспринимаемые сигналы и обучение человека распознаванию этих сигналов (см. например, авт. свид. СССР N 955920, МКИ A 61 F 9/08, 1980 г.). Указанный способ принят в качестве прототипа как наиболее близкий изобретению по сущности и совокупности признаков.

Этот способ приспособлен только для систем искусственного зрения, однако даже в этой области применения он не способен обеспечить полноценную ориентацию в пространстве, т.к. позволяет единовременно распознавать освещенность только одного фрагмента изображения.

Данное изобретение позволяет решить задачу полноценного восприятия человеком информации об отдельных объектах или окружающей среде в целом минуя аудиальный и визуальный каналы восприятия.

Это достигается тем, что в способе передачи информации нервной системе человека путем кодирования первичной информации в тактильно-воспринимаемые сигналы и обучения человека распознаванию этих сигналов, первичную информацию дезинтегрируют на отдельные потоки, каждый из этих потоков кодируют в виде последовательности дискретных кодов, причем коды каждого потока передают на отдельные фиксированные точки кожного покрова человека, а у последнего в процессе обучения вырабатывают способность синтезировать полученные сигналы в конечную информацию, адекватную первичной.

Первичную информацию кодируют электрическими сигналами с различными частотными и/или амплитудными характеристиками напряжения и/или силы тока, механическими вибрационными сигналами с различными амплитудами и/или частотой, или тепловыми сигналами. При этом изменяют продолжительность кодов и временные промежутки между ними, а степень дезинтеграции первичной информации регулируют.

Ниже приведены примеры осуществления изобретения.

Способ передачи нервной системе текстовой информации. В этом случае текст (первичную информацию) дезинтегрируют на отдельные потоки слова и/или буквы.

На теле человека (акцептора), например, на поверхности плеча закрепляются, например, пять вибростимуляторов, отстоящих один от другого на расстоянии 20 30 мм. Один код представляет собой комбинацию воздействий, осуществляемых одновременно всеми пятью вибростимуляторами, в течение заданного времени, величина которого может составлять 0,2 1,5 с. Если обозначить символом 1 включенный вибростимулятор, символом 0 "молчащий", а номер вибростимулятора это порядок его обозначения в пятизначной записи, тогда буквы алфавита можно закодировать, например так: а 10000, в 11010, д 11110, ж 01000, б 11000, г 11011, е 01010 и 01001 и т.д.

Обучают акцептора сначала распознавать каждую букву. На обучение распознаванию букв алфавита в среднем требуется 14 28 ч, затем акцептора обучают по передаваемым буквам синтезировать слова. Передача слов разделяется паузой, равной, например, двум длительностям одного кодового воздействия. Беглость "чтения" достигается через 3 4 дня.

В случае кодирования знака в виде электровоздействия один код может представлять собой электродействие в виде подачи электроимпульсов разной частоты, подаваемым, например, на три контакта (кодовая группа) единомоментно, расположенных на поверхности тела. Код синтезируют из электроимпульсов, частоты которых однозначно различимы нервной системой, например, 20, 50 и 120 Гц. В этом случае три частоты и один молчащий контакт образуют три в четвертой степени неповторяющихся комбинаций, т.е. 81 знак может быть закодирован.

В этом случае для передачи текстовой информации на поверхности тела акцептора, например плече, устанавливают четыре контакта: три для подачи воздействия и один общий для всей контактной группы. Контакты кодовой группы отстоят друг от друга на расстоянии 7 9 мм. Каждой букве алфавита может быть поставлена в соответствие комбинация из частот воздействия и места их подачи. Если записать код в виде последовательности чисел, порядок которых соответствует номеру контакта в контактной кодовой группе, а значение числа соответствует воздействию: 0 отсутствие воздействия 1 частота 20 Гц 2 частота 50 Гц 3 частота 120 Гц, тогда цифры и буквы алфавита могут быть закодированы как 1 001, 6 030, а 101, е 130, л 131, 2 002, 7 011, б 111, ж 121, м 132,
3 003, 8 012, в 112, з 122, н 133,
4 010, 9 013, г 113, и 123, о 200,
5 020, 0 021, д 120, к 130, п 201 и т.п.

Длительность передачи одного кода путем электровоздействия осуществляется в течение 0,2 1,5 с.

Обучают акцептора сначала распознавать каждую букву и цифру. На обучение распознаванию букв и цифр в среднем требуется 14 28 ч и обучают акцептора по передаваемым буквам синтезировать слова и воспроизводить смысл переданной информации. Передача слов разделяется паузой, равной двум длительностям одного кодового воздействия. Беглость "чтения" достигается через 10 20 дней.

Изобретение может быть использовано для передачи нервной системе информации с измерительного прибора или группы приборов. В этом случае каждому прибору соответствует своя контактная группа. Контактные группы могут быть размещены, например, на запястье в виде браслета, и т.д.

Макетировалась рабочее место оператора парогенератора. Приборами измерялись: давление в испарительной камере, температура пара, расход горючего газа. Задачей оператора было так регулировать расход горючего газа, что поддерживать температуру пара и его давление в заданном диапазоне.

