Устройство контроля и оценки физиологических процессов

Изобретение относится к медицине, в частности к устройствам медико-биологического назначения, предназначенным для регистрации и оценки быстротекущих физиологических реакций, возникающих в ответ на предъявляемые стимулы. Устройство содержит микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической реакции, артериального давления в виде микрофона, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры. Введен дополнительный канал, выполненный с возможностью подключения к его входу датчика по выбору оператора и включающий второй электронный коммутатор, к выходам которого подключены первый и второй подканалы обработки сигналов с соответствующего датчика. Датчики кожно-гальванической реакции и сердечно-сосудистой активности размещены в одинаковых пластмассовых корпусах с подпружиненной крышкой, между крышкой и основанием корпуса размещен шарнир, позволяющий устанавливать датчики на пальцы различных размеров, датчик кожно-гальванической реакции выполнен в виде двух корпусов с размещенными в них электродами, датчики грудного и брюшного дыхания включают датчик усилия, пластмассовый корпус и стропы, имеющие возможность охвата грудной клетки испытуемого и передачи усилия на датчик усилия при их натяжении. Изобретение обеспечивает удобство эксплуатации и объективность результатов.

2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, в частности к психологии, психофизиологии, касается устройства медико-биологического назначения, предназначенного для регистрации и оценки быстротекущих физиологических реакций человека, и может использоваться при исследовании и диагностике психических процессов и состояний. Кроме того, изобретение может найти применение в криминалистике, педагогике. Особо успешно изобретение может использоваться при выявлении у человека возможно скрываемой им информации в ходе расследования преступлений (правонарушений), в процессе отбора и проверки нанимаемого на работу или работающего персонала.

Уровень техники

Для проведения психофизиологических исследований в медицине и других областях широко применяются различные устройства сбора и анализа физиологических реакций человека, к которым относятся полиграфы, анализаторы стрессов по голосу, тензометрические платформы и т.п. Эти устройства регистрируют и осуществляют обработку реакций человека на воспринимаемые им стимулы.

Из патента US 4940059 известен полиграф с улучшенной регистрацией кардиосигнала, который наряду с частотой сердечных сокращений использует информацию об артериальном давлении.

Из международной заявки WО03/057003 известен неинвазивный полиграф, основанный на оптическом анализе. Устройство генерирует серию импульсов в инфракрасном диапазоне, эти импульсы отражаются от субъекта, поступают на приемник, связанный с процессором, и подвергаются анализу, а результаты анализа отображаются на дисплее.

Устройство, раскрытое в публикации US 2007270659, позволяет дистанционно детектировать ложные сведения в информации, получаемой от испытуемого субъекта с использованием, по крайней мере, одного физиологического параметра, передаваемого на расстояние. Интерпретатор использует полиграфический инструмент для оценки физиологического параметра и информации.

Среди отечественных разработок можно выделить устройство по патенту RU2010326, которое использует целый рад параметров - динамику сердечно-сосудистой активности, дыхания, кожно-гальванические реакции. Устройство содержит микропроцессор, блок приема информации, датчики физиологических параметров. Однако достоверность этого устройства низка и не достаточна для получения надежного заключения.

Наиболее близким к настоящему изобретению является устройство контроля и оценки физиологических параметров по патенту RU2203614. Известное устройство содержит микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической активности, артериального давления, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, первый и второй цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой. Датчики через предварительные усилители, фильтры и усилители сигналов соединены с соответствующими входами коммутатора, управляющий вход которого связан с первой шиной микроконтроллера, а выход с первым входом инструментального усилителя, второй вход инструментального усилителя подключен к выходу первого ЦАП, третий вход - к выходу второго ЦАП, а выход - к входу АЦП, входы первого и второго ЦАП и группа входов-выходов АЦП связаны со второй шиной микроконтроллера, третья шина которого связана с блоком сопряжения с персональным компьютером. Это устройство позволяет получить данные о наличии в полученной информации ложных сведений с достаточно высокой достоверностью. Однако и это устройство не обеспечивает достаточную объективность результатов, применяется в узкой специфической области исследований, надежность его не высока, и, прежде всего устройство не удобно в эксплуатации ввиду трудностей обращения с датчиками физиологических параметров. Датчики приходится подгонять и перенастраивать под конкретного испытуемого, операторы быстро утомляются, что также сказывается на надежности результатов.

Краткое изложение сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании устройства контроля и оценки физиологических процессов, устраняющего отмеченные недостатки известных решений.

