Система измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга

 

Система измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга. Изобретение относится к психологам. Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности и точности исследований выраженности психофизиологических компонентов индивидуальных особенностей вигоросной активности личности. В систему входят измерительный блок 1 датчиков, состоящий из датчика 2 электрокожного сопротивления, датчика 3 фотоплетизмограммы и датчиков 4 электроэнцефалограммы, трехканальный измерительный блок 5 сигналов, поступающих с измерительного блока 1 датчиков, трехканальный блок 6 обработки сигналов, поступающих с соответствующих датчиков измерительного блока 1, процессорный блок 7 психофизиологического состояния исследуемого с алгоритмами оценки сигналов от датчиков и построения графиков на мониторе 8, и связанный с блоком 7 блок 9 выбора комбинации звуковых стимулов, воздействующих на исследуемого через наушники 10. Система также содержит блок 16 определения параметров сигнала электрокожного сопротивления, блок 17 выделения RR-интервалов, блок 18 определения психоэмоционального состояния человека, вариометр 19 RR-интервалов, анализатор 20 состояния сердечно-сосудистой системы человека. 8 ил., 2 табл.

Изобретение относится к психологии, в частности - к области психофизиологии и экспериментальной психологии и может быть использовано для изучения и оценки особенностей протекания познавательных процессов и эмоционально-волевой сферы человека. Данное изобретение позволяет получать достоверную информацию об объективных и количественных показателях энергетической напряженности (вигоросности) в центральной нервной системе (ЦНС) человека. Система может использоваться во всех образовательных учреждениях, центрах реабилитации, занятости и карьеры, а также кабинетах психологической помощи населению для оценки сопротивляемости организма человека вредным воздействиям среды, для индивидуализации учебной нагрузки, в ходе профилактических осмотров и повышения эффективности мер коррекции и реабилитации психосоматических нарушений.

В настоящее время является актуальным комплекс вопросов, связанных с детерминантами социальной активности человека. С внедрением компьютерных технологий появилась возможность эффективного многостороннего анализа психофизиологических процессов и значительных информационных массивов в режиме реального времени. Это позволило создать алгоритмы управляемых экспериментов, на основе которых разработаны принципиально новые способы и средства исследования психической активности человека.

Для целей социологии, психологии, психотерапии, рекламы, обеспечения безопасности и для решения множества других прикладных и фундаментальных задач необходимы способы, которые позволили бы объективно и количественно фиксировать процессы, определяющие силу и направленность социальной активности, способность к преобразованию среды, противодействию внешним факторам, к творчеству, и, на этой основе, прогнозировать успешность обучения и деятельности.

Известно устройство для определения психофизиологического состояния человека, содержащее блок датчиков, имеющий размещенные с возможностью контакта с пальцами рук человека датчик электрокожного сопротивления и датчик фотоплетизмограммы, соединенные выходами со входами соответствующих каналов преобразования сигналов измерительного блока, подключенных своими выходами через, соответственно, первый канал обработки сигналов блока обработки сигналов, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации электрокожного сопротивления и включающий последовательно соединенные цифровой фильтр, дифференциатор, узел определения параметров сигнала электрокожного сопротивления и блок определения психоэмоционального состояния человека, и второй канал обработки сигналов блока обработки сигналов, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации фотоплетизмограммы и включающий последовательно включенные цифровой фильтр, дифференциатор, узел выделения RR-интервалов, вариометр RR-интервалов и анализатор состояния сердечно-сосудистой системы человека, ко входам анализатора психофизиологического состояния человека, и блок выбора комбинации тест-стимулов, воздействующих на человека - патент РФ 2214166, А61В 5/16, 2003 г.).

Недостатками известного устройства являются малая оперативность и недостаточная информативность и достоверность полученных результатов.

Прототипом изобретения является устройство для определения психофизиологического состояния человека, содержащее блок датчиков, имеющий датчик электрокожного сопротивления и датчик фотоплетизмограммы, соединенные выходами со входами соответствующих каналов преобразования сигналов измерительного блока, подключенных своими выходами через соответственно первый канал обработки сигналов блока обработки сигналов, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации электрокожного сопротивления и включающий последовательно соединенные цифровой фильтр, дифференциатор, узел определения параметров сигнала электрокожного сопротивления и блок определения психоэмоционального состояния человека, и второй канал обработки сигналов блока обработки сигналов, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации фотоплетизмограммы и включающий последовательно включенные цифровой фильтр, дифференциатор, узел выделения RR-интервалов, вариометр RR-интервалов и анализатор состояния сердечно-сосудистой системы человека ко входам анализатора психофизиологического состояния человека и блок выбора комбинации тест-стимулов, воздействующих на человека. Устройство имеет анализатор функциональных возможностей человека, блок датчиков имеет датчик артериального давления крови человека, выход которого подключен ко входу, по меньшей мере, одного дополнительного канала преобразования сигналов измерительного блока, соединенного выходом со входом дополнительного канала обработки сигналов блока обработки сигналов, включающего последовательно соединенные узел выделения пульсограммы из осциллометрического сигнала, соответствующего значению артериального давления крови, узел регистрации систолического и диастолического давления крови и узел определения индекса артериального давления крови, при этом выход анализатора психофизиологического состояния человека и выход дополнительного канала обработки сигналов, являющийся выходом узла регистрации индекса артериального давления крови, связаны со входами анализатора функциональных возможностей человека, который выходом подключен ко входу блока выбора комбинации тест-стимулов, воздействующих на человека-патент РФ 42411, А61В 5/16, 2004 г.

