УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ СТЕПЕНИ КОНЦЕНТРАЦИИ ВНИМАНИЯ ОПЕРАТОРА ПРИ ВОСПРИЯТИИ И ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ
DEVICE FOR REAL-TIME DETERMINATION OF THE DEGREE OF CONCENTRATION OF ATTENTION OF AN OPERATOR WHEN PERCEIVING AND PROCESSING INFORMATION

Изобретение относится к диагностическому биомедицинскому оборудованию и предназначено для контроля степени концентрации внимания оператора при восприятии и обработке информации. В частности, изобретение может быть использовано для диагностики психофизиологического состояния человека. Например, для тестирования профессиональной пригодности специалистов, деятельность которых связана с повышенным риском и требует длительного сохранения высокой степени концентрации внимания (пилоты воздушных транспортных средств, водители, диспетчеры транспортных и энергетических систем и так далее). Изобретение может быть использовано в здравоохранении в качестве устройства объективного контроля эффективности назначенного лечения различных расстройств внимания. Также изобретение может быть использовано для создания современных систем тренинга сосредоточенности и работоспособности операторов.
Ввиду очевидной значимости решаемой задачи определения и контроля уровня концентрации внимания человека при решении различных когнитивных задач, на данный момент разработан ряд систем (как отечественных, так и зарубежных), позволяющих осуществлять контроль за психофизиологическим состоянием оператора (US 5745038, US 5867587, RU 2423070, RU 2 441585, SU 1393398).
Известны системы, осуществляющие контроль за состоянием бдительности оператора на основе анализа моторной реакции (нажатие на кнопку, поворот рукояти и т.п.) оператора на предъявляемые звуковые или визуальные стимулы (SU 1470585, RU 2441585). Значительным недостатком подобных систем является низкая скорость определения физиологического состояния оператора.
Другая хорошо распространенная группа систем слежения за психофизиологическим состоянием человека основана на анализе направления взгляда, скорости смыкания и размыкания век, частоты морганий (RU 2423070, RU 2444275, US 5867587, US 5745038). Получение информации об изменении параметров сенсорной системы зрения может осуществляться различным образом. Так, например, в патенте США 5745038 описан прибор, осуществляющий анализ отраженного от зрачков глаз света для определения моргания, а в патенте США 5867587 используется система, анализирующая цифровые фотографии верхней части лица и глаз оператора. Общими недостатками для данного рода устройств являются: сильные искажения в определении состояния сенсорной системы глаз, вызываемые поворотами головы, ношением очков, изменением позы, а также низкая скорость определения состояния оператора, связанная с особенностями измеримых параметров.
Наилучшим разрешением по времени среди физиологических показателей (порядка десятков миллисекунд) обладают параметры биоэлектрической активности головного мозга - электроэнцефалограммы (ЭЭГ). В настоящее время хорошо известно, что амплитудные и частотные параметры ЭЭГ наиболее достоверно характеризуют функциональное состояние человека, а некоторые из них непосредственно связаны с вниманием. Использование ЭЭГ в качестве информативного показателя уровня бдительности человека-оператора в условиях реальной деятельности стало активно применяться последнее десятилетие, до которого развитие подобных методов затруднялось вследствие низких помехоустойчивости и скорости регистрации электроэнцефалографов.
В настоящее время известно несколько способов определения состояния человека-оператора (как правило, в терминах бдительность-дремота, сконцентрирован-рассеян) по параметрам ЭЭГ [RU 2539004; RU 2571891; SU 1393398; SmartCap http://www.smartcaptech.eom/].
Устройство для мониторинга усталости человека SmartCap [http://www.smartcaptech.com/] измеряет активность головного мозга с помощью регистрации ЭЭГ сигнала в дельта, тета, альфа и бета диапазонах. Полученная информация анализируется с использованием фирменного алгоритма от EdanSafe для определения уровня усталости. Существенным недостатком данного изобретения является скорость определения уровня усталости, которое занимает не менее 17 секунд.
