УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОРРЕКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
DEVICE FOR CORRECTION OF HUMAN OPERATOR'S FUNCTIONAL STATE

Изобретение относится к системе формирования и поддержания необходимой работоспособности операторов (ФИПРО), физиологии труда, инженерной психологии, и может быть использовано для восстановления работоспособности и коррекции функционального состояния человека-оператора (ЧО).
Известен патент на изобретение «Светозвуковое устройство для психофизиологической релаксации» RU 1463309, МПК A61N 5/06, А61Н 39/00, 15.11.1994, где представлено устройство для воздействия на биологический объект, согласно которому в комнате размещена светодинамическая установка в виде светозвукового устройства, содержащего блок управления, канала световых воздействий, вход которого соединен с первым выходом управления и содержит формирователь световых сигналов, вход которого является входом канала световых воздействий, и световой стимулятор, вход которого соединен с выходом формирователя световых сигналов, и содержащее канал звуковых воздействий, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и содержит формирователь звуковых сигналов, вход которого является входом канала звуковых воздействий, и звуковой стимулятор, вход которого соединен с выходом формирователя звуковых сигналов.
Недостатком данного технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку светодинамическая установка обеспечивает комплексное воздействие на человека, но световое воздействие не охватывает полный угол его зрения как сбоку, так и сверху. Это снижает эффективность психоэмоционального воздействия на человека.
В патенте на полезную модель «Устройство воздействия на психоэмоциональное состояние человека» RU 86884, МПК А61М 21/00, 18.02.2009, представляющая собой комнату, в которой размещены светодинамические установки.
Устройство состоит из двух частей, конструктивно соединенных между собой, причем верхняя часть выполнена в виде многослойной сферы, содержащей внешнюю оболочку из композитного материала, средний слой из металлических пластин, расположенный между двумя слоями звукоизолирующего материала, и оболочку из немагнитного материала, а также включает помещение, расположенное во внутреннем объеме сферы.
Помещение содержит площадку, разделенную на вспомогательный и профессиональный участки, содержащие мебель, а потолок помещения выполнен в виде натяжного потолка из зеркальной пленки, причем профессиональный участок содержит кресла пациентов, размещенные в начале профессионального участка и обращенные в сторону боковых и лицевой сторон комнаты, а светодинамические установки размещены последовательно по полуокружности перед креслами пациентов в пространстве от пола до потолка комнаты.
Нижняя часть устройства содержит корпус из немагнитного материала цилиндрической формы, соединенный с основанием, на котором установлены два экранированных модуля с устройствами воздействия.
Обеспечивается одновременное комплексное световое, изобразительное и шумовое воздействие на пациента, охватывающее полный угол его зрения как по боковым сторонам, так и сверху. Это повышает эффективность психоэмоционального воздействия на пациента.
Однако, при психоэмоциональном воздействии не учитываются индивидуальные особенности организма пациента, не предусмотрена возможность прерывания сеанса при необходимости. Кроме того, реализация данного патента требует наличие достаточно многочисленного и громоздкого специального оборудования, занимающего по объему комнату.
В патенте на изобретение «Способ оказания активирующего воздействия на функциональное состояние человека световым излучением от светодиодного источника» RU 2517367, МПК A61N 5/06, А61В 5/0476, 27.07.2012 описан способ оказания активирующего воздействия на функциональное состояние человека световым излучением от светодиодного источника. Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в профессиональной патологии. Данный способ предполагает воздействие на открытые глаза человека белым светом, варьируемым по цветовой температуре в диапазоне 1700 К - 10000 К. При этом, по параметрам регистрируемой электроэнцефалограммы, осуществляется индивидуальный подбор цветовой температуры, оказывающий активирующее воздействие.
Основным недостатком данного способа является использование медицинской аппаратуры - электроэнцефалографа, предполагающего обязательное участие медицинского персонала в процедуре оказания активирующего воздействия на функциональное состояние человека. Кроме того, данный способ не предназначен для проведения коррекции по программам нормализации и релаксации. Способ не предусматривает звуковое воздействие.
