НАУШНИКИ ДЛЯ СНЯТИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЛУШАЮЩЕГО

Полезная модель относится к конструкции наушников "затычек" благодаря которому производятся измерения кожно-гальванической реакции во внешних ушных проходах. Может найти применение при изготовлении амбушюров с электродами, которые реагируют на состояния бодрствования и сна слушающего и управляют воспроизведением в зависимости от уровня восприятия слушающего.
Известен прибор для обезболивания в период сна (патент RU 2271839), содержащий контактные датчики, подключенные к генератору последовательности импульсов тока, соединенному с блоком управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит полосовой усилитель, квадратичный детектор и интегратор, причем блок управления по управляющему входу соединен с выходом компаратора, вход которого подсоединен через интегратор и квадратичный детектор к выходу полосового усилителя, настроенного на частоту альфа-ритма потенциалов головного мозга, а вход полосового усилителя подсоединен к приемным датчикам этих потенциалов.
Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью.
Известно «Устройство для управления механизмами двигателя при возникновении дремотных и просоночных состояний оператора мобильного средства», содержащее электроды, усилитель сигнала, катушку, поляризованное реле, выключатель, блок звуковой сигнализации, лампу стоп-сигнала (патент RU 2287440).
Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известно «Устройство контроля за состоянием бодрствования водителя транспортного средства», содержащее кольцевой датчик давления и систему пробуждения, расположенные на рулевом колесе, предохранительную систему безопасности и контроллер управления транспортным средством (патент RU 2214931). Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известно устройство для предотвращения сна», содержащее блок считывания и преобразования сигнала, выполненный с возможностью закрепления на мочке уха и включающий источник питания, генератор, источник и приемник инфракрасного излучения и блок анализа с вычислителем, а также блок оповещения. Приемник инфракрасного излучения через усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к блоку анализа, параллельно второй приемник инфракрасного излучения через второй усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь подключен ко второму входу блока анализа, выполненного с возможностью анализа концентрации кислорода в крови и регистрации амплитуды и периода пульсаций сердечной деятельности, в свою очередь, вычислитель через интерфейсный блок связан с передатчиком, выполненным с возможностью передачи информации на индикатор удаленного блока оповещения (патент RU 2275857).
Данное решение технически громоздко, основано конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известно устройство контроля бодрствования водителя транспортного средства содержит электроды (патент RU 90743 U), звуковую сигнализацию, источник питания, элемент световой индикации, отличающееся тем, что датчик положения головы водителя закреплен на очках при помощи крепежного приспособления, имеющих три опоры (носовая перегородка и уши), при этом датчик положения головы водителя содержит металлический шарик, электроды бодрствования, электроды сна, закрепленные в корпусе датчика, при этом электроды сна соединены с радиопередатчиком, имеющим передающую антенну, электроды бодрствования соединены с системой сигнализации нормального положения головы с элементом световой индикации, впадину для металлического шарика, препятствующая ложному срабатыванию устройства, наклонные плоскости внутри корпуса для возврата металлического шарика в исходное положение при возобновлении нормального положения головы водителя, при этом в момент засыпания водителя и изменения им положения головы металлический шарик выходит из впадины и замыкает электроды, за счет чего на радиопередатчик через передающую антенну передатчика и приемную антенну подается сигнал, при этом радиопередатчик соединен со звуковой сигнализацией, предназначенной для выведения водителя из состояния сна.
Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, не обладает портативностью. Анализатор привязан к транспортному средству и его энергопитанию. Известна заявка WO 2009125216. В данном решении описан аппарат стимуляции сна, включающий анализирующий блок, пару наушников и электрод на ремне. Анализирующий блок включает монитор сна, аудио плеер и блок управления. Монитор сна связан с электродом, с целью обнаружить состояние сна посредством анализа изменчивости сердечного ритма. Аудиоплеер подключен к наушникам, чтобы играть релаксационную музыку. Блок управления связан с электродами в наушниках, которые воздействуют электрическими импульсами на нервную систему, чтобы стимулировать сон. Когда пользователь уходит из бодрствующего состояния к состоянию сна, монитор сна подает команду на блок управления, который отключает подачу электрических импульсов. Т.е. во время сна данный прибор не осуществляет стимуляцию электродами нервной системы, чтобы не вызвать эффект привыкания.
Данное решение технически громоздко, конструктивно сложно, применяемые наушники используются отдельно от электродов, анализирующих состояние сна. Электрод, вставленный в наушник не является анализатором состояния сна. Близким решением является патент US 7689274. В нем состояние слушающего анализируется на основании измерений ритмов головного мозга, требующее накладывать активные электроды в непосредственной близости от головного мозга на лбу или темени слушающего и закреплять электроды при помощи приспособлений, типа оголовье или дужка. Анализируются потенциалы, возникающие на участках кожи лба или темени. Электрод, закрепленный на чашке наушника мозговых волн не выполняет функции активного электрода-датчика сигнала, а исключительно функции референтного электрода (относительно которого производятся измерения) при регистрации мозговых волн.
