Способ и устройство для психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников

Изобретение относится к медицине и может быть применимо для психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников. Измеряют общее количество символов и количество ошибок при просмотре случайной последовательности букв и нажатии на соответствующие клавиши при появлении на экране устройства двух неодинаковых случайно выбранных букв, принятых в качестве стимула, и нейтральных букв в течение 2 мин до и после урока. Принимают условно за отсутствие изменений функционального состояния организма школьника разницу количества просмотренных символов в пределах ±5%, количества ошибок в пределах ±0,5 на 500 знаков и времени зрительно-моторной реакции в пределах ±10%. Устройство для психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников содержит электронную схему с однокристалльным микропроцессором, выполненным с возможностью осуществления функций управления формированием случайной последовательности символов, фиксирования отрезка времени обследования, сбора, хранения в памяти данных эксперимента, связанную с микропроцессором клавиатуру, две клавиши которой предназначены для ответа на выбираемые обследуемым символы, а одна - на нейтральный стимул, экран в виде светодиодной матрицы с драйвером строк и колонок экрана, последовательный порт RS-232, связанный с компьютером и предназначенный для передачи в него данных о последовательности предъявляемых символов, количестве просмотренных обследуемым стимулов, наличии ошибок при этом и времени зрительно-моторной реакции обследуемого. Изобретение обеспечивает малую трудоёмкость обследования, возможность проводить обследование большого количества школьников при малых временных затратах на обработку результатов. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к гигиене, и может быть использовано при проведении индивидуальных и групповых обследований детей и подростков для гигиенической оценки организации учебно-воспитательного процесса в современных образовательных учреждениях.

Уровень техники в области, к которой относится изобретение, включает следующее:

1) Способ прогнозирования состояния здоровья младших школьников путем проведения корректурных проб. Определяют уровень умственной работоспособности, вычисляя коэффициент точности i и при его значении менее 60 баллов прогнозируют нарушения состояния здоровья детей в виде частых ОРВИ, снижения остроты зрения, развития невротических реакций, недостаточной прибавки массы тела на 2-м году обучения (регистрационный номер заявки 94001365/14, кл. А61В 10/00).

2) Способ прогнозирования течения адаптации подростков к новым условиям обучения путем корректурных проб после уроков в начале и в конце 5-й недели учебного года. По результатам корректурных проб по фигурным таблицам Анфимова оценивают уровень умственной работоспособности. Вычисляют коэффициенты точности по методу М.В.Антроповой. При снижении коэффициента в пятницу по отношению к названному показателю в понедельник на 39 баллов и более прогнозируют неблагоприятное течение адаптации к новым условиям обучения (регистрационный номер заявки 95111748, кл. А61В 5/16).

3) Из литературы известен способ определения умственной работоспособности и ее сдвигов, основанный на предъявлении обследуемому корректурного бланкового теста, состоящего в последовательном построчном просмотре последовательности случайным образом расположенных букв русского алфавита и подчеркивании и зачеркивании любых двух букв, выбранных в качестве стимулов. Тестирование проводится в течение 2 минут до и после урока (уроков) в начале и конце учебного дня, недели. Для тестирования используется таблица Анфимова - корректурный бланк. По рекомендации лингвистов в корректурный бланк включается 10 прописных букв русского алфавита, равновстречаемых в русском языке: А, В, Е, И, К, Л, Н, П, Р, Т. Корректурный бланк расположен на бумажном листе формата А4 и состоит из 28 строк, в каждой строке по 40 букв, каждая из которых встречается одинаково часто на каждые 100 букв (2,5 строки). Ученикам предлагается зачеркнуть одну букву (например, «К») и подчеркнуть другую (например, «В»). Поскольку каждая буква повторяется равное количество раз на 100 печатных знаков, то сочетание букв не имеет значения. При обработке корректурных бланков подсчитывается количество прослеженных букв и количество ошибок. За ошибку принимается следующее: пропущенная целая строка; нужная буква не зачеркнута или не подчеркнута; зачеркнута или подчеркнута буква, которую не требуется зачеркивать или подчеркивать; буква зачеркнута, в то время, как ее следовало подчеркнуть, или подчеркнута та, которую следовало зачеркнуть (Громбах С.М., Сапожникова Р.Г. Задачи, организация и методы исследования. - В кн.: Гигиеническая оценка обучения учащихся в современной школе. 1975, с.7-30).

По соотношению количества просмотренных знаков (букв) и ошибок в начале и в конце урока определяется уровень умственной работоспособности и ее сдвиги (учебное утомление). Данный способ позволяет одномоментно провести обследование учащихся всего класса.

Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков, а именно:

1. Высокая трудоемкость. Значительное время и усилия затрачиваются при обработке (подсчете общего количества просмотренных знаков и ошибок) корректурного теста, особенно при обработке тестов в старших классах.

Количество просмотренных знаков старшеклассниками в среднем достигает 500 и более знаков за 2 минуты.

2. Снижение точности обработки результатов тестирования, обусловленных пропуском ошибок в связи с нарушением внимания и утомлением обрабатывающего тест-бланк.

3. Низкая эффективность обработки. После проверки 10-12 тест-бланков появляются признаки утомления, нарушается внимание.

4. Большой объем расходных материалов (бумага, картриджи ксерокса и т.д.).

5. Высокие временные затраты. Для обработки вручную 30 корректурных бланков (количество детей в одном классе) в младших классах требуется не менее 2-2,5 часов, в старших классах - 3,5-4 часа. Кроме того, полученные данные необходимо внести в компьютер для последующей обработки. Это сопряжено с дополнительным временем и возможностью появления новых ошибок при вводе.

Перечисленные недостатки снижают точность и продуктивность обследования, что приводит к неправильной оценке умственной работоспособности и утомления учащихся и существенно ограничивает возможности более широкого использования корректурного теста при проведении гигиенической оценки влияния условий обучения и воспитания на функциональное состояние организма школьников.

Цель изобретения - создание точного, надежного и достоверного способа психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников в процессе их обучения в школе и устройства для его осуществления. Точность, надежность и достоверность обследования достигается за счет аппаратной реализации корректурного бланкового теста, позволяющей вести подсчет общего количества просмотренных обследуемых знаков и допущенных при этом ошибок за фиксированный промежуток времени и компьютерной обработки результатов тестирования. Ввод данных в компьютер и последующая обработка производятся программным способом в автоматическом режиме.

Портативность устройства позволяет проводить одномоментно групповое обследование учащихся всего класса.

Процедура тестирования определена следующим порядком выполняемых действий:

1. Включить тумблер питания устройства.

2. Для ввода двух букв, являющихся стимулами, нажать два раза клавишу «*», затем нажать клавишу «0», после чего на экране появится буква, которая является первым стимулом, при появлении которого на экране во время тестирования требуется нажимать клавишу «*».

3. Для просмотра второго стимула (буквы) - нажать клавишу «#». При появлении этой буквы на экране во время тестирования требуется нажимать клавишу «#».

4. Два раза нажать клавишу «0». На экране появится символ «Т», обозначающий готовность устройства начать тест.

5. После того как обследуемый будет готов к тестированию, он должен нажать клавишу «0». При этом на экране появится первая буква из заданной случайной последовательности букв и начнется отсчет времени.

6. При появлении буквы, которая установлена в качестве первого стимула, испытуемый должен нажать клавишу «*». При появлении буквы, которая установлена в качестве второго стимула, испытуемый должен нажать клавишу «#». На остальные буквы надо нажимать клавишу «0».

7. По истечении 2-х минут на экране появится мигающий символ «!!!», обозначающий окончание тестирования. Полученные в ходе тестирования данные будут автоматически сохранены в памяти устройства.

Все вычислительные процедуры при тестировании и данные о количестве просмотренных символов, ошибках и времени зрительно-моторной реакции (ЗМР) выполняются в соответствии с программным алгоритмом и хранятся в памяти процессора для дальнейшей передачи в компьютер. Дерево алгоритмов программы процессора приведено на фиг.3. Надписи и стрелки на фиг.3 показывают прядок выполняемых действий, совершаемых процессором во время тестирования.

Сравнительная оценка соотношения количества просмотренных символов и ошибок до и после урока проводится с помощью компьютерной программы, разработанной как составная часть заявляемого устройства. Программа для компьютера написана под операционные системы Windows'95 и выше. Эта программа реализует прием исходных данных из заявляемого устройства через последовательный порт компьютера и их обработку. Блок-схема компьютерной программы приведена на фиг.5.

Внешний вид устройства и его структурная схема приведены соответственно на фиг.1 и фиг.2. Структурная схема содержит микропроцессор 1, являющийся основным ядром схемы, экран 2 для визуального отображения знаков, драйвер экрана 3 для подачи управляющих сигналов от микропроцессора на элементы матрицы экрана, клавиатуру 4 для передачи данных от обследуемого на микропроцессор, преобразователь уровней 5 для преобразования напряжения ТТЛ уровней в напряжение уровней протокола RS-232, порт RS-232 6 для подключения кабеля связи между заявляемым устройством и компьютером, блок питания 7 для питания устройства в целом.