Недостаток известного устройства заключается в том, что реализуемый им алгоритм не позволяет установить достоверность полученной информации об испытуемом. Это обусловлено тем, что в устройстве отсутствует обратная связь, позволяющая проверить достоверность реакции тестируемого путем регистрации ответной реакции на новом стимуле, отличном от предыдущего или серии предыдущих стимулов.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который выражается в минимизации влияния субъективных и случайных факторов на физиологические реакции при предъявлении стимулов за счет адаптации базы семантических стимулов к исследуемому, в обеспечении возможности коррекции психоэмоциональных состояний путем воздействия на семантическую составляющую последовательным предъявлением в осознаваемом виде выявленных достоверных семантических стимулов.

В конечном итоге, указанный технический результат заключается в повышении эффективности и точности исследований выраженности психофизиологических компонентов индивидуальных особенностей вигоросной активности личности.

Указанный технический результат достигается тем, что в систему измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга, содержащую датчик электрокожного сопротивления (КГР), датчик фотоплетизмограммы (ФПГ), измерительный блок, блок обработки сигналов, при этом выход датчика электрокожного сопротивления подключен, через первый канал измерительного блока, к первому каналу блока обработки сигналов, включающему последовательно соединенные фильтр и блок определения параметров сигнала электрокожного сопротивления, подключенный к процессорному блоку, выполненному с функцией демонстрации параметров электрокожного сопротивления на экране, выход датчика фотоплетизмограммы подключен, через второй канал измерительного блока, ко второму каналу блока обработки сигналов, включающему последовательно соединенные фильтр и блок выделения RR-интервалов, подключенный к процессорному блоку, выполненному с функцией демонстрации параметров RR-интервалов на экране, блок выбора комбинации стимулов, воздействующих на человека, и исполнительный блок демонстрации комбинации стимулов, дополнительно введены датчики электроэнцефалограммы (ЭЭГ), подключенные своим выходами, через третий канал измерительного блока, к третьему каналу блока обработки сигналов, включающему последовательно соединенные фильтр и блок определения параметров этих сигналов, подключенный к процессорному блоку, выполненному с функцией демонстрации параметров электроэнцефалограммы на экране, при этом блок выбора комбинации стимулов выполнен с возможностью формирования серий из 80 звуковых стимулов разной частоты или серий из 40 звуковых стимулов одинаковой частоты, исполнительный блок демонстрации комбинации стимулов представляет собой наушники, процессорный блок выполнен с функциями отображения регистрируемых сигналов по трем каналам в виде графиков и определения показателей энергетической напряженности в подсистемах головного мозга для канала передачи сигналов электрокожного сопротивления по величине мощности спектра сигналов в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов, для канала передачи сигналов электроэнцефалограммы по величине амплитуд в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12идо окончания каждой серии звуковых стимулов, а для канала передачи сигналов фотоплетизмограммы по величине дисперсии R-R интервалов в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов.

Настоящее изобретение иллюстрируется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

На фиг.1 - элементы регистрации и преобразования системы измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга путем полиграфической регистрации компонентов ориентировочной реакции;

фиг.2 - ноутбук с демонстрационным экраном системы измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга путем полиграфической регистрации компонентов ориентировочной реакции;

фиг.3 - график регистрации вызванных потенциалов (ВП), отображение на экране ноутбука;

фиг.4 - график регистрируемой кожно-гальванической реакции (КГР), отображение на экране ноутбука;

фиг.5 - график регистрируемой фотоплетизмограммы (ФПГ), отображение на экране ноутбука;

фиг.6 - динамика ВП, ФПГ и КГР в процессе угашения ориентировочной реакции в ответ на незначимые (индифферентные) звуковые щелчки, зарегистрированная у 148 испытуемых.

фиг.7 - пример визуализации распределения параметров по серии обследования;

фиг.8 - пример системы измерения энергетической напряженности в

подсистемах головного мозга в виде блок-схемы.

Согласно настоящему изобретению, рассматривается система измерения энергетической напряженности (вигоросности) в подсистемах головного мозга путем полиграфической регистрации компонентов ориентировочной реакции.

Основной предпосылкой для организации исследования вопроса получения информации о вигоросности личности послужило уточненное понимание пассионарности и введение нового понятия - вигоросности. В результате исследований установлено, что в современных психофизиологических, психологических и социально-психологических определениях пассионарности скрывается понимание двух принципиально разных явлений.

