Патент на изобретение №2378984

(54) УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

(57) Реферат:

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, 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 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 со второй шиной микроконтроллера, третья шина которого связана с блоком сопряжения с персональным компьютером. Дополнительный канал имеет возможность подключения к его входу датчика мимики лица, пьезоплетизмограммы или переменной составляющей кожно-гальванической реакции и включает второй электронный коммутатор, к выходам которого подключены подканалы обработки сигналов с соответствующего датчика. 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 подключены ко входу первого коммутатора. Управляющий вход третьего коммутатора связан с микроконтроллером. Использование изобретения позволяет учитывать максимальное число физиологических параметров и обеспечивает объективность получаемой информации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, в частности к устройствам медико-биологического назначения, предназначенным для регистрации и оценки быстротекущих физиологических реакций человека, возникающих в ответ на предъявляемые ему стимулы (вопросы, предметы, фотографии и прочее). Изобретение может быть использовано для осуществления психофизиологического метода выявления скрываемой информации при проведении опросов, судебных психофизиологических экспертиз, в ходе разбирательств по фактам злоупотреблений, коррупции, хищений. Предлагаемое устройство представляет собой функционально законченный блок и служит для приема, усиления, преобразования и передачи на дальнейшую обработку в персональный компьютер физиологических показателей испытуемого человека: тонической и фазической составляющих электрокожного сопротивления, грудного и брюшного дыхания, артериального давления, сердечно-сосудистой активности (плетизмограмма, фотоплетизмограмма), двигательной активности (тремор и датчик мимики лица).

Уровень техники

Для проведения психофизиологических исследований в медицине и других областях широко применяются различные устройства контроля 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 зарубежной патентной литературы известны устройства для контроля, запоминания и передачи зарегистрированной информации, см., например, ЕР 0212278. Известное устройство содержит микропроцессор, дешифратор, блок приема информации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), коммутатор, датчик частоты сердечных сокращений, формирователь сигнала. Это устройство, однако, ввиду малого числа анализируемых физиологических параметров имеет низкую достоверность.

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

Из международной заявки WO 03/057003 известен неинвазивный полиграф, основанный на оптическом анализе. Устройство генерирует серию импульсов в лазерном, инфракрасном диапазоне, эти импульсы отражаются от субъекта, поступают на приемник, связанный с процессором, подвергаются анализу, информация отображается на дисплее.

Одной из последних зарубежных разработок является устройство, раскрытое в публикации US 2007270659, это устройство позволяет дистанционно детектировать ложные сведения в информации, получаемой от испытуемого субъекта с использованием, по крайней мере, одного физиологического параметра, передаваемого на расстояние. Для оценки интерпретатор использует полиграф.

Среди отечественных разработок можно выделить устройство по патенту RU 2010326, которое использует целый рад параметров: параметры динамики сердечно-сосудистой активности, дыхания, кожно-гальванической реакции. Устройство содержит микропроцессор, блок приема информации, датчики физиологических параметров.

Наиболее близким к настоящему изобретению является устройство контроля и оценки физиологических параметров по патенту RU 2203614. Известное устройство содержит микроконтроллер, АЦП, коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической реакции, артериального давления, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой. 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 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 известное устройство использует ограниченное количество параметров, в нем не предусмотрена возможность выбора параметров для оценки. В этой связи надежность заключения, полученного с использованием этого устройства, недостаточна.

Краткое изложение сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании устройства контроля и оценки физиологических процессов, использующего максимальное число физиологических параметров, выбор параметров, в частности в процессе проведения теста, для последующей оценки по степени значимости и обеспечивающего несомненную объективность полученного с его помощью заключения.

Кроме того, изобретение позволяет обеспечить работу как в стационарных, так и в полевых условиях.

Кроме того, изобретение позволяет повысить достоверность получаемой информации за счет подключения каналов получения информации о разных составляющих одного параметра.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве контроля и оценки физиологических процессов, содержащем микроконтроллер, АЦП, первый коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической реакции, артериального давления, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, первый и второй ЦАП, инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой, при этом датчики через усилители и фильтры соединены с соответствующими входами первого 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, использован дополнительный канал с возможностью подключения к его входу датчика мимики лица, датчика пьезоплетизмограммы или кожно-гальванической реакции и включающий второй электронный коммутатор, к выходам которого подключены 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. Датчик мимики лица снабжен эластичными ремнями с регулируемой длиной, заканчивающимися защелками для крепления датчика на голове человека, и колпачком, имеющим возможность контактировать с головой человека и через пружину воздействовать на кнопку, соединенную с пьезоэлементом, выводы которого являются выходом датчика.

Описание чертежей

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

на фиг.1 представлена функциональная схема устройства,

на фиг.2 показан общий вид датчика мимики лица.