Технический результат, достигаемый при использовании представленного изобретения, заключается в повышении надежности и удобства эксплуатации. Конструкция датчиков и их совместное использование в ходе контроля физиологических процессов приводит к получению синергетического эффекта, объективно выражающегося в значительном сокращении времени на обследование и получение заключения и в снижении утомляемости оператора. Отмечена высокая достоверность заключений по результатам обследования с использованием представленного устройства.

Технический результат достигается за счет того, что в устройство контроля и оценки физиологических процессов, содержащее микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической реакции, артериального давления в виде микрофона, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, первый и второй цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой, при этом датчики через усилители и фильтры соединены с соответствующими входами коммутатора, управляющий вход которого связан с первой шиной микроконтроллера, а выход с первым входом инструментального усилителя, второй вход инструментального усилителя подключен к выходу первого ЦАП, третий вход - к выходу второго ЦАП, а выход - к входу АЦП, входы первого и второго ЦАП и группа входов-выходов АЦП связаны с второй шиной микроконтроллера, третья шина которого связана с блоком сопряжения с персональным компьютером, а микрофон через соответствующий предварительный усилитель и детектор огибающей подключен к соответствующему входу коммутатора, введен дополнительный канал, выполненный с возможностью подключения к его входу датчика по выбору оператора и включающий второй электронный коммутатор, к выходам которого подключены первый и второй подканалы обработки сигналов с соответствующего датчика, при этом первый подканал включает соединенные последовательно предварительный усилитель и фильтр, второй - предварительный усилитель, фильтр, усилитель сигналов и дополнительный фильтр, а выходы подканалов через третий электронный коммутатор, управляющим входом соединенный с микроконтроллером, подключены ко входу первого коммутатора, датчики кожно-гальванической реакции и сердечно-сосудистой активности размещены в одинаковых пластмассовых корпусах с подпружиненными крышками, при этом между каждой крышкой и основанием корпуса установлен шарнир, выполненный с возможностью установки датчиков на пальцах разных размеров, датчик кожно-гальванической реакции имеет два упомянутых корпуса, в каждом из которых размещен электрод, через внешний разъем соединенный с кабелем для связи с коммутатором, датчики грудного и брюшного дыхания включают датчик усилия, размещенный в пластмассовом корпусе, и стропы, имеющие возможность охвата грудной клетки испытуемого и передачи усилия на датчик усилия при их натяжении, при этом датчик сердечно-сосудистой активности представляет собой датчик плетизмограммы или датчик фотоплетизмограммы.

Технический результат усиливается за счет того, что датчик плетизмографии включает пьезоэлемент и толкатель, установленный с возможностью передачи воспринимаемого им усилия на пьезоэлемент, и вывода электрического сигнала, пропорционального производной силы воздействия на толкатель, через кабель, связанный с выводами пьезоэлемента.

Кроме того, технический результат усиливается за счет того, что датчик фотоплетизмограммы включает инфракрасный излучатель и фотоприемник светового потока, проходящего через периферические сосуды испытуемого.

Описание фигур чертежей

Сущность изобретения будет более понята из дальнейшего описания со ссылками на чертежи, на которых:

на фиг.1 представлена схема внешнего подключения устройства,

на фиг.2 показана функциональная схема устройства,

на фиг.3 иллюстрируется устройство датчика кожно-гальванической реакции,

на фиг.4 показано устройство датчика дыхания,

на фиг.5 - устройство датчика плетизмограммы, а

на фиг.6 устройство датчика фотоплетизмограммы.

Описание предпочтительного варианта изобретения

Устройство контроля и оценки физиологических процессов 1 рассчитано на работу совместно с персональным компьютером 2, который обеспечивает обработку и отображение получаемой информации, ее запись, хранение, печать результатов тестов.

Устройство 1 содержит датчик кожно-гальванической реакции 3, датчик грудного дыхания 4, датчик брюшного дыхания 5, датчик двигательной активности 7, датчик сердечно-сосудистой активности 6, который представляет собой датчик плетизмограммы или датчик фотоплетизмограммы, дополнительный канал 8 (для простоты описания датчик, подключенный в дополнительный канал, также иногда обозначается позицией 8) для подключения второго датчика кожно-гальванической реакции или датчика двигательной активности по выбору оператора, микрофон 9, датчик артериального давления 10. Выходы датчиков 3-7 и датчика дополнительного канала 8 подключены к предварительным усилителям 14-20 и далее к фильтрам 22-29, формирующим необходимую полосу пропускания. Генераторы тока 12 и 10 формируют ток порядка 2 мкА для работы датчиков кожно-гальванической реакции 3. Усилители 32, 33 и фильтр 35 и дополнительный фильтр 36 служат для выделения и дополнительного усиления фазической составляющей сигнала датчиков кожно-гальванической реакции 3 и 8, если в дополнительный канал подключен датчик кожно-гальванической реакции. Коммутаторы 11 и 38 служат для выбора типа датчика, подключенного к дополнительному каналу 8.