Одно из них носит социально-исторический характер и проявляется в наличии в определенном месте и в определенное время заметного числа людей с особыми качествами, сопровождается экономическими, культурными, социальными, духовными и иными преобразованиями. Это - собственно пассионарность. Другое явление характеризует энергетический потенциал конкретных людей и их стремление к участию в пассионарном явлении, осуществлению пассионарных преобразований, как всего этноса, так и отдельных его групп. Такие особенности личности не обязательно приводят к пассионарности как социально-историческому явлению, но являются необходимой предпосылкой последней. Для того, чтобы разделить эти два явления, было предложено обозначить это личностное явление термином «вигоросность» (от лат.vigorous - бодрый, сильный, энергичный) - качество личности, характеризующееся высокой энергичностью, активностью, стремлением к достижению цели и преодолению препятствий.

В ходе исследований было предложено понимание вигоросности как высокой активности, сочетающейся с особенностями ценностно-смысловой сферы. Принцип активности в настоящее время рассматривается в качестве основы современной психофизиологии. Современные исследования показывают, что шкала активного поведения индивида развивается в континууме, на одном конце которого находится ориентировочная реакция (ОР) - максимальная неопределенность, поскольку вероятности всех гипотез равны, а на другом - условный рефлекс (УР) максимальная определенность: вероятность одной гипотезы равна единице, а всех остальных - нулю. Следовательно, если УР есть максимальная реактивность ЦНС - полностью автоматизированное действие (стимул - реакция), то ОР есть проявление активности ЦНС - формирование готовности к действию при отсутствии высоковероятной модели будущего.

Таким образом, энергетические ресурсы в ЦНС человека, с позиций современной психофизиологии, перераспределяются от максимальных затрат на вигоросную активность до затрат, необходимых для стереотипного поведения. Это означает, что основой разработки объективной и количественной шкалы энергетической напряженности, отражающей уровень вигоросности, должна стать ОР - единственный известный на сегодня механизм перераспределения энергетических ресурсов для активного удовлетворения мотиваций и достижения значимых целей.

Согласно классическим представлениям, ОР возникает при рассогласовании между поступающей сенсорной информацией и моделью стимула, сформированной на базе интеграции ранее поступившей сенсорной информации - это ОР на новую информацию. Она постепенно угашается при повторении одного и того же сенсорного сигнала, потому что формируется новая включающая этот стимул модель и исчезает различие между стимулом и моделью. Ограниченность трехкомпонентной ОР - стимул, его модель и их сравнение, состоит в том, что трудно представить себе, как нервная система может выполнять такую задачу при огромном количестве стимулов, поступающих в мозг в каждый данный момент. Важным для понимания вигоросности является то обстоятельство, что угашение ОР может не происходить, если стимул, утратив качество новизны, остается значимым для субъекта. Именно значимость стимула определяет выраженность и генерализацию ОР у вигороса при предъявлении информации, прямо или косвенно связанной с вигоросным характером активности.

Значимость является наиболее важным фактором генерации ОР, и новый стимул вызывает ОР только потому, что любая новая информация является потенциально значимой и может потребовать изменения характера активного поведения. Таким образом, угашение ОР является очень удобной психофизиологической моделью, отражающей перераспределение энергетических ресурсов при переходе от активного состояния ЦНС к реактивному.

Активационный компонент в структуре ОР является самым ранним и быстро угасающим феноменом. Он отражает прямые неспецифические активирующие влияния ствола мозга и таламуса на подсистемы более высокого уровня. Этот компонент важен, поскольку только при определенной (оптимальной) его выраженности, возможна реализация таких тонких психофизиологических механизмов, как внимание, восприятие, оценка новизны стимулов, фиксация прагматической информации в памяти и т.д. Резкое увеличение или, наоборот, чрезмерное снижение выраженности активационного компонента ОР дезорганизует или блокирует обучение и запоминание.

В экспериментах на животных было показано, что при раздражении ретикулярной формации и неспецифического таламуса в коре головного мозга возникает неспецифическая активация. Эту реакцию легко наблюдать по депрессии альфа-ритма (ДАР) ЭЭГ, ЭКГ, ФПГ и пневмограммы (дыхание).

Таким образом, увеличение ФПГ в ответ на внешнее воздействие в состоянии спокойного бодрствования испытуемого означает привлечение энергетического ресурса для активации неспецифического глобального уровня бодрствования и для обеспечения реактивных процессов. Это означает, что только активационный компонент ОР, функциональное значение которого связано с механизмами неспецифических, непроизвольных, неселективных, реактивных процессов не может быть взят за основу разработки шкалы энергетического напряжения, обеспечивающего высокий уровень вигоросности.

Выявление признаков преобладания, например, реактивного внимания у человека будет свидетельствовать о нарушениях, связанных с синдромом дефицита внимания (СДВ). Вместе с тем для оценки энергетического напряжения у вигоросов важно, чтобы уровень напряжения в активационной подсистеме мозга был оптимальным.

Эволюционно активные механизмы ЦНС возникли в связи с необходимостью (с целью энергосбережения) оптимально распределять всегда ограниченные клеточные ресурсы. Это отчетливо можно наблюдать у представителей разных видов животных в процессе филогенетического развития. В настоящее время принято считать, что эмоционально-мотивационная подсистема является первичным «фильтром» поступающей информации. Она санкционирует дальнейшую углубленную переработку информации в случае установления ее значимости. Работу эмоционально-мотивационной подсистемы обеспечивают срединные структуры мозга, входящие в состав круга Пейпица. Объективной и количественной мерой активности эмоционально-мотивационной подсистемы мозга является наличие и выраженность кожно-гальванической реакции - КГР. Таким образом, на уровне круга Пейпица заканчивается генерализованная фаза ОР и, следовательно, реализация неспецифических, реактивных и неоправданно энергоемких процессов.