Известно устройство для диагностики функционального состояния человека-оператора по параметрам электроэнцефалограммы, содержащее блок электродов и блок усилителей, соединенные последовательно, а также индикатор, блок корреляторов, блок аналого-цифровых преобразователей, блок памяти, блок цифроаналоговых преобразователей и блок вычисления модулей разности, соединенные последовательно, сумматор, первый компаратор, интегратор и второй компаратор, соединенные последовательно, а также переключатель режима работы, два источника опорного напряжения и программный блок, при этом вход последнего соединен с переключателем режима работы, а выход - со входами блока памяти, выходы корреляторов соединены со входами блока вычисления модулей разности, а выходы последнего соединены со входами сумматора, выходы блока усилителей соединены с входами блока корреляторов, кроме того, входы компараторов соединены с выходами соответствующих источников опорного напряжения, а выход второго компаратора соединен с индикатором. Это обеспечивает ускорение диагностики и достоверность определения функционального состояния человека-оператора [авторское свидетельство SU 1393398]. Недостатками данного устройства являются: необходимость установки на голову оператора большого числа электродов (не менее 4-х) и предназначенность устройства для различения только двух функциональных состояний - покоя и мыслительной деятельности, и, кроме того, устройство требует настройки на параметры электроэнцефалограммы конкретного оператора.
Наиболее близким к заявленному изобретению является «устройство для контроля внимания оператора в системах "человек-техника"» [патент RU 2571891], содержащее последовательно соединенные блоки электродов, усилителей биопотенциалов, анализа биопотенциалов и сигнализации. Принцип действия данного устройства основан на анализе электрической активности головного мозга. В рамках схемы запатентованного изобретения последовательно с возможной параллелизацией производится непрерывная регистрация нескольких биоэлектрических показателей функционального состояния оператора, автоматический анализ в реальном времени амплитудных и частотных характеристик с использованием специального алгоритма, детекция начала эпизода «опасного» снижения внимания оператора по появлению специфической комбинации показателей биоэлектрической активности. Одновременно, при успешной детекции искомого состояния подается звуковой сигнал «тревоги» для вывода оператора из «опасного» функционального состояния, для предотвращения появления эпизодов «опасного» снижения внимания оператора - «предупреждающий» звуковой сигнал. Несмотря на то, что данное устройство позволяет достаточно быстро (быстродействие порядка 1 секунды) определять эпизоды непроизвольного «опасного» снижения внимания оператора, имеются существенные недостатки: данное устройство фиксирует лишь критическое падение уровня общего внимания и не предоставляет возможности диагностировать степень сосредоточения оператора в процессе выполнения конкретной когнитивной задачи, что очерчивает круг применения данного устройства в целях анализа общей готовности оператора к выполнению действий; устройство предполагает строго дискретно-квантовую выдачу результатов контроля оператора в рамках оценки лишь ситуации «опасного» снижения внимания без учета непрерывного изменения концентрации в процессе регистрации биоэлектрических показателей.
Для устранения указанных недостатков предлагается устройство для слежения за степенью концентрации внимания в режиме реального времени при решения различного рода когнитивных задач, путем снятия и анализа электрической активности головного мозга.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости разработки обладающего широким кругом применения устройства, позволяющего в режиме реального времени достоверно определять уровень концентрации произвольного внимания оператора на решении выбранной когнитивной задачи и его динамику.
Техническим результатом заявляемого изобретения является устройство, позволяющее в режиме реального времени детектировать динамику уровня концентрации произвольного внимания оператора в процессе выполнения предлагаемого задания (визуальные и аудиальные когнитивные задачи).
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения в режиме реального времени степени концентрации внимания оператора при восприятии и обработке информации, содержит блоки: стимулятор, осуществляющий в течение интервалов времени, длительность которых может предварительно задаваться или определяться случайным образом, чередование режимов предъявления испытуемому визуального или звукового стимула, или отсутствие такового для наблюдения индивидуальной фоновой активности и формирующий бинарный триггерный сигнал для синхронизации других элементов устройства: высокий логический уровень на интервалах предъявления стимула и низкий логический уровень во время фоновой активности, инвертор, обеспечивающий инверсию триггерного сигнала для управления двумя устройствами выборки-хранения, а также блок регистрации биопотенциалов ЭЭГ для предварительного усиления и фильтрации сигнала, два параллельно включенных полосовых фильтра, выделяющие из сигнала ЭЭГ составляющие в полосах частот, соответствующих альфа- и бета- диапазонам ЭЭГ, интеграторы и детекторы, обеспечивающие расчет мощности частотных составляющих входного сигнала независимо в альфа- и бета- полосах частот, тактируемые сигналом триггера устройства выборки-хранения, сохраняющие значения мощностей этих частотных составляющих, вычисленных на временных интервалах до и после предъявления испытуемому стимула, компараторы, определяющие изменения в альфа- и бета- полосах частот до и после предъявления стимула, тактируемый триггерным сигналом сумматор, складывающий сигналы компаратора и формирующий на выходе сигнал, характеризующий уровень внимания оператора.
Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена детальная функциональная блок-схема устройства в случае регистрации 1 ЭЭГ сигнала, на Фиг. 2 - представлена функциональная блок-схема устройства для обработки нескольких ЭЭГ сигналов, на Фиг. 3 представлено схематичное расположение регистрируемых отведений (используются традиционные международные обозначения O1, O2, Р3, Р4), на Фиг. 4А представлены типовые фрагменты регистрируемых сигналов ЭЭГ по каналам O1, O2, Р3, Р4, на Фиг. 4Б показаны результаты сумматора F с выходов четырех блоков анализа биопотенциалов (F_O1, F_O2, F_P3, F_P4) для каждого испытуемого.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - блок регистрации биопотенциалов ЭЭГ;
2 - блок стимуляции;
3 - блок анализа;
4 - инвертор;
5, 6 - полосовые фильтры;
7, 8 - интеграторы;
9, 10 - детекторы;
11, 12, 13, 14 - устройства выборки-хранения;
15, 16 - компаратор
17 - тактируемый сумматор
18 - сумматор
Устройство для определения в режиме реального времени степени концентрации внимания оператора при восприятии и обработке информации, содержит блоки: блок регистрации биопотенциалов ЭЭГ (1), осуществляющий регистрацию, предварительное усиление и фильтрацию ЭЭГ сигнала; блок стимуляции (2), осуществляющий в течение интервалов времени, длительность которых может предварительно задаваться или определяться случайным образом, чередование режимов предъявления испытуемому визуального или звукового стимула, или отсутствие такового для наблюдения индивидуальной фоновой активности и формирующий бинарный триггерный сигнал для синхронизации других элементов устройства: высокий логический уровень на интервалах предъявления стимула и низкий логический уровень во время фоновой активности; блок анализа (3), состоящий из инвертора (4), обеспечивающий инверсию триггерного сигнала для управления двумя устройствами выборки-хранения (11, 12, 13, 14); два параллельно включенных полосовых фильтра (5, 6), выделяющие из сигнала ЭЭГ составляющие в полосах частот, соответствующих альфа- и бета- диапазонам ЭЭГ, интеграторы (7, 8) и детекторы (9, 10), обеспечивающие расчет мощности частотных составляющих входного сигнала независимо в альфа- и бета- полосах частот; тактируемые сигналом триггера устройства выборки-хранения (11, 12, 13, 14), сохраняющие значения мощностей этих частотных составляющих, вычисленных на временных интервалах до и после предъявления испытуемому стимула; компараторы(15,16), определяющие изменения в альфа- и бета- полосах частот до и после предъявления стимула; тактируемый триггерным сигналом сумматор (17), складывающий сигналы компаратора и формирующий на выходе сигнал, характеризующий уровень внимания оператора.
Устройство работает следующим образом.
С помощью блока регистрации биопотенциалов ЭЭГ (1) регистрируют активность головного мозга оператора. Данный блок включает усилители, фильтры, установленные на затылочной области сухие или контактные электроды, включенные по моно- или биполярной схеме и обеспечивает регистрацию по меньшей мере одного сигнала ЭЭГ в полосе не уже 8-30 Гц. Снимаемый сигнал x(t) поступает на вход блока анализа. Одновременно стимулятор (2) обеспечивает режим предъявления испытуемому визуальных и/или звуковых стимулов S_i, где i=1…N_s, N_s - количество стимулов, предъявляемых данному испытуемого, чередуемых паузами, т.е. периодов отсутствия стимулов, Pi, где i=0…N_P, N Р=(N_s-1) - количество пауз, длительности предъявления стимулов S_i и пауз P_i между ними задаются случайным образом или предварительно задаются исходя из требований эксперимента. Стимулятор (2) представляет из себя в элементарном случае динамик, генерирующий звуковой сигнал, или компьютерную систему с демонстрационным комплектом монитора (проектора) и колонок, или приборы виртуальной или дополненной реальности. При этом стимулятор (2) содержит один выход, который обеспечивает бинарный триггерный сигнал, подаваемый на один из входов блока анализа биопотенциалов (3) и синхронизирует его работу.