Схема наложения активных электродов в патенте US 7689274 (измерение мозговых волн) принципиально отличается от схемы наложения активных электродов, предложенной в заявляемом способе для измерения КГР тем, что в заявленном способе регистрируются электрическая активность кожи в ушных раковинах слушающего.
Наиболее близким решением является патент RU 133674 U, Опубл. 20.10.2013., в котором описаны наушники, содержащие динамики, отличающиеся тем, что участки непосредственного контакта наушников с кожей головы слушающего выполнены из токопроводящих материалов, функцией которых является использование в качестве электродов-датчиков состояния слушающего. В них состояние слушающего анализируется на основании измерений ритмов головного мозга, требующее накладывать активные электроды в непосредственной близости от головного мозга на лбу или темени слушающего, а также имеющее референтный электрод в наушнике.
Электрод, контактирующий с кожей на ухе при регистрации мозговых волн не выполняет функции активного электрода-датчика сигнала, а исключительно функции референтного электрода (относительно которого производятся измерения) при регистрации мозговых волн).
Схема наложения активных электродов в патенте RU 133674 U, Опубл. 20.10.2013. (измерение мозговых волн) принципиально отличается от схемы наложения активных электродов (измерение КГР), предложенной в заявляемом способе тем, что в заявленном способе предлагается регистрировать электрическую активность кожи на ушах слушающего и для этого используется не менее двух электродов, контактирующих с кожей внутри ушных раковин.
Изобретение требует подключение к миниатюрному усилителю сигналов КГР, электрически развязанному с устройствами, подключенными в электрическую сеть и передаче данных на усилитель звуковой карты персонального компьютера, планшета, смартфона или другого устройства содержащего программное обеспечение расшифровки поступающих сигналов и управления воспроизведением аудио или видео материалов. Возможно использование специализированного аппаратного преобразователя сигнала КГР в сигналы, управления воспроизведением аудио-видео материалов.
Техническим результатом заявленного устройства является его портативность и удобство прослушивания аудио-видео материалов в состоянии утомления и в процессе засыпания. Также, данное решение может с успехом использоваться для облегчения процесса засыпания страдающих бессонницей, стимулируя процесс засыпания при помощи аудиоматериалов, громкость которых снижается по мере засыпания. Также техническим результатом заявленного решения является упрощение конструкции анализаторов состояния бодрствования и состояния сна человека; уменьшаются его габариты; реализуется возможность встраивания в привычную для пользователей гарнитуру наушников-затычек.
Использование более одного электрода, контактирующего с участками кожи на ушах слушающего и определение состояния слушающего по методу КГР делает наложение дополнительных электродов на другие участки тела не необходимым.
Указанный технический результат достигается за счет того, что наушники для снятия аналоговых сигналов и последующего анализа функционального состояния слушающего, содержащий не менее чем двух контактных электродов, причем в качестве контактных электродов использованы сами наушники, а амбушюры наушников полностью или частично выполнены из электропроводящего материала или из электропроводящего материала выполнена внешняя поверхность корпуса динамиков или иных частей наушников в той их части, которая контактирует с ухом человека, отличающееся тем, что от контактных электродов выведены провода, концы которых содержат разъемы для подключения к устройству, выполненному с возможностью измерения кожно-гальванической реакции кожи на ушах слушающего, причем наушники выполнены с возможностью контакта не менее чем двух электродов с кожей одного уха, либо с возможностью контакта не менее чем одного электрода с кожей одного уха, и не менее чем одного электрода с кожей другого уха.
Предпочтительно используют наушники с электродами в качестве стимулятора электрической активности кожи в процессе измерений, а стимуляцию осуществляют звуковыми сигналами и/или электрическими сигналами.
Полезная модель поясняется чертежами
На Фиг. 1 показан пример реализации изобретения на гарнитуре из наушников с вариантами передачи входящего аудио сигнала и исходящего сигнала КГР участков кожи внутри ушных раковин при помощи как беспроводной связи, а также с помощью проводной связи (а - вид верхней части наушников; б - вид наушников в целом с концом в виде коннектора USB-разъема; в - вид конечной части наушников с аналоговыми разъемами).
На Фиг. 2 показан пример реализации наушника, поверхность амбушюра которого покрыта сеткой из электропроводящих нитей.
На Фиг. 3 показан пример реализации наушников, имеющих по два электрода.
На Фиг. 4 показан пример реализации наушников с фильтрами звука (беруши), имеющих по два электрода.