В период реализации активных процессов определяется, прежде всего, значимость раздражителя. За счет этого когнитивная деятельность концентрируется в значимом направлении и одновременно отвлекается от всего остального, чем достигается резкое повышение КПД ЦНС. Когнитивная подсистема мозга является механизмом углубленной переработки только той информации, которая на предыдущем этапе была определена в качестве значимой. В период работы когнитивной подсистемы вырабатываются новые когнитивные навыки, интегрируются уже имеющиеся когнитивные навыки для оценки вероятности позитивного результата деятельности организма, выбирается оптимальная схема действий и осуществляется принятие решения. Работу когнитивной подсистемы мозга обеспечивают, главным образом, корково-подкорковые структуры, а степень ее активации оценивают по амплитуде и латентным периодам поздних (после 50 мс) компонентов вызванных потенциалов - ВП (чаще всего по вертекс-потенциалу).

Таким образом, в силу активного, а не реактивного, характера механизмов эмоционально-мотивационной и когнитивной подсистем головного мозга они могут быть взяты за основу разработки шкалы энергетического напряжения вигоросности. Это означает, что степень вигоросного напряжения является функцией одновременно трех переменных - КГР, ВП и ФПГ, и для количественной его оценки необходима одновременная (полиграфическая) регистрация этих показателей.

В результате изучения опубликованных данных теоретически у лиц с высокими значениями вигоросности следует ожидать:

- оптимальное напряжение в активационной подсистеме мозга, позволяющее задействовать более широкий спектр механизмов из эмоционально мотивационной и когнитивной подсистем;

- повышенное относительно нормы напряжения в эмоционально мотивационной подсистеме мозга, в ответ на значимые ситуации и, наоборот, резкое снижение напряжения на незначимые;

- повышенное напряжение в когнитивной подсистеме, обеспечивающее более быструю и детальную переработку значимой информации.

Оценка компонентов ориентировочной реакции осуществляется с помощью системы измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга (вигоросности) путем полиграфической регистрации компонентов ориентировочной реакции.

Система состоит из: быстродействующего аналогово-цифрового преобразователя, трехканального усилителя, наушников, сенсорных датчиков, соединительных проводов (фиг.1), интерфейса и программного обеспечения, установленного на ноутбуке (фиг.2).

Исследование с использованием системы проводилось по специально разработанной методике. Испытуемые находились в положении сидя, расслабившись, с закрытыми глазами. Им сообщалось, что во время исследования будут предъявлять серии щелчков без необходимости реагировать на них - состояние спокойного бодрствования. КГР, ВП и ФПГ регистрировали в ответ на щечки, подаваемые со случайным межстимульным интервалом от 3,5 до 7,6 с.

КГР по И.О.Тарханову регистрировали неполяризующимися электродами площадью 5 см2. Для анализа КГР в записи выделялся 4-х секундный фрагмент, что при частоте дискретизации (оцифровки) сигнала 500 Гц соответствует 2048 отсчетам. Длина интервала в 4 секунды выбрана исходя из длительности постоянной составляющей периода возникновения звукового стимула.

Показателем энергетического напряжения в эмоционально-мотивационной подсистеме испытуемых являлась мощность спектра КГР в ответ на 10 последовательных стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов.

ВП регистрировали монополярно хлорсеребряными электродами в отведении Cz по отношению к потенциалу мочки уха. Использовалась стандартная методика выделения ВП из ЭЭГ. Стандартная методика реализована в полиграфе еще и потому, что с помощью нее наработан большой нормативный материал по характеристикам ВП, что существенно облегчает контроль когнитивной сферы.

Показателем энергетического напряжения в когнитивной подсистеме испытуемых являлась амплитуда N1-P2 компонентов ВП в ответ на 10 последовательных стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов.

Существуют две разновидности метода регистрации ФПГ - ФПГ в отраженном свете и ФПГ в проходящем свете. В системе используется методика, основанная на отраженном свете. ФПГ регистрировали стандартно с указательного пальца правой руки. В качестве информативного параметра при обработке сигнала пульсового кровенаполнения выбрана вариабельность сердечного ритма, которую можно рассчитать исходя из анализа R-R интервалов.

Показателем энергетического напряжения в активационной подсистеме являлась дисперсия R-R интервалов в ответ на 10 последовательных стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 до окончания каждой серии звуковых стимулов.

Примеры регистрируемых ВП, КГР и ФПГ приведены на фиг.3, 4 и 5, соответственно. Продолжительность всей регистрации электрофизиологических показателей составляла 20-30 минут.