Блок анализа (3) имеет два входа и один выход и включает в себя два полосовых фильтра (5) и (6), два интегратора (7) и (8), два детектора (9) и (10), а также четыре устройства выборки-хранения (11), (12), (13), (14), снабженные двумя входами и одним выходом, инвертор (4), два компаратора (15), (16), снабженные двумя входами и двумя выходами и блок вывода (17) с тремя входами и одним выходом, выполненный с возможностью генерации на выходе сигнала, амплитуда которого характеризует уровень концентрации внимания.
Синхронизирующий триггерный сигнал позволяет разделять моменты предъявления стимула (TRG=1) и фоновую активность (TRG=0). При этом сигнал TRG тактирует устройства выборки-хранения (УВХ) (11), (12) и сумматор (17), а также подается на вход инвертора (4), обеспечивающего инверсию триггерного сигнала для устройств выборки-хранения (13) и (14). Сигнал x(t) со входа блока анализа (3) поступает на входы двух параллельно включенных полосовых фильтров (5) и (6), выделяющие из x(t) составляющие в полосах частот, соответствующих альфа- (5) и бета- (6) диапазонам ЭЭГ, сигналы х^α (t) и х^β (t) с выходов фильтров подаются независимо на входы интеграторов (7) и (8), соответственно, сигналы с выходов интеграторов подаются на входы детекторов (9) и (10), на выходах которых формируются сигналы Р(х^α) и Р(х^β), пропорциональные мощности составляющих сигнала ЭЭГ x(t), соответственно, в альфа- и бета-частотных диапазонах, сигналы с выходов детекторов (9) и (10) сохраняются в устройствах выборки-хранения (11) и (12), соответственно, по нарастающему фронту сигнала TRG и в устройствах выборки-хранения (13) и
(14), соответственно, по падающему фронту сигнала TRG за счет инверсии сигнала TRG инвертором (4), таким образом, в УВХ (11) и (12) в каждый момент времени хранятся значения интегральных спектральных плотностей мощностей, соответствующих последней (к данному моменту времени) эпохе наблюдения фоновой активности в альфа- (Р_0(х^α)) и бета- (Р_0(х^β)) частотных диапазонах, а в УВХ (13) и (14) - те же величины, соответствующие последней эпохи стимуляции испытуемого (Р_1(х^α) и Р_1(х^β)). Выходы УВХ (11) и (13) соединены с тристабильным компаратором (15), а выходы УВХ (12) и (14) с тристабильным компаратором (16). Тристабильные компараторы (15) и (16) сравнивают мощности ЭЭГ сигналов в альфа-диапазоне(15) Р_0(х^α) и Р_1(х^α) в бета диапазоне (16) Р_0(х^β) и Р_1(х^β) и формируют на выходе биполярный сигнал, характеризующий изменения в этих диапазонах. Тристабильный компаратор (15) формирует на выходе следующий сигнал: в случае Р_0(х^α)>Р_1(х^α) сигнал имеет некоторую амплитуду А, в случае Р_0(х^α)<Р_1(х^α) - -А и в случае Р_0(х^α)=Р_1(х^α) - 0. В свою очередь, тристабильный компаратор (16) формирует на выходе следующий сигнал: в случае Р_0 (х^β)<Р_1(х^β) сигнал имеет амплитуду А, в случае Р_0(х^β)>Р_1(х^β) - -А и в случае Р_0(х^β)=Р_1(х^β) - 0. При этом пороговым значением равенства сигналов считают порог равный 10 процентам от размаха амплитуды сигналов. Выходы тристабильных компараторов соединены с тактируемым сумматором (17), который обеспечивает суммирование сигналов при изменении фронта триггерного сигналом TGR. Таким образом, на выходе тактируемого сумматора (17) формируется сигнал F амплитуда которого характеризует уровень внимания оператора на стимуле и может принимать следующие значения: F {-2А, -А, 0, А, 2А}.