В патенте «Способ коррекции функционального состояния человека и устройство для его осуществления (варианты)» RU 2217182, МПК A61N 06/00, 22.10.2001 описан способ и устройство воздействия импульсным световым излучением, изменяющимся по частоте и амплитуде в соответствии с параметрами пульса. Воздействие осуществляется попеременно на каждый глаз сбоку световым излучением, мигающим с частотой 0,15-0,6 Гц. Световое излучение модулировано импульсными сигналами с частотой 2-12 Гц, которые имеют форму пульсовой волны пациента при максимальной величине амплитуды 5-6 Лк, с периодом их следования в 1,25 раза больше длительности самого импульсного сигнала.
Способ включает устройство, содержащее управляемый функциональный преобразователь, соединенный с источниками света. Источники света установлены в корпусе, выполненном в виде полумаски из непрозрачного материала. Способ и устройство обеспечивают эффективное физиотерапевтическое воздействие на человека и могут быть использованы для восстановления работы головного мозга и психофизиологической коррекции состояний человека при депрессии, стрессах, утомляемости, снижении работоспособности.
Недостатком данного решения является использование в качестве обратной связи параметров пульса. Это связано с тем, что в индивидуальные нормы частоты пульса, которые не учтены в данном изобретении, у разных людей могут существенно отличаться в зависимости от возраста, наличия заболеваний и т.п. Кроме того, использование в качестве воздействия мелькающего света в ряде случаев может провоцировать эпилептические припадки у людей предрасположенных к фотосенситивной эпилепсии. Способ не предусматривает звуковое воздействие.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является «Устройство полисенсорной релаксации» RU 17425, МПК А61Н 1/00, 16.10.2000.
Устройство содержит блок аудиовизуального воздействия с датчиком обратной связи по дыханию, формирователь музыкальных сигналов и электронный модуль управления, отличающееся тем, что электронный модуль управления выполнен в виде портативного пульта управления, который дополнительно снабжен перепрограммируемым запоминающим устройством и цифровой клавиатурой для выбора программы и изменения параметров воздействующих сигналов в пределах выбранной программы.
Программа, как правило, состоит из четырех фаз: адаптации, релаксации, нормализации и активации. Но в некоторых случаях, в зависимости от индивидуальных особенностей организма пациента, фазы активации и/или нормализации могут быть исключены.
Такое конструктивное исполнение позволяет выбрать одну из хранящихся в запоминающем устройстве микроконтроллера программ воздействия на пациента перед началом сеанса в соответствии с медицинскими рекомендациями и с учетом состояния пациента и индивидуальными особенностями его организма.
Однако, в данном изобретении не предусмотрена возможность предварительных настроек, учитывающих индивидуальные психофизиологические особенности человека-оператора (ЧО), его текущее функциональное состояние, а также изменение параметров управления и времени воздействия, для гибкого встраивания во временные интервалы режима труда и отдыха (в зависимости от перерывов). Акустическое воздействие осуществляется посредством воспроизведения функциональной музыки (ФМ) и амплитудно-модулируемого «белого» шума без воздействия «цветным» шумом определенной спектральной плотности (далее по тексту используется термин «цветной» шум). Отсутствует сохранение и вызов ранее введенных настроек.
Задачей данного изобретения является разработка устройства, обеспечивающего повышение работоспособности путем коррекции функционального состояния у длительно работающего ЧО, характеризующегося высокой полнотой корректирующего воздействия, а также компактностью компоновки используемого оборудования.
Амплитудно-модулируемое аудиовизуальное воздействие (АМАВ), т.е. воздействие посредством звука и света, осуществляется в соответствии с одной из трех программ проведения коррекции: нормализации, активации или релаксации. Каждая из программ коррекции представляет собой совокупность этапов - временных интервалов, на которых изменяются интенсивности звука и света по алгоритму, определяемому конкретной программой коррекции.