Реализация КГР, ВП и ФПГ - компонентов ОР, зарегистрированных с помощью системы в ответ на индифферентный стимул (фиг.6) у 148 испытуемых выявила, что экспоненциальный или близкий к экспоненте характер угашения является закономерным для всех компонентов ОР. Данные нормированы по величине первой реакции на стимул (ордината). По оси абсцисс - порядковый номер суммации; от 1 по 10, от 2 по 11, 3-13 и т.д. При этом декремент угашения ВП и ФПГ практически не отличаются. Хотя декремент угашения ФПГ после седьмой суммации нужно, по-видимому, рассматривать как усредненный тренд, нивелирующий отдельные оживления ФПГ-компоненты ОР. Ни один из зарегистрированных компонентов ОР не обнаружил двухфазного характера угашения, как это можно было предположить на основе анализа опубликованных данных.

Таким образом, с помощью системы можно получить комплексную картину перераспределения энергетических напряженностей в основных подсистемах головного мозга человека при переходе от активного состояния ЦНС к реактивному в ответ на предъявление новых индифферентных стимулов. При этом для ФПГ нормативом является:

- порядковый номер суммации угашения - 7;

- относительный размах изменений в процессе угашения - 10%;

- характер угашения - близкий к линейному. Нормативами для угашения ВП являются:

- порядковый номер суммации угашения - 30;

- относительный размах изменений в процессе угашения - 20%;

- характер угашения - слабовыраженный экспоненциальный. Нормативами для угашения КГР являются:

- порядковый номер суммации угашения - 15;

- относительный размах изменений в процессе угашения - 55%;

- характер угашения - экспоненциальный.

Повторное предъявление индифферентных щелчков вызывало у всех испытуемых постепенное уменьшение амплитуды ВП, спектра мощности КГР и дисперсии R-R интервалов ФПГ - это «привыкание» (habituation). В настоящее время выделяют два типа привыкания - "быстрое" и "медленное".

Первое из них определятся как снижение выраженности компонентов ОР в пределах первой серии стимулов (внутрисериальное, фиг.6). Быстрое привыкание резко усиливается в связи с регулярным предъявлением стимулов и уменьшением межстимульного интервала (от 3 с и менее). Оно прекращается при изменении интенсивности, длительности, частоты, положения в пространстве раздражителя.

Второй тип привыкания - межсериальный, является суммацией процессов "быстрого" привыкания, менее связан с модальностью стимула, развивается не зависимо от регулярности предъявления раздражителя и величины межстимульных интервалов (от 3 с до 33 с), прекращается при изменении функциональной значимости стимулов, сохраняющих неизменными физические характеристики.

В соответствии с имеющимися в современной научной литературе данными о функциональном значении быстрого и медленного привыкания, это означает, что в течение первого тестирования с помощью системы в головном мозге реализуются механизмы: активации, внимания, восприятия, оценки новизны и значимости стимулов и принятия решения (быстрое привыкание). Изменения от тестирования к тестированию (медленное привыкание) является отражением механизмов:

обращения к памяти, выбора необходимой информации, сличения с текущей деятельностью и также принятия решения.

Данные результаты исследований получены с помощью системы измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга путем полиграфической регистрации компонентов ориентировочной реакции.

Согласно настоящему изобретению, рассматривается конкретная реализация системы измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга, представленная в виде блок-схемы на фиг.8.

В систему входят измерительный блок 1 датчиков, состоящий из датчика 2 электрокожного сопротивления, датчика 3 фотоплетизмограммы и датчиков 4 электроэнцефалограммы, трехканальный измерительный блок 5 сигналов, поступающих с измерительного блока 1 датчиков, трехканальный блок 6 обработки сигналов, поступающих с соответствующих датчиков измерительного блока 1, процессорный блок 7 психофизиологического состояния исследуемого с алгоритмами оценки сигналов от датчиков и построения графиков на мониторе 8, и связанный с блоком 7 блок 9 выбора комбинации звуковых стимулов, воздействующих на исследуемого через наушники 10.

На фиг.8 также показаны цифровые шумоподавляющие фильтры 11, усилители 12, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 13, цифровые фильтры 14, дифференциаторы 15, блок 16 определения параметров сигнала электрокожного сопротивления, блок 17 выделения RR-интервалов, блок 18 определения психоэмоционального состояния человека, вариометр 19 RR-интервалов, анализатор 20 состояния сердечно-сосудистой системы человека.

Датчики 2, 3, 4 соединены выходами со входами соответствующих каналов блоков 5, 6.

Первый канал блоков 5, 6, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации электрокожного сопротивления, включает последовательно соединенные шумоподавляющий фильтр 11, усилитель 12, АЦП 13, цифровой фильтр 14, дифференциатор 15 и блок 16 определения параметров сигнала электрокожного сопротивления.

Второй канал блоков 5, 6, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации фотоплетизмограммы, включает последовательно соединенные шумоподавляющий фильтр 11, усилитель 12, АЦП 13, цифровой фильтр 14, дифференциатор 15, блок 17 выделения RR-интервалов, вариометр 19 RR-интервалов и анализатор 20 состояния сердечно-сосудистой системы человека.

Третий канал блоков 5, 6, соответствующий каналу преобразования сигналов для регистрации электроэнцефалограммы, включает последовательно соединенные шумоподавляющий фильтр 11, усилитель 12, АЦП 13, цифровой фильтр 14, дифференциатор 15 и блок 18 определения психоэмоционального состояния человека.

