Наручное устройство для регистрации физиологических сигналов

Настоящая полезная модель относится к области пользовательской диагностики, а именно к устройствам для регистрации фотоплетизмограммы, электродермальной активности, температуры и двигательной активности на руке человека, и может применяться как самостоятельно, так и в составе аппаратно-программного комплекса для контроля функционального состояния людей в процессе выполнения производственной деятельности.
Известно наручное устройство для регистрации физиологических сигналов [Empatica E4 Sensors, Электронный ресурс. Режим доступа к ресурсу http://box.empatica.com/documentation/20141119_E4_TechSpecs.pdf - свободный; патентные заявки JP 2019048128, опубл. 28.03.2019 г.; US 2019259368, опубл. 22.08.2019г.; JP 2019177175, опубл. 17.10.2019г.], содержащее корпус, в котором расположены передающая антенна, электроды регистрации электродермальной активности и двигательной активности, оптическая система регистратора фотоплетизмограммы (ФПГ), пирометрический датчик температуры. При этом частота дискретизации по каналу регистрации ФПГ составляет 64 Гц, частота дискретизации по каналу регистрации электродермальной активности оставляет 4 Гц, диапазон измерений двигательной активности составляет 100 мкСм при разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящего в состав канала регистрации двигательной активности, 8 бит.
Недостатками известного устройства является низкое качество регистрации физиологических параметров, отсутствие обратной связи с пользователем, что в целом приводит к его ограниченной функциональности и области применения.
Целью, на которую направлено настоящая полезная модель, является повышение производительности труда специалистов различных профессий, поскольку она позволяет вовремя и достоверно регистрировать физиологические параметры и сообщать об их изменениях пользователю в режиме реального времени. Техническим результатом заявляемого устройства является расширение арсенала средств подобного назначения при одновременном повышении их функциональности за счет обеспечения обратной связи с пользователем.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что наручное устройство для регистрации физиологических сигналов включает корпус, содержащий блок управления, с которым связаны акселерометрический датчик двигательной активности, фотоплетизмографический модуль, пирометрический датчик температуры, разъем для подключения электродов регистрации электродермальной активности, блок питания, передающая антенна, вибромотор для формирования вибротактильных воздействий на руку, и средство крепления корпуса на руке, соединенное с корпусом, который снабжен кнопкой включения/выключения, соединенной с блоком управления.
Возможен вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что средство крепления корпуса на руке выполнено в виде браслета из ремня, обхватывающего запястье.
Таким образом, благодаря совмещению в себе функции регистратора физиологических сигналов и устройства стимуляции (обеспечение вибротактильного воздействия, управляемого с ПК), удается расширить арсенал средств подобного назначения и повысить функциональность устройства. Вибротактильное воздействие используется для информирования человека об изменении его состояния (например, чрезмерное утомление), что в совокупности с количеством регистрируемых параметров приводит к обеспечению повышения производительности труда (отношение времени нахождения работника в оптимальном функциональном состоянии при выполнении трудовых операций к общему количеству рабочего времени), поскольку человек вовремя получает информацию о своем состоянии и может незамедлительно принять соответствующие меры.
Сущность заявляемого технического решения более подробно поясняется с помощью фигур и нижеследующего описания.
На Фиг. 1 представлена блок схема заявляемого устройства.
На Фиг. 2 изображено заявляемое устройство на руке пользователя по п. 5 формулы.
На Фиг. 3 изображено заявляемое устройство на руке пользователя по п. 6 формулы.
Наручное устройство для регистрации физиологических сигналов (Фиг. 1-3) включает корпус 1 и средство 2 крепления корпуса 1 на руке, соединенное с корпусом 1.
Корпус 1 содержит блок 3 управления, с которым связаны акселерометрический датчик 4 двигательной активности (ДА), фотоплетизмографический (ФПГ) модуль 5, пирометрический датчик 6 температуры, разъем 7 для подключения электродов регистрации электродермальной активности (кожно-гальванической реакции – КГР), блок 8 питания, передающая антенна 9, вибромотор 10 для формирования вибротактильных воздействий на руку.