Контактная группа датчика давления устанавливалась на правом запястье, контактная группа датчика температуры устанавливалась на левом запястье, а данные о расходе горючего газа поступали на правом предплечье, т.е. первичной информацией в этом случае были показания указанных датчиков и расходомера.

Сначала оператора обучали распознавать коды от датчиков, а затем проводили испытания на макете объекта управления. Обучение оператора регулировать работу макета при подаче информации о его состоянии и при помощи электроимпульсного воздействия потребовало 3 дня, после чего он мог безошибочно восстанавливать рабочий диапазон температуры и давления при изменении расхода пара.

Передача информации может быть осуществлена цифровым способом, аналогичным описанному выше, или аналоговым, когда передаваемой величине ставится в соответствие интенсивность воздействия.

В этом случае величине измеряемого параметра, например, давлению ставится в соответствие интенсивность воздействия, например, в виде силы тока электроимпульса.

Шкала колебания давления в диапазоне 1,5 3 ати была сопоставлена по линейному закону с силой тока 2 6 мА при длительности импульса 0,4 мс и частоте их подачи равной 80 Гц. Зависимость величины кодируемого параметра и соответствующей ему интенсивности кодового воздействия может быть представлена степенным, показательным или любым другим законом. Оператора обучали ориентироваться по этой шкале и оценивать величину давления по интенсивности аналогового сигнала. После обучения распознавание величины измеряемого параметра оценивалась оператором с точностью 5 10%
Кодирование информации можно осуществлять тепловыми сигналами. Это можно осуществить по схеме, например, аналогичной кодированию информации при помощи вибровоздействий. В этом случае на поверхности тела человека, например на предплечье, устанавливают полупроводниковые термоактивные элементы, которые в зависимости от полярности поданного на них тока работают в режиме подвода тепла к контактной поверхности на теле акцептора или отвода тепла от нее. На теле акцептора, например, на поверхности предплечья закрепляются, например, пять термоактивных полупроводниковых элементов, отстоящих один от другого на расстоянии, например, 20 30 мм. Один код представляет собой комбинацию воздействий, осуществляемых одновременно всеми пятью элементами, в течение заданного времени, величина которого может составлять, например, 0,2 1,5 с. Если обозначить символом 0 элемент, работающий на выделение тепла, т.е. "теплый", а символом 1 элемент, работающий на отвод тепла, т.е. "холодный", а номер элемента это порядок его обозначения в пятизначной записи, тогда буквы алфавита можно закодировать, например, так:
а 10000, в 11010, д 11110, ж 01000,
б 11000, г 11011, е 01010, и 01001 и т.д.

Обучают акцептора сначала распознавать каждую букву. На обучение распознаванию букв алфавита в среднем требуется 16 30 ч, затем акцептора обучают по передаваемым буквам синтезировать слова. Передача слов разделяется паузой, равной, например, двум длительностям одного кодового воздействия. Беглость "чтения" достигается через 5 8 дней.

Изобретение может быть использовано для системы, позволяющей людям с дефектами слуха воспринимать и анализировать звуки, речь.

В этом случае звучание (первичная акустическая информация) воспринимается регистрирующим и обрабатывающим устройством. В устройстве первичная информация дезинтегрируется (разлагается) на дискретный набор частот и превращается в спектральный сигнал. Спектральный сигнал представляет собой совокупность одновременных вторичных сигналов, каждый из которых соответствует своей частоте, а величина каждого вторичного сигнала пропорциональна присутствию соответствующей частоты в данный момент времени в транслируемом звуке.

Для распознавания речи и идентификации говорящего достаточно первичную акустическую информацию разложить примерно на 20 вторичных сигналов. В этом случае контактная группа состоит из 20 контактов, размещенных на поверхности тела. Каждый из контактов соответствует своему вторичному сигналу, т.е. представляемой им частоте.

Спектральный сигнал разбивается на фрагменты в виде последовательных интервалов звучания, например, длительностью 15 20 мс. В каждом фрагменте каждый вторичный сигнал имеет постоянную интенсивность, равную усредненной по длительности фрагмента его интенсивности.

По каждому вторичному сигналу в устройстве формируется каждый выходной сигнал, в виде, например, электроимпульсного сигнала, интенсивность которого соответствует интенсивности данного вторичного сигнала. Вторичные сигналы одновременно подаются на соответствующий контакт кодовой группы и тем самым формируют код, воспринимаемый нервной системой.

В данном случае код фрагмента представляет собой набор электроимпульсных воздействий, одновременно поданных на соответствующие контакты кодовой группы. В коде частота, присутствующая в транслируемом фрагменте звучания, представлена местом расположения контакта на поверхности тела, а его интенсивность представлена в виде интенсивности электровоздействия, приложенного к этому контакту.

Передача информации происходит путем последовательной трансляции кодов нервной системе. Каждый следующий код подается через интервал времени, равный длительности фрагмента.

Для повышения способности нервной системы распознавать таким образом закодированные фрагменты на поверхности тела устанавливают несколько контактных групп. При этом подачу первого фрагмента осуществляют на первую группу, второго на вторую, третьего на третью, а четвертого, например, опять на первую. Если для восстановления воспринимающей способности тела потребуется больше времени, то количество групп увеличивают, например, до 10 - 20.