В зависимости от задачи за один учебный день можно провести обследование учащихся всей школы с выдачей аналитических заключений в тот же день. Объем обследования зависит только от наличия необходимого количества устройств. Полученные данные могут хранится на внешних носителях или в памяти компьютера до очередного обследования, проводимого, как правило, в конце учебного года. Регистрация и хранение данных обследований и результатов их обработки в базе данных позволяют проводить сравнительный анализ в динамике наблюдения и судить о степени изменения умственной работоспособности и утомления как отдельно взятого ученика, так и классного коллектива, а также дать гигиеническую оценку образовательной среды, в том числе технологий, методик и режимов обучения в школе. Указанное обеспечивается программой микропроцессора, которая реализует получение, запоминание и передачу на компьютер исходных данных, полученных в процессе тестирования. Микропроцессор имеет следующие основные характеристики:

- встроенную FLASH-память программ;

- встроенную оперативную память;

- двунаправленные линии ввода-вывода;

- встроенный тактовый генератор;

- три встроенных таймера-счетчика;

- встроенную память EEPROM, позволяющую проводить до 100000 циклов стирания/записи.

В памяти программы помимо самой программы располагается последовательность символов, выводимых на экран во время тестирования.

Таймер 1 используется для определения времени до окончания теста. Он включается при начале теста и работает до истечения 2-х минут.

Таймер 2 задействован для определения времени реакции на символ - время от появления символа до нажатия на функциональную клавишу («*» или «#»). Таймер 0 предназначен для синхронизации при работе с последовательным портом.

Сохранение полученных данных - символа, нажатой клавиши, времени реакции производится в энергонезависимой памяти процессора. Хранение полученных данных производится в виде двух файлов - файла с количеством знаков и ошибок и файла, в котором содержатся последовательности выданных символов, нажатий клавиш и время реакции на каждый символ. Второй файл предусмотрен для последующего восстановления хода тестирования в сложных случаях.

Отчет о результате обработки формируется в виде HTML-файла и может быть просмотрен с помощью любого Интернет-браузера.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности, надежности и достоверности оценки умственной работоспособности и учебного утомления учащихся.

Данный способ существенно повышает точность обследования, сокращает время ввода, обработки и анализа первичных данных и существенно расширяет возможности массовых обследований детей.

Заявляемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость», так как заявленное устройство состоит из компонентов, выпускаемых промышленностью, что подтверждается принципиальной электрической схемой (фиг.4) с обозначением всех промышленно выпускаемых деталей.

Заявляемое устройство содержит следующие основные элементы - микроконтроллер с энергонезависимой памятью, блоки питания элементов устройства, клавиатуру, с помощью которой в памяти микроконтроллера сохраняются:

- последовательность предъявляемых символов,

- количество символов, просмотренных обследуемым за 2 мин,

- стимулы - две случайным образом выбранные буквы,

- количество ошибок,

- время зрительно-моторной реакции на каждый символ и каждый стимул.

Считывание результата из памяти устройства производится той же компьютерной программой, что и установка стимулов.

Основные элементы заявляемого устройства аналогичны известным устройствам, основными элементами которых являются элементы, используемые в прототипах, указанных в описании к заявке на изобретение.

Известны устройства, включающие в себя блоки, аналогичные блокам в заявленном устройстве. При этом задачи, решаемые в указанных патентах, отличаются от задач, решаемых в заявленном устройстве.

1) Мобильный телефон с функциями электростимулятора, содержащий приемо-передающее устройство и процессор, к которому подключено запоминающее устройство, а через блок сопряжения подключены дисплей, клавиатура, микрофон, динамик и цепи управления приемо-передающим устройством, отличающийся тем, что он снабжен генератором импульсов, управляемым усилителем, преобразователем напряжения, блоком анализа сигнала обратной связи и электродами, установленными на корпусе мобильного телефона, при этом шины питания генератора импульсов и усилителя подключены к выходу преобразователя напряжения, соединенного с источником питания мобильного телефона, цепи управления генератора импульсов и управляемого усилителя подключены через блок сопряжения к процессору, а выход генератора импульсов через управляемый усилитель соединен с электродами, к которым подключен блоком анализа сигнала обратной связи, соединенный с процессором, отличающийся тем, что он содержит гнездо для подключения выносных электродов, клавиатура содержит дополнительные клавиши для управления работой в режиме электростимулятора (регистрационный номер заявки 2002125742/09, основной индекс МПК Н04М 1/02).