Корпус 1 может быть дополнительно снабжен индикатором 11 состояния, соединенным с блоком 3 управления и выполненным, например, в виде светодиода, обозначающего режим включения, или многофункционального светодиода (RGB светодиода), способного работать в заданных режимах.
Корпус 1 дополнительно может быть снабжен кнопкой 12, соединенной с блоком 3 управления и предназначенной для включения/выключения или выполненной мультифункциональной с возможностью восприятия нажатия различной̆ длительности и частоты и передачи в ПК (на чертеже не показано) различных информационных меток, которые могут понадобиться в дальнейшем для анализа. Это могут быть метки, свидетельствующие об изменении субъективного ощущения пользователя своего состояния или информирование об изменении типа его деятельности. Информационные метки могут кодироваться различной длительностью нажатия или сочетанием нескольких нажатий (серия) с разной длительностью и интервалами между ними. Наличие такой возможности дополнительно повышает функциональность заявляемого устройства.
Функции индикатора 11 и кнопки 12 определяются прикладным программным обеспечением, установленным в блоке 3 управления.
Блок 3 управления предназначен для управления всеми процессами устройства и передачи и приема данных с ПК. Блок 3 управления может содержать систему (на чертеже не показано) на кристалле, включающую микроконтроллер (с постоянной и оперативной памятью), таймеры (8/16), интерфейсы (I2C и SPI), АЦП, а также мультипротокольный приемопередатчик для взаимодействия с ПК посредством передающей антенны 9. Данные по измерению физиологических сигналов, информации о моментах подачи вибротактильных воздействий, а также информация о нажатии на кнопки 12 передаются на ПК и сохраняются на нем. Обеспечивается возможность доступа к этим данным со стороны ПО устройства Для повышения эксплуатационной пригодности заявляемое устройство имеет современный беспроводной интерфейс (bluetooth low energy – BLE, с протоколом не ниже 4.1, в частности, протокол 5.0), позволяющий передавать данные на персональный компьютер для сохранения, анализа и использования полученных результатов для формирования возможных информационных посылок. Для исключения значимых ограничений на выбор персонального компьютера, который будет принимать данные с устройства используется специальный USB-BLE-адаптер, подключаемый к USB-разъему ПК и решающий на аппаратном уровне возможность работы с BLE устройствами под Windows.
Блок 8 питания обеспечивает питание всех элементов устройства напрямую и/или через блок 3 управления и может содержать гнездо (на чертеже не показано) для батареек или аккумулятор (на чертеже не показано) и контроллер (на чертеже не показано) аккумулятора, включающий модуль контроля напряжения аккумулятора, линейное зарядное устройство, модуль контроля температуры аккумулятора, селектор источника питания, линейный стабилизатор/ключ нагрузки, импульсный стабилизатор. Обеспечивается зарядка аккумулятора устройства от адаптера питания с разъемом USB с помощью кабеля зарядки.
Заявляемое устройство обеспечивает регистрацию оптимального количества физиологических сигналов, отражающих уровень активации вегетативной нервной системы (ВНС), характеризующий функциональное состояние человека, а также уровень двигательной активности руки.
Двигательная активность (ДА) отражает частоту и интенсивность движений человека. Она используется в качестве дополнительной информации для интерпретации остальных физиологических показателей. Двигательная активность регистрируется с помощью акселерометрического датчика 4 ДА, включающего АЦП, программируемый выход для генерации прерываний, модуль определения ситуации свободного падения, модуль определения движения, температурный сенсор, модуль самотестирования. При этом для повышения качества регистрируемого сигнала используется разрядность встроенного в датчик АЦП ≥ 14 бит, динамический диапазон канала должен быть ±20м/с2 (2 g), разрешение не ниже 0.01м/c2.