Осуществление полезной модели
В отличие от схем наложения электродов в известных нейрогарнитурах, ключевыми элементами которых являются активные электроды, закрепляемые на участках кожи головы в непосредственной близости от головного мозга на лбу, висках или темени, в заявленном способе электроды, контактирующие со лбом, висками и теменем могут не использоваться, чтоб не создавать пользователю дискомфорт в процессе прослушивания материалов и перехода от бодрствования ко сну.
Отсутствие в предложенном техническом решении электродов, закрепляющихся на лбу или темени слушающего не позволяет регистрировать ритмы головного мозга, однако позволяют регистрировать кожно-гальваническую реакцию (КГР), характеризующую изменения в работе потовых желез при различных функциональных состояниях слушающего, изменения кровообращения при различных функциональных состояниях слушающего и изменения электрических реакций кожи в ответ на восприятие аудио сигналов и стимуляцию.
Заявленное устройство для определения функционального состояния человека, заключается в:
- измерении электрической активности кожи при помощи контактных электродов имеющих форму амбушюров наушников-затычек,
- форме амбушюров, определяющей схемы наложения активных контактных электродов на кожу ушных раковин слушающего,
- использовании звуковой стимуляции в процессе измерений:
Устройство может быть реализовано в виде наушников, показанных на Фиг. 1. Наушники состоят из динамиков 1, усилителя 2 сигнала КГР, провода 3 передачи усиленного сигнала на анализирующее устройство, например, мобильный телефон, планшет, компьютер или специализированное устройство, модуля 4 беспроводной связи, в случае использования беспроводного соединение вместо провода 3, амбушюров-электродов 5, установленных в наушниках для контакта с кожей ушей слушающего.
Схема наложения активных контактных электродов 5 соответствует местам контакта амбушюров наушников-затычек с поверхностью кожи в ушной раковине. Данная схема наложения электродов достаточна для определения функционального состояния. Подключение дополнительных как активных, так референтных электродов к каким-либо другим частям тела благодаря использованию нескольких электродов контактирующих с кожей на ушах слушающего становится не обязательным. Варианты схем наложения активных контактных электродов:
- Первый электрод, контактирует с кожей одного уха, второй электрод контактирует с кожей другого уха.
- Несколько электродов, контактируют с кожей одного уха.
- Первый электрод контактирует с кожей одного уха, несколько электродов контактируют с кожей другого уха.
- Несколько контактных электродов контактируют с кожей одного уха, другие несколько контактных электродов контактируют с кожей другого уха.
Указанные схемы наложения контактных электродов достаточны, чтобы производить измерения Кожно-Гальванической Реакции (КГР) кожи на поверхности внешних слуховых каналов.
Необходимо отметить, что при использовании проводной связи, усилитель 2 сигнала КГР должен включать в себя электрическую развязку электродов-датчиков от включающихся в сеть анализирующих устройств.
Пример использования гарнитуры с наушниками для случаев передачи входящего аудио сигнала и исходящего сигнала КГР с помощью беспроводной связи, а также с помощью проводной связи показан на Фиг. 1(в), где 6 - входящий в гарнитуру наушников аудио сигнал и 7 - исходящий усиленный сигнал КГР. Также оба этих конца могут быть объединены в виде единого коннектора, как показано на Фиг. 1(б).
Контактные электроды 8, 10, 11 (см. Фиг. 2 - Фиг. 4) выполняются в форме электропроводящих участков корпуса наушников, вставляющихся в ушную раковину слушающего, в случае если наушники не имеют съемных насадок или электропроводящих участков амбушюров наушников-затычек (далее амбушюр).
Амбушюр (участок корпуса наушников) может быть выполнен из электропроводящего материала полностью, либо содержать электропроводящие участки, либо иметь электропроводящие покрытия в местах контакта с кожей ушей слушающего. Электропроводящие покрытия могут наноситься методом напыления электропроводящих материалов, окраски электропроводящей краской, вклеиванием электропроводящего слоя или иными методами. Электропроводящие покрытия амбушюра 5 могут быть выполнены сплошными или нанесены в виде рисунка, например, в виде электропроводящих сеточек 8 на Фиг. 2.
Один амбушюр наушника-затычки может заключать в себе один контактный электрод при использовании двух электродов-амбушюров (Фиг. 1, Фиг. 2) или заключать в себе несколько (более одного) контактных электродов (Фиг. 3, Фиг. 4).
На Фиг. 3 и Фиг. 4 показаны примеры размещения электродов 10 и 11 на электропроводящих участках амбушюров различной формы, где есть всегда изолирующая часть 9, отделяющая один электрод 10 от другого электрода 11. На Фиг. 3 видно, как оба электрода 10 и 11 накладываются на участки кожи в наружном слуховом проходе. На Фиг. 4 электрод 10 накладывается на кожу в наружном слуховом проходе, а электрод 11 -на кожу в полости ушной раковины. Такого рода наушники могут использоваться как специальные наушники, у которых отдельные элементы или весь амбушюр выполнены в виде затычек для слухового прохода с целью гашения сторонних шумов, типа затычек беруши.