Итоговые амплитудные значения сигнала F четко характеризуют динамику концентрации внимания испытуемого по его реакции (ответной реакции на стимул) на ряд повторяющихся событий S_i и P_i. В случае F=-2А наблюдается (i) подавление высокочастотной активности (х^β) в ЭЭГ испытуемого, коррелируемой с обработкой стимульной информации, параллельно с (ii) возрастанием собственной фоновой активности (х^α) систем релаксации человека. Для случая F=-А в одно и то же время наблюдается подавление активности (х^β) и сохранение неизменной фоновой активности (х^α) или возрастание активности (х^α) и сохранение неизменным активности (х^β). Для случая F=0 неизменной остается активность (х^β) и (х^α). Для случая F=А в одно и то же время наблюдается возрастание активности (х^β) и сохранение неизменной фоновой активности (х^α) или сохранение неизменной активности (х^β) и подавление активности (х^α). В случае F=2А наблюдается активизация (х^β) и подавление активности (х^α).
Уровень F=-2А соответствует максимальному падению концентрации внимания человека при восприятии стимула S_i после паузы P_i. Уровень F=-А соответствует падению концентрации внимания человека при восприятии очередного стимула S_i после паузы P_i. Уровень F=0 соответствует отсутствию реакции испытуемого на очередной стимул S_i. Уровень F=1A соответствует увеличению концентрации внимания при восприятии очередного стимула S_i. Уровень F=-2А соответствует максимальному повышению концентрации внимания человека при восприятии стимула S_i после паузы P_i.
При регистрации многоканальной ЭЭГ необходимо использовать несколько блоков анализа биопотенциалов (3), каждый из выходов блока регистрации многоканальной ЭЭГ должен быть последовательно соединен с блоком анализа (Фиг. 2). При этом блоки анализа, должны быть параллельно подключены к выходу стимулятора, генерирующего бинарный триггерный сигнал А. Выходы блоков анализа биопотенциалов должны быть подключены к сумматору.
Рассмотрим конкретный пример использования устройства для определения уровня внимания человека. В качестве предъявляемых визуальных стимулов S_i были выбраны записи с элементарными математическими примерами для устного счета в пределах 10. Длительность стимула S_i задавалась случайным образом в пределах 1.0 - 1.5 с.Длительность паузы между стимулами P_i задавалась случайной в пределах 2.4-5.2 с.
Производилась регистрация 4 ЭЭГ сигналов в затылочной области. Согласно международной системе "10-20" расстановки скальповых неинвазивных электродов ЭЭГ на Фиг. 3 схематично изображено расположение регистрируемых отведений и подписаны их традиционные международные обозначения O1, O2, Р3, Р4. Далее описываемые устройства формировали сигналы F для каждого из каналов ЭЭГ: F_Q1, F_O2, F_P3, F_P4, где A=1.
Фиг. 4А демонстрирует типовые фрагменты регистрируемых сигналов ЭЭГ O1, O2, Р3, Р4 (в зависимости от времени регистрации t) и рассчитанных сигналов F_O1, F_O2, F_P3, F_P4 (в зависимости от номера предъявляемого стимула N_s) для трех различных испытуемых И1, И2 и И3. Испытуемый И1 демонстрирует типичный вид характеристик с колебаниями относительно среднего уровня F=0. Испытуемый И2 демонстрирует падение концентрации внимания на значительном временном промежутке (от стимула S_3 и до стимула S_21). Испытуемый И3 демонстрирует высокую концентрацию на предъявляемых визуальных стимулах во время всего демонстрируемого фрагмента.
На Фиг. 4Б показаны результаты сумматора F с выходов четырех блоков анализа биопотенциалов (F_O1, F_O2, F_P3, F_P4) для каждого испытуемого. Отметим, что анализ многоканальной регистрации позволяет уточнить характер динамики концентрации испытуемого в процессе выполнения задач за счет расширения шкалы представления результатов. В то же время категорического изменения характера динамики концентрации не происходит, т.е. характеристика может предполагаться как относительно устойчивая.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достоверно детектировать характерные паттерны электрической активности головного мозга, ответственные как за сосредоточение оператора при восприятии и обработке информации, так и сигнализирующие о снижении произвольного внимания оператора. Одновременно с этим, структура предлагаемого изобретения, обеспечивает высокую универсальность применения как за счет возможности использования различного количества регистрируемых сигналов, так и за счет использования стимулятора, позволяющего предъявлять оператору визуальную и звуковую информацию.