Эти каналы подключены к процессорному блоку 7, выполненному с функцией демонстрации по трем каналам на экране параметров электрокожного сопротивления и RR-интервалов и параметров сигналов для электроэнцефалограммы в виде графиков и определения показателей энергетической напряженности в подсистемах головного мозга в соответствии с алгоритмами:

- для канала передачи сигналов электрокожного сопротивления по величине мощности спектра сигналов в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов,

- для канала передачи сигналов для электроэнцефалограммы по величине амплитуд в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов,

- для канала передачи сигналов фотоплетизмограммы по величине дисперсии R-R интервалов в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов.

Блок 9 выбора комбинации звуковых стимулов выполнен с возможностью формирования серий из 80 звуковых стимулов разной частоты или серий из 40 звуковых стимулов одинаковой частоты.

Исполнительный блок демонстрации комбинации стимулов представляет собой наушники 10.

Система предназначена для одновременной регистрации и автоматизированной компьютерной обработки сигналов кожно-гальванической реакции (датчик 2 электрокожного сопротивления), фотоплетизмограммы (датчик 3 фотоплетизмограммы) и электроэнцефалограммы (датчики 4 ЭЭГ) с целью проведения обследований функциональной организации нервной системы человека. Система предназначена для индивидуальных и массовых скрининг обследований в условиях моделирования стимулирующих воздействий (звуковой стимуляции).

Аппаратное обеспечение системы, совместно с программным модулем регистрации и отображения, обеспечивает предварительное преобразование, обработку передаваемых потоков данных в цифровой вид в реальном масштабе времени и вывод регистрируемых физиологических сигналов на экран дисплея (монитор) ПЭВМ (ноутбук).

Ниже приводится пример конкретной реализации системы, представленной на фиг.1 и 2.

Система состоит из быстродействующего аналогово-цифрового преобразователя, трехканального усилителя, составляющих аппаратную часть системы, наушников (аудио стимулятор), сенсорных датчиков (датчик ФПГ, датчик КГР), составляющих блок испытуемого, и соединительных проводов (кабель ЭЭГ, интерфейсный кабель к ПЭВМ) (фиг.1), интерфейса и программного обеспечения, установленного на ПЭВМ (ноутбуке) (фиг.2). Технические характеристики системы приведены в таблице 1.

Таблица 1
КаналПараметрыЗначения
ЭЭГКоличество каналов1
Входной импеданс не менее 100 МОм
Динамический диапазон измерения сигнала от 500 мВ до 500 мкВ
Напряжение шумов не более 3 мкВ
Межканальное затухание не менее 60 дБ
Полоса пропускания 0,2500 Гц
Нелинейность АЧХ не хуже 5%
Коэффициент ослабления синфазного сигнала не менее 110 дБ
КГРКоличество каналов1
Амплитуда измерительного тока не более 50,0 мкА
Динамический диапазон измерения сигнала 10-100000 Ом
Постоянная времени не менее 10 с
Верхняя граница полосы пропускания не менее 35 Гц
ФПГКоличество каналов1
Принцип регистрации сигнала отражательный
Полоса пропускания 0.535 Гц
Связь с компьютером RS-232 (СОМ-порт)

В таблице 2 приведены технические характеристики ПЭВМ.

Таблица 2
ОСWindows 95/98/2000/XP
ПроцессорМинимум: 750 MHz
Рекомендуется: PENTIUM III и выше
ПамятьМинимум: 128 Mb
Рекомендуется: 512 Mb
Жесткий дискМинимум:10 Gb
Рекомендуется: 40 Mb и выше
Свободный объемМинимум: 512 Mb
жесткого дискаРекомендуется: 1 Gb
ВидеокартаМинимум: SVGA
Монитор Минимум: 15", 60 Hz, dot pitch 0.28
Рекомендуется: 17", 70 Hz, dot pitch 0.26
ПортыМинимум: 1 serial port (СОМ)
Рекомендуется: 1 parallel port (LPT) и 2 serial ports (СОМ),

Система обеспечивает одновременную регистрацию по трем каналам сигналов электроэнцефалограммы, кожно-гальванической реакции, фотоплетизмограммы и передачу цифровых данных через модуль сопряжения в ПЭВМ по интерфейсу RS-232. Регистрация кожно-гальванической реакции производится с использованием электродов, выполненных из нержавеющей стали. Электроды КГР, ЭЭГ и датчик ФПГ имеют присоединительные и установочные элементы, обеспечивающие закрепление на теле испытуемого. Электроды ЭЭГ выполнены по ГОСТ 25995-83 и располагаются на поверхности головы и ухе.