Описание предпочтительного варианта изобретения

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

Устройство 1 содержит микроконтроллер 2, АЦП 3, первый коммутатор 4, датчик грудного дыхания 6, датчик брюшного дыхания 5, датчик кожно-гальванической реакции 7, датчик артериального давления 8, датчик сердечно-сосудистой активности 9, датчик двигательной активности 10, блок питания 11, предварительные усилители 12-19, усилители сигналов 20-22, фильтры 23-33, первый и второй ЦАП 34 и 35, инструментальный усилить 36 и блок сопряжения 37 с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой. Датчики 5-10 через предварительные усилители 12-16 и 19, фильтры 23-29 и 33 и усилители сигналов 20 и 22 соединены с соответствующими входами первого коммутатора 4, управляющий вход которого связан с первой шиной микроконтроллера 38, а выход – с первым входом инструментального усилителя 36, второй вход инструментального усилителя 36 подключен к выходу первого ЦАП 34, третий вход – к выходу второго ЦАП 35, а выход – к входу АЦП 3, входы первого и второго ЦАП 34 и 35 и группа входов-выходов АЦП 3 связаны со второй шиной 39 микроконтроллера 2, третья шина 40 которого связана с блоком сопряжения 37 с персональным компьютером. Дополнительный канал, введенный в устройство согласно изобретению, имеет возможность подключения к своему входу датчика мимики лица 41, дополнительного датчика пьезоплетизмограммы или дополнительного датчика кожно-гальванической реакции (не показаны). Дополнительный канал включает второй электронный коммутатор 42, к выходам которого подключены подканалы обработки сигналов с соответствующего датчика. Первый подканал включает соединенные последовательно предварительный усилитель 17 и фильтр 30, второй канал включает предварительный усилитель 18, фильтр 31, усилитель сигналов 21 и дополнительный фильтр 32. Выходы подканалов через третий электронный коммутатор 43 подключены к входу первого коммутатора 4. Управляющий вход третьего коммутатора 43 подключен к выходу микроконтроллера 2.

Датчик 41 мимики лица предназначен для регистрации показателей двигательной активности мышц лица человека. Датчик 41 снабжен эластичными ремнями 44 с регулируемой длиной, заканчивающимися защелками 45 для крепления датчика 41 на голове испытуемого, и колпачком 46, имеющим возможность контактировать с головой человека, и через пружину (не показана) воздействовать на кнопку 47, соединенную с пьезоэлементом, выводы которого являются выходом датчика 41. К корпусу датчика 41 присоединен кабель с разъемом. Воспринимаемое колпачком 46 давление через пружину передается на кнопку 47. Электрический сигнал, пропорциональный производной от силы воздействия на кнопку, выводится из датчика через кабель. Элементы корпуса датчика 41 изготовлены из алюминиевого сплава с защитно-оксидным декоративным покрытием.

Вместо датчика 41 мимики лица к дополнительному каналу может быть подключен пьезоэлектрический датчик плетизмограммы или тремора или датчик кожно-гальванической реакции (переменная составляющая).

Датчик 10 двигательной активности предназначен для регистрации показателей двигательной активности человека. Он состоит из двух сенсорных элементов, устанавливаемых под ножки стула, и соединительного кабеля с разъемом. Корпус сенсорного элемента изготовлен из двух стальных пластин, разделенных шайбой из пористой резины. Основу сенсорного элемента составляет пьезоэлемент, наклеенный на внутреннюю поверхность одной из металлических пластин. Для передачи усилия на пьезоэлемент от противоположной пластины на него наклеен резиновый диск. Сенсорные элементы соединены параллельно.

Датчик кожно-гальванической реакции 7 предназначен для регистрации изменений сопротивления кожи. Датчик 7 закрепляется с помощью застежек на пальцах рук испытуемого.

Датчики грудного 5 и брюшного 6 дыхания конструктивно выполнены одинаково и состоят из корпуса, в котором находится конденсатор переменной емкости и плата электроники, двух рычагов, а также фиксаторов, соединенных с рычагами эластичными ремнями. Фиксаторы соединяются цепью, с помощью которой датчик можно закрепить на грудной клетке любого размера.

Датчик артериального давления представляет собой грушу с выпускным клапаном, с присоединенным к ней тройником, соединительными трубками с пневморазъемом и резиновой манжетой.

Датчик пьезоплетизмограммы предназначен для регистрации показателей кровенаполнения периферических сосудов. Датчик снабжен застежкой для крепления на пальце человека. Воспринимаемое колпачком давление передается через пружину на кнопку, соединенную с пьезоэлементом. Электрический сигнал, пропорциональный производной от силы воздействия на кнопку, выводится через кабель. Датчик фотоплетизмограммы крепится на пальце аналогично. Воспринимаемый фотодиодом, установленным на корпусе датчика, инфракрасный световой поток, пронизывающий периферические кровеносные сосуды в пальце, преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный световой силе этого потока, и выводится из датчика через кабель, соединяющий его с соответствующим каналом устройства.

Устройство используется следующим образом.

Выходы датчиков через усилители 13-17 и 20-22 и фильтры поочередно подключаются через коммутатор 4 к входу инструментального усилителя 36 (усилитель с регулируемым коэффициентом усиления). С выхода инструментального усилителя 36 сигнал поступает на 12-разрядный АЦП 3.