2) Способ низкочастотной электромагнитной полевой терапии и устройство для его осуществления, включающий воздействие импульсным электромагнитным полем малой интенсивности, отличающийся тем, что осуществляется воздействие на организм человека как локально через зону проекции органа, так и на весь организм без изменения энергоинформационного гомеостаза с частотой следования пакетов радиоимпульсов в диапазоне 0,1-100 Гц и дискретом 0,01 Гц, а несущая частота электромагнитного поля находится в диапазоне 10-15 кГц.

Устройство для электромагнитной полевой терапии, включающее источник питания, стабилизатор, микропроцессорный контроллер, энергонезависимую память, блок сопряжения с компьютером, клавиатуру управления, ЖК дисплей, устройство согласования с антенной и антенное устройство, отличающееся тем, что микропроцессорный контроллер соединен с энергонезависимой памятью, клавиатурой управления, ЖК дисплеем, блоком сопряжения с компьютером, стабилизатором, вход которого соединен с источником питания, устройством согласования с антенным устройством, выход которого соединен с антенным устройством, при этом микропроцессорный контроллер запоминает в энергонезависимой памяти 1000 программ лечения, до 20 частот в каждой программе со временем работы каждой частоты 1-4000 с и при выполнении программы лечения выдает на устройство согласования с антенным устройством пачки импульсов с частотой заполнения 10-15 кГц, а на дисплее отображает параметры выполняемой программы (регистрационный номер заявки 99113012/14, основной индекс МПК A61N 2/04).

Устройство обеспечивает представление символов в виде букв русского алфавита в случайном порядке и стимулов - двух случайным образом выбранных букв на экране, в ответ на появление которых, обследуемый нажимает соответствующие клавиши. Ведется подсчет общего количества просмотренных символов (букв), количество ошибок и времени ЗМР на каждый символ и каждый из двух стимулов в течение 2 мин до и после урока (уроков) и за отсутствие изменений функционального состояния организма школьника условно принимается разница количества просмотренных символов в пределах ±5%, количества ошибок в пределах ±0,5 на 500 знаков и времени ЗМР в пределах ±10%.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед началом исследования выбираются два стимула - две неодинаковые буквы русского алфавита, условно названных «стимул 1» и «стимул 2». Выбранные стимулы передаются в устройство при помощи компьютерной программы через СОМ-порт по интерфейсу RS-232 или задаются непосредственно с устройства, что позволяет использовать его в автономном режиме без компьютера. Переданные стимулы сохраняются в энергонезависимой памяти устройства.

Исследования проводятся до и после урока.

До начала исследования на экране устройства выводится заставка в виде буквы «Т» и ожидается нажатие клавиши. После нажатия соответствующей клавиши в течение двух минут на экране появляются буквы русского алфавита в случайном порядке. Чередование букв осуществляется после нажатия соответствующих клавиш: при появлении на экране буквы, принятой в качестве «стимула 1», нажимается клавиша «*», «стимула 2» - «#», при появлении нейтральной буквы (не стимула) нажимается клавиша «0».

Через 2 минуты клавиатура устройства блокируется и на экране появляется заставка в виде «!!!», означающая окончание исследования. Результаты при этом записываются в энергонезависимую память устройства.

Считывание результата из памяти устройства производится той же компьютерной программой, что и установка стимулов. Результатом исследования, находящегося в памяти устройства и передающегося в компьютер, является:

- последовательность предъявляемых символов,

- количество символов, просмотренных обследуемым за фиксированное время,

- стимулы - две случайным образом выбранные буквы,

- количество ошибок,

- время зрительно-моторной реакции на каждый символ и каждый стимул.

При этом за отсутствие изменений функционального состояния организма школьника условно принимается разница количества просмотренных символов в пределах ±5%, количества ошибок в пределах ±0,5 на 500 знаков и времени ЗМР в пределах ±10%.

Полученные данные сохраняются в базе данных компьютера и в дальнейшем могут быть дополнены и обработаны.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников используется устройство, предлагающее выбрать две неодинаковые буквы русского алфавита. Выбранные буквы - стимулы задаются непосредственно с устройства, что позволяет использовать его в автономном режиме без компьютера. При этом в устройстве для психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников, содержащем микропроцессор для формирования последовательности букв, управления экраном, регистрации и определения, какая из клавиш нажата, приема и передачи данных по последовательному порту (RS-232), хранения данных эксперимента в энергонезависимой памяти, экран для визуального отображения знаков, драйверы экрана, клавиатуру, представляющую собой матрицу клавиш, блок питания всего устройства, для обеспечения возможности реализации заявленного способа включены электронный блок микропроцессора с преобразователем уровней, драйверы строк и колонок экрана, экран на светодиодной матрице, клавиатуру и специализированный блок питания. При этом точность и достоверность психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников обеспечивается аппаратной реализацией корректурного бланкового теста, позволяющего вести подсчет общего количества просмотренных обследуемым знаков и допущенных при этом ошибок за фиксированный промежуток времени с помощью электронного устройства и компьютерной обработки результатов тестирования.