В составе аппаратного обеспечения системы предусмотрены калибровочные устройства для поверки технических характеристик канала ЭЭГ. Калибровочное устройство для канала ЭЭГ построено на основе генератора Вина и обеспечивает подачу тестового сигнала 1 мВ 10 Гц по каналу ЭЭГ. Работа калибровочных устройств обеспечивается микроконтроллером и производится при посылке соответствующих команд от ПЭВМ. Калибровочное устройство предназначено для поверки следующих технических характеристик:

- коэффициента ослабления синфазного сигнала;

- динамического диапазона каналов усиления измерительного преобразователя;

- постоянной времени;

- межканального затухания;

Поверка полосы пропускания канала ЭЭГ может быть произведена как с использованием калибровочного устройства, входящего в состав аппаратного обеспечения, так и специализированного функционального генератора с диапазоном частот от 0,01 до 10000 Гц. Погрешность установки частот +/-0,5% Погрешность установки амплитуды выходного сигнала +/-3%. Коэффициент нелинейных искажений +2% по ТУ 42-2-561-89.

Поверка шумовых характеристик канала ЭЭГ производится по следующей методике: аналоговые входы каждого канала последовательно объединяются и подключаются к общей точке схемы, коэффициент усиления каналов устанавливается максимальным. Контролируется величина напряжения шумов от пика до пика по каждому каналу.

Подготовка испытуемого и системы к регистрации электрофизиологических сигналов проводится следующим образом.

1. Расположить электроды регистрации КГР на внутренние части вторых фаланг указательного и безымянного пальцев правой руки.

2. Расположить датчик регистрации ФПГ на окончание среднего пальца правой руки.

3. Расположить предварительно смоченный мостиковый электрод на вертекс (в качестве крепления использовать ЭЭГ шлем).

4. Подключить общий провод канала ЭЭГ к электроду, размещаемому на мочке уха.

5. Включить мониторинг в программном модуле.

Программа управления и визуализации построена по модульному типу. Основные установки режимов работы аппаратной части, визуализации сигналов и сохранения данных производятся с помощью меню.

Для настройки внешней звуковой стимуляции аппаратного обеспечения предусмотрена настройка частоты длительности и времени возникновения звуковых стимулов и настройка как значимых, так и незначимых звуковых раздражителей. Настройка серии предусматривает, что постоянная часть периода возникновения стимула не может быть меньше 4 секунд, девиация по времени находиться в диапазоне от 0 до значения переменной составляющей.

После настройки параметров обследования и калибровки устройства можно переходить к началу регистрации сигналов. Для этого необходимо активизировать мониторинг сигналов, после чего система включит питание каналов и на экране появятся значения сигналов ЭЭГ, КГР и ФПГ.

В системе имеется возможность проводить два типа обследований:

1. Обследование со звуковыми стимулами разной частоты - значимые и незначимые стимулы. При этом испытуемому предъявляется серия, состоящая из 80 звуковых стимулов, предоставляемых в случайном порядке. В серии предлагается оценить количество значимых стимулов путем подсчета.

2. Обследование со звуковыми стимулами одинаковой частоты - незначимые стимулы. В серии испытуемый не производит оценку числа стимулов.

Если серия текущего обследования была проведена полностью, система автоматически остановит запись и позволит начать обработку полученных результатов. Если в серии были замечены артефакты движения, участки с высоким уровнем шума, то в программе предусмотрена функция редактирования исходных данных путем отбраковки неудачных фрагментов (цифровой фильтр).

После обработки каждого из сигналов на активной панели появляется окно с визуализацией распределения параметров по серии обследования. Пример такого окна представлен на фиг.7. Анализ позволяет визуализировать 30 блоков, полученных путем усреднения 40 звуковых стимулов. Каждый блок содержит усредненное значение по 10 стимулам. Если обследование проводиться по Серии 80, то в качестве результатов представляются расчеты по значимым стимулам. Полученные тем самым результаты будут представлены в виде текстовых данных.

В зависимости от условий выделения, могут быть выделены ответы, относящиеся к разным уровням слухового анализатора. Весь ответ слухового анализатора может быть представлен:

- коротколатентными слуховыми ВП (АСВП) - первые 10 мс;

- среднелатентными ВП (САВП) - от 10 до 50 мс;

- длиннолатентными слуховыми ВП (ДСВП) - больше 50 мс.

В нашем случае мы имеем дело с длиннолатентными ВП и анализируем ВП по времени до 500 мс. Время, соответствующее 500 мс, составляет 250 отсчетов сигнала, следовательно, анализу подвергается выборка в диапазоне от 0 до 250 отсчетов.

Для усреднения последовательно выбираются блоки по 250 точек, соответствующие по времени возникновению звукового стимула.

Общую формулу для заполнения массива ВП можно представить в виде:

, при изменении 1 в диапазоне от 0 до 250.

Каждый ВП рассчитывается по блоку в 10 стимулов, а пересчет последующего ВП производится по алгоритму: удаление первого и добавление последующего в анализируемый блок.

Для ослабления вклада сетевой наводки в спектр сигнала перед выделением ВП была проведена фильтрация сигнала нерекурсивным цифровым фильтром скользящего среднего: , где , fd=500 Гц Результат выделения ВП из сигнала ЭЭГ представлен на фиг.3. В качестве информативного параметра при анализе сигнала КГР была принята его энергетическая характеристика. Для ее определения был предложен следующий алгоритм. Для каждого стимула в анализируемой записи был выделен 4-х секундный фрагмент, включающий 2048 отсчетов сигнала. Длина интервала в 4 секунды была выбрана, исходя из длительности постоянной составляющей периода возникновения звукового стимула.