Микрофон 9 подключен к усилителю 21 и далее к детектору огибающей 30. Датчик артериального давления собран на основе интегрированного датчика давления Motorola, встроенного в устройство 1, и манжеты, соединяемой с устройством шлангом через пневморазъем. Фильтры 31, 37 и усилитель 34 усиливают сигнал с датчика и формируют необходимую полосу пропускания.

Сформированные сигналы датчиков через третий-четвертый коммутаторы 38, 39 и первый коммутатор 40 поступают на вход инструментального усилителя 43 (усилитель с регулируемым коэффициентом усиления). Инструментальный усилитель 43 позволяет согласовать размах сигналов датчиков 3-7, датчика канала 8, микрофона 9 и датчика 10 с входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя 45. Кроме того, усилитель служит для компенсации постоянной составляющей сигналов датчиков, для чего на один из его входов поступает напряжение с цифро-аналогового преобразователя 41 (ЦАП). ЦАП 42 служит для регулировки усиления инструментального усилителя. Выход усилителя подключен ко входу 12-разрядного АЦП 45. Управление ЦАП и АЦП осуществляется по шине 46 от микроконтроллера 48.

Микроконтроллер 48 служит для приема и предварительной обработки оцифрованных сигналов от АЦП 45, управления ЦАП 41, 42, управления коммутаторами по шине 47. Обмен цифровой информацией с персональным компьютером 2 осуществляется по шинам 49, 51 и 53 через гальваническую развязку 50 и USB драйвер 52.

Питание устройства осуществляется от шины USB персонального компьютера. Блок питания 54 представляет собой изолирующий конвертер 54+6 В±5 В, обеспечивающий гальваническую развязку от персонального компьютера 2, выходы которого подключены к стабилизаторам 55, формирующим соответствующие напряжения питания для блоков устройства 1 (связи не показаны). Со стабилизаторов 55 напряжение также подается на входные разъемы датчиков 4-8 (связи не показаны), что позволяет подключить к устройству активные датчики.

Датчики кожно-гальванической реакции 3, плетизмограммы и фотоплетизмограммы 6 конструктивно выполнены в виде одинаковых /однотипных пластмассовых корпусов 56 с подпружиненной крышкой 57. Шарнир 58 между крышкой 57 и основанием 58 корпуса 56 датчика позволяет устанавливать датчики на пальцы испытуемых, имеющие разные размеры. Такая конструкция позволяет быстро без подгонки устанавливать датчики и обеспечивает оптимальный прижим чувствительных элементов.

Датчик кожно-гальванической реакции имеет два корпуса 56, в каждом из которых установлен электрод 59. Датчик плетизмограммы имеет пьезоэлемент 60, усилие на который передается толкателем 61. Датчик фотоплетизмограммы имеет инфракрасный излучатель 62 и интегральный фотоприемник 63. Датчик дыхания состоит из датчика усилия 64, размещенного в пластмассовом корпусе 65, и строп 66. Такая конструкция позволяет быстро устанавливать датчик и имеет повышенную прочность от разрушения при избыточных усилиях на стропу.

Устройство используется следующим образом.

Выходы датчиков 3-10 через усилители и фильтры поочередно подключаются через коммутатор 40 к входу инструментального усилителя 43. С выхода инструментального усилителя 43 сигнал поступает на 12-разрядный АЦП 45.

Инструментальный усилитель 43 позволяет согласовать размах сигналов датчиков с входным диапазоном АЦП 45. Кроме того, усилитель 43 служит для компенсации постоянной составляющей сигналов датчиков, для чего на один из входов подается напряжение с первого ЦАП 41.

Первый коммутатор 04, АЦП 45, первый и второй ЦАП 41 и 42 управляются микроконтроллером 48. Значения усиления и смещения по каждому каналу передаются в микроконтроллер 48 из персонального компьютера по каналу. Микроконтроллер 48 производит первичную обработку сигналов датчиков и затем передает цифровую информацию в компьютер.

Перед включением устройства на различные участки тела испытуемого для регистрации физиологических параметров помещают соответствующие датчики.