Основным ядром схемы является микропроцессор. В нем происходит формирование последовательности букв; управление экраном; регистрация и определение, какая из клавиш нажата; прием и передача данных по последовательному порту (RS-232), хранение данных эксперимента в энергонезависимой памяти (EEPROM).

Экраном для визуального отображения знаков служит светодиодная матрица размером 5×7 элементов.

Через драйвер экрана происходит подача управляющих сигналов от слаботочных выводов микропроцессора на элементы матрицы, потребляющих больший ток, чем может выдать процессор.

Клавиатура представляет собой матрицу клавиш с «сухими» контактам и предназначена для передачи реакции испытуемого в микропроцессор.

Преобразователь уровней служит для преобразования напряжений логических ТТЛ уровней (лог.«1» - 2.5...5 В, лог.«0» - 0...2 В) в напряжения логических уровней протокола RS-232 (лог.«1» - 3...12 В, лог.«0» - -12...-3 В). Порт RS-232 представляет собой разъем для подключения кабеля связи между устройством и компьютером.

В качестве блока питания может выступать либо внешний сетевой трансформатор, либо две батареи размера «АА». Во втором случае используется повышающий импульсный трансформатор, встроенный в устройство.

Принципиальная схема устройства разделена на две части - основная схема - фиг.4 и схема блока питания - фиг.6.

Основным ядром устройства является микропроцессор (DD1) с системой команд и архитектурой МК-51 (MCS-51). Отличительной особенностью этих микропроцессоров является применение FLASH-памяти программ.

Элементы С10, L1, C9 образуют фильтр питания процессора от высокочастотных колебаний, образующихся в DC/DC преобразователе и проникающих на его выход.

Экраном является светодиодная матрица (HL1) 7×5 элементов (светодиодов). Катоды светодиодов соединены в строках, а аноды - в столбцах. Питание на катоды подается через драйвер столбцов, а соединение анодов с общим проводником производится через драйвер строк. Драйверы строк и столбцов управляются микропроцессором. Драйверами строк и колонок являются полевые транзисторы VT1-VT12. Загрузка программы в память (FLASH) процессора производится через последовательный интерфейс программирования (SPI). Преобразователь уровней выполнен на специализированной микросхеме ADM202 (DA1).

Питание 9...12 В от сетевого трансформатора поступает на интегральный стабилизатор напряжения DA2. Конденсаторы С12 и С13 используются в качестве фильтров и предотвращают самовозбуждение стабилизатора.

DC/DC преобразователем является регулируемый повышающий импульсный трансформатор. Его задача состоит в повышении напряжения 3 В (две батареи типа «АА») до напряжения 5 В, которое необходимо для питания процессора и светодиодной матрицы.

1. Способ психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников, заключающийся в оценке функции внимания путем измерения общего количества символов и количества ошибок при просмотре случайной последовательности букв и нажатии на соответствующие клавиши при появлении на экране устройства двух неодинаковых случайно выбранных букв, принятых в качестве стимула, и нейтральных букв в течение 2 мин до и после урока с последующей сравнительной оценкой соотношения количества символов и ошибок до и после урока, отличающийся тем, что измерение количества просмотренных символов, ошибок и времени зрительно-моторной реакции на каждый символ и на каждый из двух стимулов проводится с помощью устройства, обеспечивающего представление символов в виде букв в случайном порядке, имеющего экран и рабочие клавиши, при этом за отсутствие изменений функционального состояния организма школьника условно принимается разница количества просмотренных символов в пределах ±5%, количества ошибок в пределах ±0,5 на 500 знаков и времени зрительно-моторной реакции в пределах ±10%.

2. Устройство для психофизиологической диагностики функционального состояния организма школьников, содержащее электронную схему с однокристальным микропроцессором, выполненным с возможностью осуществления функций управления формированием случайной последовательности символов, фиксировании отрезка времени обследования, сбора, хранения в памяти данных эксперимента, отличающееся тем, что оно содержит связанную с микропроцессором клавиатуру, две клавиши которой предназначены для ответа на выбираемые обследуемым символы, а одна - на нейтральный стимул, экран в виде светодиодной матрицы с драйвером строк и колонок экрана, связанные с микропроцессором и последовательный порт RS-232, связанный с компьютером и предназначенный для передачи в него данных о последовательности предъявляемых символов, количестве просмотренных обследуемым стимулов, наличии ошибок при этом и времени зрительно-моторной реакции обследуемого.