По фотоплетизмограмме можно оценивать частоту пульса (ЧП) и амплитуду пульсовой волны (АПВ). Значения частоты пульса могут быть использованы для расчета параметров вариабельности сердечного ритма, которые в свою очередь характеризуют хронотропный механизм регуляции и степень баланса симпатического и парасимпатического отделов ВНС. Чем выше средние значения ЧП и чем ниже вариабельность их значений, тем выше степень напряжения регуляторных систем. Значения амплитуды пульсовой волны зависят от тонуса резистивных сосудов, что в свою очередь характеризует сосудистый механизм регуляции и степень напряжения. Чем ниже амплитуда пульсовой волны, тем выше тонус сосудов и степень напряжения. Фотоплетизмограмма регистрируется с помощью ФПГ модуля 5, включающего оптическую систему и реализованного на базе микросхемы, имеющей встроенную функцию устранения компоненты постоянной̆ составляющей̆ (DC), повышенную разрядность токового АЦП и встроенный̆ способ организации по выходным данным (FIFO – «first in, first out»). При этом для повышения качества регистрируемого сигнала используется разрядность встроенного АЦП ≥ 18 бит, диапазон регистрации ≥ 80 дБ, полоса частот 0 – 30 Гц, диапазон длины волны 430-940 нм, частота дискретизации (ЧД) ≥ 125 Гц.
Температуру отражает процессы терморегуляции и зависит от разных факторов. Часть из них относятся к факторам окружающей среды (температура и влажность в помещении), а часть характеризует функциональное состояние человека и динамику его изменения. Температура кисти может отличаться от температуры тела на несколько градусов, а относительная динамика ее изменения отражает динамику тонуса магистральных и периферических сосудов. Повышение температуры кисти свидетельствует о снижении тонуса периферических сосудов и о повышении периферического кровотока. Косвенно это указывает на релаксацию испытуемого и на снижение артериального давления, т.к. при снижении тонуса периферических сосудов улучшается отток крови из артериальной системы в венозную. Температура регистрируется с помощью пирометрического датчика 6 температуры, реализованного на базе микросхемы. При этом для повышения качества регистрируемого сигнала используется разрядность встроенного АЦП – 24 бита, диапазон измерения 0 - 40 °C, разрешение 0.1 °C, погрешность измерения ±1°C, частота дискретизации ≥ 25 Гц.
Из данных об электродермальной активности (кожно-гальванической реакции – КГР) или кожной проводимости можно получать тоническую и фазическую компоненту, характеризующие степень активации ВНС на основе степени активации потовых желез, влияющих на кожную проводимость. Электродермальная активность является одним из общепризнанных физиологических коррелятов активации ВНС и степени эмоционального напряжения. Она используется также в некоторых случаях, как предиктор перехода из состояния бодрствования в состояние дремоты и засыпания. Исходная функция КГР представляет собой сумму двух составляющих - тонической̆ и фазической. Каждая составляющая может быть получена из исходной̆ функции путем математических преобразований. Тоническая составляющая - путем интегрирования. С позиции технического решения, путем сглаживания или фильтрации исходного сигнала в полосе частот: от 0 Гц до 0,05 Гц. Фазическая – дифференцированием исходного сигнала, что достигается фильтрацией̆ в более высокочастотной̆ области: от 0,05 Гц до 2 Гц. По своей̆ сути, такое преобразование делается с целью получения производной̆ или фазической КГР от исходной̆ функции. Поскольку фазическая составляющая КГР может быть получена из тонической̆ составляющей̆ КГР устройство передает в ПК только тоническую составляющую, а фазическая получается в результате обработки на стороне ПК. Электродермальная активность регистрируется с помощью электродов, которые подключаются к разъему 7 для подключения электродов регистрации электродермальной активности (кожно-гальванической реакции – КГР). При этом для повышения качества регистрируемого сигнала используется разрядность встроенного АЦП ≥ 24 бита, диапазон регистрации 1- 200 мкСм, разрешение 0.1 %, частота дискретизации ≥ 25 Гц.
Электроды для регистрации электродермальной активности, сенсоры оптической системы ФПГ модуля 5 и пирометрический датчик 6 температуры расположены на стороне корпуса 1, обращенной к телу, для обеспечения непосредственного контакта с поверхностью руки.