В процессе тестирования испытуемому через определенные промежутки времени предъявляют ряд тестовых вопросов. Эти вопросы касаются склонностей, способностей, личностных качеств и имеют нейтральный, проверочный и контрольный характер. При предъявлении контрольных вопросов, ответ на которые не соответствует реальному положению, возникает эмоциональный всплеск, что через некоторый небольшой период времени выражается в скачкообразном изменении показателей. Измерения производятся непрерывно и информация о них передается через схему обработки на микроконтроллер и затем на персональный компьютер. Персональный компьютер производит накопление и обработку полученных данных и в соответствии с заложенной программой распечатывает предварительное заключение и полиграмму.

Микроконтроллер 48 осуществляет прием и обработку информации от персонального компьютера согласно протоколу обмена. Кроме того, он обеспечивает хранение значений усиления и смещения по каждому измерительному каналу, управление электропитанием, выбор измерительного канала, прием результатов преобразования и выдачу результатов преобразования в персональный компьютер, а также формирование тестового сигнала для контроля исправности датчиков и соединительных проводов.

Персональный компьютер 2 реализован в виде пакета прикладных программ, интегрированных в единую среду и обеспечивающих выполнение следующих функций: ввод сигналов контролируемых физиологических процессов и их визуализация (или их параметров) в виде графиков с масштабе реального времени, сохранение введенных данных для последующей работы с ними, просмотр полиграммы (сохраненных данных в графическом виде) в режиме диалога, вывод на печатающее устройство полученной полиграммы (в целом или фрагментарно), одновременный просмотр полиграмм двух обследований, ввод с клавиатуры дополнительных маркеров в системе реального времени, математическая обработка данных и формирование протокола обследования в табличной форме, просмотр, коррекция и вывод на печать сформированного протокола, создание библиотеки вопросников и их использование в процессе проведения психофизиологического обследования, автоматическое выделение вопросов, имеющих наибольшую эмоциональную значимость для испытуемого, написание и последующее редактирование оператором заключения по результатам обследования, вывод на печать.

Промышленная применимость

В схеме устройства использованы стандартные элементы, широко известные и описанные в патентной литературе датчики (кроме раскрытых здесь оригинальных), и блоки. Все элементы схемы устройства изготавливаются промышленно. Для специалиста не составит проблемы изготовить и использовать представленное устройство с учетом сведений, приведенных выше.

Следовательно, изобретение отвечает условию промышленной применимости.

1. Устройство контроля и оценки физиологических процессов, содержащее микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической реакции, артериального давления, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, микрофон, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, первый и второй цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой, при этом датчики через усилители и фильтры соединены с соответствующими входами коммутатора, управляющий вход которого связан с первой шиной микроконтроллера, а выход с первым входом инструментального усилителя, второй вход инструментального усилителя подключен к выходу первого ЦАП, третий вход - к выходу второго ЦАП, а выход - к входу АЦП, входы первого и второго ЦАП и группа входов-выходов АЦП связаны с второй шиной микроконтроллера, третья шина которого связана с блоком сопряжения с персональным компьютером, а микрофон через соответствующий предварительный усилитель и детектор огибающей подключен к соответствующему входу коммутатора, отличающееся тем, что в него введен дополнительный канал, выполненный с возможностью подключения к его входу датчика по выбору оператора и включающий второй электронный коммутатор, к выходам которого подключены первый и второй подканалы обработки сигналов с соответствующего датчика, при этом первый подканал включает соединенные последовательно предварительный усилитель и фильтр, второй - предварительный усилитель, фильтр, усилитель сигналов и дополнительный фильтр, а выходы подканалов через третий электронный коммутатор, управляющим входом соединенный с микроконтроллером, подключены ко входу первого коммутатора, датчики кожно-гальванической реакции и сердечно-сосудистой активности размещены в одинаковых пластмассовых корпусах с подпружиненными крышками, между каждой крышкой и основанием корпуса установлен шарнир, выполненный с возможностью размещения датчиков на пальцах разных размеров, датчик кожно-гальванической реакции имеет два упомянутых корпуса, в каждом из которых размещен электрод, через внешний разъем соединенный с кабелем для связи с коммутатором, датчики грудного и брюшного дыхания включают датчик усилия, размещенный в пластмассовом корпусе, и стропы, имеющие возможность охвата грудной клетки испытуемого и передачи усилия на датчик усилия при их натяжении, а датчик сердечно-сосудистой активности представляет собой датчик плетизмограммы или датчик фотоплетизмограммы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик плетизмограммы включает пьезоэлемент и толкатель, установленный с возможностью передачи воспринимаемого им усилия на пьезоэлемент и вывода электрического сигнала, пропорционального производной силы воздействия на толкатель, через кабель, связанный с выводами пьезоэлемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик фотоплетизмограммы включает инфракрасный излучатель и фотоприемник светового потока, проходящего через периферические сосуды испытуемого.