Устройство для оценки адаптационной возможности человека

 

Изобретение относится к медицинскому приборостроению, прикладной физиологии, а именно к устройствам для измерения показателей состояния физиологических систем организма, и может быть использовано для оценки профессиональной пригодности человека, для оценки влияния тех или иных мешающих факторов на качество выполнения им профессиональной деятельности. Устройство содержит датчик фотоплетизмограммы и датчик кожно-гальванической реакции, каждый из которых содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, фильтр нижних частот и дифференциальный усилитель, микроконвертор, оперативное запоминающее устройство, подключенное к параллельному порту микроконвертора, ЭВМ, соединенную с последовательным портом микроконвертора, усилитель, подключенный к аналоговому входу ЭВМ, и генератор возбуждающего сигнала, подключенный к выходу усилителя. 4 ил.

Изобретение относится к медицинскому приборостроению, прикладной физиологии, а именно к устройствам для измерения показателей состояния физиологических систем организма, и может быть использовано для оценки профессиональной пригодности или для оценки способности человека выполнять текущую профессиональную деятельность, а также для оценки влияния тех или иных мешающих факторов на качество выполнения профессиональной деятельности данным индивидуумом и на основании этой оценки проводить конкурсный отбор на тот или иной вид работы.

Известно устройство для оценки психофизиологических показателей организма (авт. св. 1584906, кл. А 61 В 5/05 Устройство для оценки показателей, характеризующих состояния различных физиологических систем организма). Это устройство содержит несколько каналов для измерения электрофизиологических сигналов, средства для детектирования и цифрового спектрального анализа сигналов, блок отображения и блок управления.

Так как сигналы в измерительных каналах устройства варьируются в значительной степени как от пациента к пациенту так и при исследовании одного и того же пациента, то отсутствие автоматической подстройки каналов под динамический диапазон сигнала является существенным недостатком устройства.

Кроме того, в устройстве не предусмотрен генератор вызванных ответов, что приводит к трудностям при классификации пациентов по их уровню адаптационных возможностей, а также количественной оценки устойчивости физиологических и психологических функций.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение достоверности интегральной диагностики адаптационной возможности человека путем адаптации измерительных каналов к электрофизиологическим сигналам, а уровня возбуждающего сигнала к исследуемому пациенту.

Поставленная задача решается посредством того, что в устройство, содержащее датчик фотоплетизмограммы и датчик кожно-гальваничческой реакции, каждый из которых содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, фильтр нижних частот и дифференциальный усилитель, дополнительно введены микроконвертор, первый аналоговый вход которого соединен с выходом датчика фотоплетизмограммы, а второй аналоговый вход - с выходом датчика кожно-гальванической реакции, первый аналоговый выход микроконвертора подключен ко второму входу дифференциального усилителя датчика фотоплетизмограммы, второй аналоговый выход - ко второму входу дифференциального усилителя датчика кожно-гальванической реакции, оперативное запоминающее устройство, подключенное к параллельному порту микроконвертора, ЭВМ, соединенная с последовательным портом микроконвертора, усилитель, подключенный к аналоговому входу ЭВМ, и генератор возбуждающего сигнала, подключенный к выходу усилителя На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 представлена схема алгоритма работы устройства в режиме адаптации к пациенту, на фиг.3 - схема алгоритма работы устройства в режиме "Сбор данных", на фиг.4 показаны изображения "медленных волн", полученные с помощью предлагаемого устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит датчик фотоплетизмограммы 2, состоящий из последовательно соединенных фотопреобразователя 9, фильтра нижних частот 10 и дифференциального усилителя 11, датчик кожно-гальванической реакции (КГР) 3, состоящий из последовательно соединенных преобразователя сопротивление-напряжение 12, фильтра нижних частот 13 и дифференциального усилителя 14, микроконвертор 4, аналоговые входы которого подключены соответственно к выходу датчика фотоплетизмограммы 2 и выходу датчика кожно-гальванической реакции 3, а аналоговые выходы соответственно ко второму входу дифференциального усилителя 11 и ко второму входу дифференциального усилителя 14, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 5, подключенное к параллельному порту микроконвертора 4; ЭВМ 6, соединенную с последовательным портом микроконвертора 4, усилитель 7, подключенный к аналоговому выходу ЭВМ 6, и генератор возбуждающего сигнала 8, подключенный к выходу усилителя 7 и предназначенный для возбуждения вызванных ответов у пациента 1.