Вибромотор 10 представляет собой устройство, предназначенное для управляемого формирования вибротактильных воздействий на руку в зависимости от заданных критериев. Обеспечивается вибротактильное воздействие длительностью не менее 0,5 секунды с возможностью программного задания от ПК длительности воздействия.
При работе с устройством обеспечено информирование пользователя о значении визуальных и вибротактильных стимулов при осуществлении персонализированной обратной связи. Это может быть реализовано с помощью отображения инструкций на рабочей станции (мобильном устройстве) или посредством индикации на самом устройстве с помощью блока 3 управления.
Корпус 1 может быть изготовлен из полимерного материала, например, пластмассы.Корпус 1 может состоять из двух частей основы и крышки, прикрученной к основе, например, с помощью винтов. В корпусе 1 могут быть образованы отверстия (на чертеже не показано) или прикреплены дужки (проушины) 13 для фиксации средства 2 крепления корпуса 1 на руке.
Сигнал КГР наилучшим образом регистрируется с участков тела, имеющих максимальную плотность потовых желез. Сигнал пульсовой̆ волны по ФПГ наилучшим образом регистрируется с участков тела, имеющих максимальную плотность кровеносных сосудов, особенно резистивных. Динамика температуры наилучшим образом регистрируется также с участков тела, в которых высокая плотность сосудов, особенно терморегулирующим. Этим обусловлено конструктивное размещение датчиков регистрации в устройстве, с размещением его на руке человека.
Средство 2 крепления корпуса 1 на руке может быть выполнено в виде браслета из ремня, обхватывающего запястье (Фиг. 2).
Конструкция устройства также допускает его возможную установку на ладонную часть руки (тенар), на которой̆ имеется высокая плотность потовых желез и высокая плотность кровеносных сосудов.
Однако поскольку на боковой поверхности ладони кровеносные сосуды и потовые железы расположены близко к поверхности, то для обеспечения более качественного и достоверного съема сигнала средство 2 крепления корпуса 1 на руке может быть выполнено в виде двух ремней, по меньшей мере частично обхватывающих запястье и ладонь между большим и указательным пальцами руки, соответственно, так, чтобы при закреплении на руке корпус 1 размещался на боковой стороне ладони (Фиг. 3). Кроме того, такой вариант крепления устройства позволяет более надежно его использовать, так как не мешает рукав одежды и снижается вероятность его сдвига с места.
Конструкция ремешков должна предусматривать возможность настройки под размер руки взрослого человека. Этой цели служит эластичный ремешок с отверстиями или часть ремешка выполнена с липучками.
Заявляемое устройство применяют следующим образом. Пользователь при выполнении какого-либо вида деятельности надевает на руку устройство. Включает его и запускает процесс измерения. Как только устройство зафиксирует превышение заданного порогового значения какого-либо показателя, пользователь будет уведомлен об этом с помощью вибротактильного воздействия, а при наличии индикатора 11 еще и визуально, и сможет принять соответствующие меры по устранению причины снижения производительности труда.
Пример 1.
Разработчик программного обеспечения получает уведомление в виде двухсекундной вибрации при превышении статистически задаваемого порога амплитуды электродермальной активности, что свидетельствует о чрезмерном эмоциональном возбуждении. Чрезмерно эмоциональное возбуждение приводит к повышению частоты ошибок в программном коде, что негативно сказывается на общей продуктивности разработки. Виброуведомление, в данном случае, подсказывает о необходимости сделать перерыв либо упражнения для нормализации психоэмоционального состояния.
Пример 2.
Водитель получает уведомление в виде пятисекундной пульсирующей вибрации в случае снижения частоты сердцебиения, определяемой по ФПГ и снижения амплитуды электродермальной активности, что свидетельствует о наступлении засыпания. Уведомление служит предложение сделать перерыв для восстановления сил, что снизит вероятность наступления аварийной ситуации и, в итоге, повысит производительность труда за счет снижения времени простоя из-за аварии.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает регистрацию сигналов КГР, ФПГ, температуры и двигательной̆ активности и вибротактильное воздействие заданной̆ длительности на руку, что позволяет своевременно уведомить пользователя об изменении его состояния и, в конечном итоге, повысить его производительность труда.