Инструментальный усилитель 36 позволяет согласовать размах сигналов датчиков 5-10 и 41 с входным диапазоном АЦП 3. Кроме того, усилитель 36 служит для компенсации постоянной составляющей сигналов датчиков, для чего на один из входов подается напряжение с первого ЦАП 34.

Первый коммутатор 4, АЦП 36, первый и второй ЦАП 34 и 35 управляются микроконтроллером 2 по стандартным шинам 38, 39. Значения усиления и смещения по каждому каналу передаются в микроконтроллер 2 из персонального компьютера по каналу 40. Микроконтроллер 2 производит первичную обработку сигналов датчиков и затем передает цифровую информацию с компьютера по каналу 40, в который включен блок сопряжения 37 с персональным компьютером, выполненный по схеме оптронной гальванической развязки. Питание на схему устройства поступает через изолирующий конвертер 44, обеспечивающий гальваническую развязку, от источника электропитания. Для контроля исправности датчиков и соединительных кабелей формируется тестовый сигнал, подаваемый в каналы всех датчиков, кроме датчика артериального давления 8. Канал артериального давления осуществляет обработку сигнала показателя сердечно-сосудистой активности. Сигнал от датчика давления 8 поступает на вход предварительного усилителя 19, через фильтр 33 и усилитель сигнала 22 на первый коммутатор 4 и микроконтроллер 2 для дальнейшей обработки. Канал двигательной активности (тремор) осуществляет обработку сигнала показателя двигательной активности. Сигнал от датчика 10 через усилитель 16 и активный фильтр второго порядка 29 проходит к микроконтроллеру 2 для дальнейшей обработки. Канал плетизмограммы осуществляет обработку сигнала показателя сердечно-сосудистой активности. Сигнал от датчика 9 поступает через усилитель 15, активный фильтр 27 второго порядка, проходит для дальнейшей обработки на микроконтроллер 2. Дополнительный универсальный канал позволяет подключение датчика переменной составляющей кожно-гальванической реакции или пьезоэлектрического датчика (датчик 41 мимики лица, дополнительный датчик плетизмограммы, двигательной активности). Выбор типа датчика может осуществляться оператором с помощью сервисной программы непосредственно в процессе или пред проведением теста. Сигнал с выбранного датчика поступает на второй электронный коммутатор 42 и далее разделяется на два подканала, каждый из которых адаптирован для обработки сигнала с соответствующего датчика. Сигнал от пьезоэлектрического датчика, например датчика 41 мимики лица, обрабатывается в первом подканале. Он поступает на предварительный усилитель 17, который выполняет согласование высокого сопротивления датчика и входных цепей с последующими каскадами. Далее сигнал проходит через активный фильтр второго порядка 30 и поступает через коммутаторы 43 и 4 для дальнейшей обработки. Второй подканал предназначен для обработки сигнала с датчика кожно-гальванической реакции. Напряжение, пропорциональное сопротивлению кожи, проходит через предварительный усилитель 18, активный фильтр 31 низкой частоты первого порядка, усилитель сигнала 21, через активный фильтр 32 низкой частоты второго порядка, третий и первый коммутаторы 43 и 4 для дальней обработки.

Перед включением устройства на различные участки тела испытуемого для регистрации физиологических параметров помещают соответствующие датчики. Датчик кожно-гальванической реакции 7, выполненный в виде двух электродов, закрепляют на указательном безымянном пальцах одной из рук. Датчики грудного и брюшного дыхания 6 и 5 укрепляют на груди и в области диафрагмы. Плетизмографический датчик 9 закрепляют на среднем пальце. Датчик двигательной активности 10 укрепляют под стулом, на который усаживают испытуемого. Датчик артериального давления 8 накладывают на руку над сосудом.

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 2 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 2 осуществляет прием и обработку информации от персонального компьютера согласно протокола 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 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 в 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, известные и описанные в патентной литературе датчики (кроме раскрытых здесь оригинальных) и блоки. Все элементы схемы устройства изготавливаются промышленно. Блок гальванической развязки выполнен на оптронном канале АД307-ФД256, в качестве микроконтроллера использована модель серии 6000 CAMBASIC. Для специалиста не составит проблемы изготовить и использовать представленное устройство с учетом сведений, приведенных выше.

Следовательно, изобретение отвечает условию промышленной применимости.

Формула изобретения

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, 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 первого 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, отличающееся тем, что в него введен дополнительный канал с возможностью подключения к его входу датчика мимики лица, датчика пьезоплетизмограммы или датчика переменной составляющей кожно-гальванической реакции, 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.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик мимики лица включает эластичные ремни с регулируемой длиной, заканчивающиеся защелками для крепления датчика на голове испытуемого, и колпачок, имеющий возможность контактировать с головой испытуемого и через пружину воздействовать на кнопку, соединенную с пьезоэлементом, выводы которого являются выходом датчика.

РИСУНКИ