Работа устройства происходит под управлением программных модулей, часть которых хранится в микроконверторе 4, а часть в ЭВМ 6. Модуль-координатор находится в ЭВМ 6. После запуска этого модуля по последовательному каналу в микроконвертор 4 поступает команда "начало", после принятия которой микроконвертором 4 запускается модуль "адаптация каналов", который находится в его памяти. Задачи данного модуля состоят в том, чтобы адаптировать выходные сигналы, снимаемые с конкретного пациента 1 посредством датчика фотоплетизмограммы 2 и датчика КГР 3 к динамическому диапазону аналоговых входов микроконвертора 4.

Блок-схема программного модуля "Адаптация каналов" показана на фиг.2. Посредством двух аналоговых выходов микроконвертора 4, подключенных к входам дифференциальных усилителей 11 и 14, устанавливается уровень постоянных составляющих на аналоговых входах микроконвертора 4 близким к нулевым значениям. Уровень переменных составляющих на этих входах устанавливается посредством регулировки коэффициента усиления в этих каналах, выполненной на программном уровне. Так как динамический диапазон на выходе второго канала 3 определяется индивидуальной чувствительностью конкретного пациента 1, то для подстройки динамического диапазона второго входа микроконвертора 4 имеется модуль "Возбуждающий сигнал - адаптации", который запускается от микроконвертора 4 и служит для определения индивидуальной чувствительности пациента к возбуждающему сигналу. Если чувствительность пациента к возбуждающему сигналу низка, то через последовательный порт в ЭВМ 6 поступает соответствующее сообщение (блок 19, фиг.2), которое инициализирует модификацию возбуждающего сигнала в блоке 15 (фиг.2).

Завершающим этапом адаптации каналов является вычисление "времени восстановления системы", под которым понимается время, в течение которого сигнал КГР достигает 80% исходной величины (значение, которое он принимал до возбуждающего импульса). Период возбуждающих сигналов устанавливается в 1,5 раза больше, чем полученное таким образом время.

После режима "Адаптация каналов" устройство переходит в режим "Сбор данных", в котором данные с двух каналов накапливаются в ОЗУ 5, а генератор возбуждающего сигнала 8 выдает возбуждающие импульсы с периодом, определенным в предшествующем режиме. Длительность этого режима должна зависеть от адаптационных возможностей пациентов, то есть режим должен длиться до полной адаптации пациентов, к возбуждающим импульсам. Однако это время индивидуально для каждого пациента, например у некоторых пациентов адаптация практически отсутствует, а у других она наступает после первого-второго возбуждающего импульса. Поэтому в данном устройстве время режима "Сбор данных" определяется максимальным периодом анализируемой волны. Обычно (в целях обеспечения возможности использования быстрого преобразования Фурье) время второго режима составляет 16 периодов возбуждающего сигнала (8-16 минут).

В режиме "Сбор данных" осуществляется оцифровка данных в двух каналах, вычисление компенсирующих напряжений на аналоговых выходах микроконвертора 4, запись оцифрованных данных первого канала в ОЗУ 5, вычисление электрических сопротивления пациента и запись их значений в ОЗУ 5.

Схема алгоритма этого режима показана на фиг.3.

Компенсирующее напряжение в первом канале выбирается таким образом, чтобы среднее значение отсчетов в первом канале было равно нулю. Если сумму максимального и минимального отсчетов (напряжения на первом входе усилителя 11) в первом канале a_max и а_min обозначим через А, то есть a_max+a_min=А, то для того чтобы А было близко к нулю, компенсирующее напряжение на выходе первого дифференциалього усилителя 11 должно быть близко к величине А/2, так как K_ду1(a_min-U_ком1)+K_ду1(a_mах-U_ком)=0, (1) где К_ду1 - коэффициент усиления усилителя 11.