Человека обучают по возникающим ощущениям при трансляции кодов к нервной системе распознавать звуки, их ритм, распознавать звучание букв, синтезировать смысл речи.

Изобретение может применяться и для передачи нервной системе информации об изображении. Для этого получают видеоизображение, например, при помощи зарядовой матрицы для регистрации оптического изображения и подают информацию о нем в устройство. В устройстве информацию об изображении дезинтегрируют на фрагменты так, что это разбиение равносильно разбиению самого изображения на фрагменты заданной величины. В устройстве каждый фрагмент изображения трансформируется в набор данных, в котором представлена средняя освещенность фрагмента изображения, его положение по высоте и ширине в картинке.

На основании набора данных для каждого фрагмента формируется выходной сигнал, например, в виде электроимпульсного воздействия. В каждом выходном сигнале освещенность фрагмента представлена его интенсивностью, а положение фрагмента контактом в кодовой группе, на который это воздействие поступает. Если положение фрагмента кодировать контактом в кодовой группе и частотой, то на один контакт можно подать информацию о нескольких фрагментах. В этом случае количество контактов кодовой группы будет меньше числа фрагментов разбиения изображения.

Код представляет собой совокупность выходных сигналов, одновременно подаваемых на контакты кодой группы.

Трансляцию кодов о фрагментах изображения осуществляют с частотой, определяемой скоростью покадровой передачи изображения от зарядовой матрицы к устройству.

При обучении человека подстраивают характер подачи кодов так, чтобы нервная система человека могла реагировать на сигналы от каждого выделенного фрагмента изображения отдельно от других сигналов, поступающих от остальных фрагментов, т. е. чтобы каждый фрагмент изображения воспринимался отдельно. Для этого используют тестирование с подстройкой в виде обратной связи от человека, добиваются такого типа разбиения и такого типа кодирования, чтобы сигналы от каждого фрагмента разбиения воспринимались человеком отдельно. Обучают человека ориентироваться в пространстве, опираясь на возникающий в результате приложения кодов тактильный образ. Закрепляют зарядовую матрицу для регистрации оптического изображения, например, на голове человека, перед собой в руке он держит, например, точечный источник света, изменяет его положение, обучают его ориентироваться в пространстве по возникающим ощущениям, обучение проводят до появления автоматизма, когда человек может взять в руку источник света, перед ним перемещающийся, затем расширяют обучение до самостоятельного перемещения человека в пространстве.

В результате обучения человек приобретает способность определять форму предметов, их положение в пространстве, отличать особенности одного предмета от другого, распознавать буквы, читать.

Если информацию об изображении получать в невидимом спектре, например, инфракрасном, то человека можно обучить ориентироваться в пространстве в темноте, не используя для этого визуальный канал восприятия, как в приборах ночного видения.

Изобретение можно использовать для создания протезов конечностей, референтных нервной системе человека. Для этого протез конечности, например ноги, содержит датчики, которые вырабатывают сигналы о силе давления ступни на поверхность и о положении частей протеза друг относительно друга. Сигналы от датчиков поступают в устройство и трансформируются в выходные сигналы.

Формирование выходных сигналов может быть организовано в знаковой или аналоговой форме.

На основании кодов, воспринимаемых нервной системой, человека обучают оценивать положение и состояние протеза.

Аналогичный способ может быть применен для установления обратной связи с оператором манипулятора, имитирующего функции руки. В этом случае применение способа позволяет сообщать оператору, например, силу сжатия манипулятором образца, и получать дополнительную информацию о положении его частей в пространстве и друг относительно друга.

Таким образом, изобретение позволяет передавать информацию, представленную визуально или аудиально, нервной системе человека, минуя визуальный и аудиальный каналы восприятия, так, что содержание и смысл переданной информации адекватно синтезируются человеком. Это позволяет создавать системы искусственного зрения, слуха, а также создать принципиально новый интерфейс между машиной и человеком, применяемый для новой системы связи, адаптивных протезов конечностей и др. Особенностью изобретения является неинвазивный характер его реализации, т.е. не требующий хирургического вмешательства.

Формула изобретения

1. Способ передачи информации нервной системе человека, включающий кодирование первичной информации в тактильно воспринимаемые сигналы и обучение человека распознаванию этих сигналов, отличающийся тем, что первичную информацию дезинтегрируют на отдельные потоки, каждый из этих потоков кодируют в виде последовательности дискретных кодов, причем коды каждого потока передают на отдельные фиксированные точки кожного покрова человека, а у последнего в процессе обучения вырабатывают способность синтезировать полученные сигналы в конечную информацию, адекватную первичной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кодирование информации производят электрическими сигналами с различными частотными и/или амплитудными характеристиками напряжения и/или силы тока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кодирование первичной информации производят механическими вибрационными сигналами с различными амплитудой и/или частотой.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что кодирование первичной информации производят тепловыми сигналами.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что измеряют продолжительность кодов и временные промежутки между ними.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что степень дезинтеграции первичной информации регулируют.