Заявленное устройство позволяет использовать привычные в быту наушники-затычки в качестве анализатора функционального состояния слушающего и, в зависимости от функционального состояния слушающего управлять воспроизведением аудио-видео материалов, например, [1].
Также, данное устройство может использоваться для облегчения процесса засыпания страдающих бессонницей, стимулируя процесс засыпания при помощи аудиоматериалов, громкость которых понижается по мере засыпания, а после засыпания, аудио стимуляция отключается. Также данное техническое решение может использоваться в качестве датчика кожно-гальванической реакции при проведении тестирования на «полиграфе» детекторе лжи вместо электродов, накладывающихся на пальцы руки.
В отличие от схем наложения электродов в нейрогарнитурах [2], ключевыми элементами которых являются активные электроды, закрепляемые на участках кожи головы в непосредственной близости от головного мозга на лбу или темени [3], в заявленном способе электроды, контактирующие со лбом и теменем не используются, чтобы не создавать пользователю дискомфорт в процессе перехода от бодрствования ко сну. Исключение из предложенного технического решения электродов, закрепляющихся на любу или темени слушающего не позволяет регистрировать ритмы головного мозга. Однако, качественный контакт электродов, установленных в наружных слуховых каналах, не вызывает дискомфорта, при этом, позволяет регистрировать кожно-гальваническую реакцию (КГР), характеризующую изменения в работе потовых желез при различных функциональных состояниях слушающего, изменения кровообращения при различных функциональных состояниях слушающего и изменения электрических реакций кожи в ответ на восприятие аудио сигналов [4, 5, 6].
Предложенное техническое решение значительно комфортнее и привычнее для прослушивающего аудио материалы перед сном, не мешает процессу засыпания, более портативно, проще в исполнении и содержит меньшее количество необходимых элементов.
Принцип работы устройства может быть реализован следующим образом. Электрические сигналы поступают от поверхностей кожи ушей слушающего, благодаря плотному контакту электропроводящими поверхностями эластичных амбушюров наушников-затычек, плотно входящими в наружные ушные каналы.
Электрические сигналы поступают на усилитель, далее посредством проводной или беспроводной связи передаются на персональный компьютер, смартфон, планшет или другое устройство для обработки сигнала (аудовход, Bluetooth, USB или другой вход). Программная (или аппаратная) обработка сигналов выявляет постоянную и переменные составляющие КГР кожи и определяет момент перехода от состояния бодрствования ко сну, регистрирующийся по изменениям сопротивления кожи, обусловленным:
- изменениями в работе потовых желез, приводящие к увеличению сопротивления кожи при засыпании.
- изменениям сопротивления кожи, благодаря снижению артериального давления при засыпании.
- уровню и частоте модуляции сопротивления кожи за счет интенсивности кровообращения и частоте пульса, уменьшающихся при засыпании.
- скоростью и величиной электрической реакции кожи, вызванных.восприятием полученных аудио сигналов и информации.
В зависимости от поставленной задачи, программа фиксирует момент засыпания и позволяет следующее.
1. Запомнить на каком эпизоде слушатель перестал воспринимать информацию. Эта функция эффективна при прослушивании аудиокниг перед сном, чтоб в дальнейшем не требовались производить длительные поиски, на каком эпизодов пользователь перестал воспринимать сюжет, и не приходилось прослушивать по нескольку раз одно и тоже.
2. Будить засыпающего слушателя, например, увеличивая громкость воспроизведения материала при задремывании, или при помощи подачи стимулирующего сигнала, сразу или дав поспать в течение заданного промежутка времени, если это необходимо.
3. В случае, если пользователь страдает бессонницей и аудиоматериалы используются для стимулирования процесса засыпания, то по мере изменения сигналов о функциональном состоянии, программа сможет понижать громкость сигналов для максимально комфортного засыпания или переключать воспроизведение аудио на программу релаксации. Таким образом, пользователь может иметь портативное удобное в быту устройство, способное оптимизировать прослушивание аудио-видео информации в зависимости от функционального состояния слушающего.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель №122516 от 27.11.2014 «Система Обучения».
2. http://best-freesoft.ru/news/news-it/424-neyro-garnitura-emotiv-epoc.html
3. http://ilive.com.ua/health/metodika-provedeniya-elektroentsefalografii_8709i326.html
4. http://medinfa.ru/article/109/118112/
5. http://skgr.narod.ru/method.htm
6. Данилова Н.Н. Функциональные состояния: механизмы и диагностика. - М.; МГУ, 1985. - 287 с.