Апертура, на которой определяется a_max и а_min, зависит от длительности записи сигнала и определяется периодом медленных волн более низкого иерархического уровня. Например, если длительность записи определена длиной волны "дыхание", то апертура определения а_max и а_min определяется длиной волны кардиоцикла и т.д.

Компенсирующее напряжение во втором канале U_ком2 выбирается таким образом, чтобы отсчеты b_i на выходе второго канала лежали в диапазоне где -U_onАЦП - напряжение нижнего предела аналого-цифрового преобразователя, +U_onАЦП - напряжение верхнего предела измерения аналого-цифрового преобразователя.

Если активное сопротивление на входе преобразователя сопротивление напряжение 12 равно нулю, то напряжение на втором входе микроконвертора 4 равно минимальному (-U_onАЦП), поэтому начальное значение напряжения компенсации U_ком2 (напряжение на втором входе дифференциального усилителя 13) определяется как Если условие (3) не выполняется, то вычисляется поправка ΔU_ком2, расчет которой ведется согласно следующим уравнениям:
В ОЗУ 5 записываются не отсчеты b_i, а отсчеты R_i, вычисляемые из соотношения
K_ду2(βR_i-U_ком2) = b_i, (5)
где β = β₁β₂, β₁ -, (- коэффициент преобразования преобразователя сопротивление-напряжение, β₂ - коэффициент передачи ФНЧ 13.

Из (5) находим:

Использование преобразования (6) позволяет не только расширить диапазон измерений R_i, но и повысить точность измерений, так как тип данных R_i - real, в отличие от b_i - integer.

После режима "Сбор данных" устройство переходит в режим "Обработка данных". В этом режиме собранные данные из ОЗУ 5 пересылаются в ЭВМ 6, где представляются в виде двух матриц, каждая строчка которых состоит из отсчетов (число отсчетов= период возбуждающего импульса/ шаг дискретизации), полученных за время между возбуждающими импульсами. Из матрицы отсчетов первого канала выделяют матрицы отсчетов кардиоинтервалов и матрицы отсчетов амплитуд систолической волны. Затем определяются спектры этих матриц. На фиг. 4 показаны возможные изображения таких спектров, полученных для первых строчек матриц КГР (а), кардиоинтервалов (б) и амплитуд систолической волны (в) с выделенными "медленными волнами", которые затем используются в качестве информативных признаков. После выделения "медленных волн" определяются взаимные коэффициенты корреляции между ними, сравнивают эти коэффициенты с коэффициентами, полученными в комфортных условиях (при отсутствии сигналов возбуждения) и на основании обучающих выборок формируются решающие правила для определения адаптации пациента к соответствующему виду деятельности.

Таким образом, посредством использования предлагаемого устройства имеется возможность контролировать функциональное состояние основных регуляторных систем человека, причем каждая из систем описывается своим комплексом "медленных волн", что позволяет характеризовать каждую из систем соответствующим вектором состояния, то есть количественной характеристикой. Кроме того, реализация двухконтурной биологической обратной связи позволяет адаптировать возбуждающий сигнал к индивидуальной чувствительности пациента и обеспечивает измерение кожно-гальванических реакций в широком динамическом диапазоне благодаря автоматическому пересчету функции преобразования датчика КГР.

Формула изобретения

Устройство для оценки адаптационной возможности человека, содержащее датчик фотоплетизмограммы и датчик кожно-гальванической реакции, каждый из которых содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, фильтр нижних частот и дифференциальный усилитель, отличающееся тем, что в него дополнительно введены микроконвертор, первый аналоговый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя датчика фотоплетизмограммы, второй аналоговый вход - с выходом дифференциального усилителя датчика кожно-гальванической реакции, первый аналоговый выход - со вторым входом дифференциального усилителя датчика фотоплетизмограммы, второй аналоговый выход - со вторым входом дифференциального усилителя датчика кожно-гальванической реакции, оперативное запоминающее устройство, подключенное к параллельному порту микроконвертора, ЭВМ, соединенная с последовательным портом микроконвертора, усилитель, подключенный к аналоговому выходу ЭВМ, и генератор возбуждающего сигнала, подключенный к выходу усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4