В анализе использовался спектр сигнала КГР. Фрагмент сигнала предварительно обрабатывался сглаживающим окном вида для устранения краевых эффектов Гиббса.

На следующем этапе производилось суммирование спектральных компонент сигнала в диапазоне частот до 10 Гц.

Алгоритм суммирования следующий:

Нижняя частота анализируемого сигнала определяется длительностью наблюдения в 4 секунды, что соответствует частоте 0.25 Гц. Верхняя частота анализируемого сигнала 2 Гц. Соответствие отсчетов спектра реальным частотам: 2048 отсчетов соответствует 500 Гц.

Соответственно, 41 отсчет спектра соответствует частоте 10 Гц. Формула для определения энергии сигнала в диапазоне от 0.25 Гц до 10 Гц:

, где i - отсчеты сигнала в спектральной области.

Для каждого стимула определялась характеристика S0.25_10. Для блока из 10 стимулов совокупность характеристик усреднялась по формуле:

, где S0,25_10-j усредненная энергетическая характеристика по блоку из 10 стимулов в серии.

S0.25_10-j сохраняется в результатах обследования

Обработка сигнала ФПГ.

В качестве информативного параметра при обработке сигнала пульсового кровенаполнения была выбрана вариабельность сердечного ритма, которую можно рассчитать, исходя из анализа R-R интервалов.

Для определения R-R интервалов в сигнале ФПГ использовался адаптивный алгоритм анализа первой производной сигнала со скользящим порогом.

Далее по совокупности R-R интервалов в диапазоне периода между стимулами определялось СКО по формуле: , где представлена несмещенная оценка дисперсии частоты сердечного ритма.

Анализируется количество сердечных циклов между стимулами и рассчитывается значение для каждого периода.

Для блока из 10 стимулов совокупность характеристик усреднялась по формуле:

, где -j усредненная дисперсия частоты сердечного ритма по блоку из

10 стимулов в серии.

- j сохраняется в результатах обследования.

Настоящее изобретение промышленно применимо.

Система измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга для определения психофизиологического состояния человека позволяет повысить оперативность, достоверность и информативность определения психофизиологического состояния человека, а также обеспечить прогнозирование уровня вигоросной активности человека.

Система измерения энергетической напряженности в подсистемах головного мозга, содержащая датчик электрокожного сопротивления, датчик фотоплетизмограммы, измерительный блок, блок обработки сигналов, при этом выход датчика электрокожного сопротивления подключен через первый канал измерительного блока к первому каналу блока обработки сигналов, включающему последовательно соединенные фильтр и блок определения параметров сигнала электрокожного сопротивления, подключенный к процессорному блоку, выполненному с функцией демонстрации параметров электрокожного сопротивления на экране, выход датчика фотоплетизмограммы подключен через второй канал измерительного блока ко второму каналу блока обработки сигналов, включающему последовательно соединенные фильтр и блок выделения RR-интервалов, подключенный к процессорному блоку, выполненному с функцией демонстрации параметров RR-интервалов на экране, блок выбора комбинации стимулов, воздействующих на человека, и исполнительный блок демонстрации комбинации стимулов, отличающаяся тем, что дополнительно введены датчики электроэнцефалограммы, подключенные своими выходами через третий канал измерительного блока к третьему каналу блока обработки сигналов, включающему последовательно соединенные фильтр и блок определения параметров этих сигналов, подключенный к процессорному блоку, выполненному с функцией демонстрации параметров электроэнцефалограммы на экране, при этом блок выбора комбинации стимулов выполнен с возможностью формирования серий из 80 звуковых стимулов разной частоты или серий из 40 звуковых стимулов одинаковой частоты, исполнительный блок демонстрации комбинации стимулов представляет собой наушники, процессорный блок выполнен с функциями отображения регистрируемых сигналов по трем каналам в виде графиков и определения показателей энергетической напряженности в подсистемах головного мозга для канала передачи сигналов электрокожного сопротивления по величине мощности спектра сигналов в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов, для канала передачи сигналов электроэнцефалограммы по величине амплитуд в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов, а для канала передачи сигналов фотоплетизмограммы по величине дисперсии R-R интервалов в ответ на 10 последовательных звуковых стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 и до окончания каждой серии звуковых стимулов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для измерения артериального давления и пульса

Предлагаемое улучшение по фиксации и упаковки электродов относится к области медицины, а именно к функциональным исследованиям, в частности миографии, и может быть использована в стоматологии для исследования жевательной мускулатуры.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для контроля и измерения параметров приемников давления, в частности манометров индуктивных, к проведению приемо-сдаточных испытаний датчиков давления, может быть использовано в метрологических целях для калибровки или поверки средств контроля и измерения давления

Техническим результатом является увеличение степени восприятия зрительного «объема» или «глубины» изображения при его отображении на стандартной плоской ЖК или плазменной панели телевизора при уменьшении вычислительной нагрузки

Полезная модель относится к электронике и вычислительной технике и может быть использована для создания специализированных электронных приборов, устанавливаемых на подвижных носителях, работающих в условиях воздействия механических вибраций и ударов.
Наверх