Акустическое и световое воздействие на органы слуха и зрения человека осуществляется одновременно. Акустическое воздействие осуществляется посредством воспроизведения музыкальных композиций и амплитудно-модулируемого стационарного шумового сигнала заданной спектральной плотности. Световое воздействие осуществляется посредством отраженно-рассеянного света с преобладающей длиной волны 525 нм. При этом интенсивность света и «цветного» шума синхронизируется с частотой дыхания.
Предлагаемое устройство для коррекции функционального состояния ЧО включает в себя следующие программно-аппаратные средства: персональный компьютер (ПЭВМ); стереонаушники; наголовное устройство - маска с датчиками дыхания, кнопкой управления и источниками света; блок управления, который соединяет маску с ПЭВМ и обеспечивает управление интенсивностью света и звука с компьютера; программу для ЭВМ.
Устройство и его работа поясняются рисунками (Рис. 1 и рис. 2). На рис. 1 представлено схематическое изображение маски с датчиками дыхания, на котором изображено: поз. 1 - маска; поз. 2 - непрозрачная шторка; поз .3 - корпус датчиков дыхания; поз. 4 - гибкий металлорукав; поз. 5 - датчик дыхания акустический; поз. 6 - датчик дыхания термический; поз. 7 - источники света; поз. 8 - кнопка управления; поз. 9 - непрозрачный экран.
На рис. 2 показана блок-схема взаимодействия составных частей устройства поз. 10 - стереонаушники; поз. 11 - микроконтроллер; поз. 12 -усилитель тока; поз. 13 - USB - аудиоадаптер; поз. 14 - USB-концентратор; 15 - программа для ЭВМ.
Функционально составные части устройства взаимодействуют следующим образом. Маска (1) соединена с блоком управления по четырем двухпроводным линиям связи для подключения акустического (5) и термического (6) датчиков дыхания, источников света (7) и кнопки управления (8). Микроконтроллер (11) блока управления осуществляет оцифровку аналогового сигнала от термического датчика дыхания (6), анализирует состояние кнопки управления (8), а также управляет яркостью источников света (7). В качестве источников света могут быть использованы светодиоды, соединенные параллельно. Если мощности выходных аналоговых линий микроконтроллера (11) недостаточно - в схеме предусмотрен усилитель тока (12). В качестве микроконтроллера может быть использована аппаратная платформа Arduino, например Arduino Pro Micro на базе микроконтроллера ATmega32U4, имеющего аппаратную поддержку USB-интерфейса. Микроконтроллер посредством USB-кабеля соединен с USB-концентратором (14), расположенным в блоке управления. Акустический датчик дыхания (5) соединен с микрофонным входом USB-аудиоадаптера (13), который оцифровывает аналоговый сигнал с датчика. Стереонаушники (10) соединены с линейным выходом аудиоадаптера (13), который соединен с USB-концентратором (14) посредством USB-кабеля. USB-концентратор (14) соединен с персональным компьютером посредством USB -кабеля.
Маска (1) включает в себя следующие составные части: две непрозрачные шторки (2) для защиты глаз от прямого воздействия света от источников света (7); экран (9) белого матового цвета; два блока источников света (7) расположенные между шторками (2) и экраном (9) с левой и правой стороны, кнопка управления (8); акустический (5) и термический (6) датчики дыхания, расположенные в металлическом корпусе (3), соединенным с маской гибким металлическим рукавом (4). Источники света (7) направлены на экран (9) таким образом, чтобы достичь максимально равномерную засветку экрана. Для более равномерной засветки нужно использовать несколько источников света. Для светодиодов с углом излучения 120° рекомендуется использовать не менее пяти штук с каждой стороны.
Программа для ЭВМ (15) реализует протокол информационного взаимодействия между ПЭВМ и микроконтроллером (11), также функции настройки параметров и выполнения программ коррекции.
В отличие от ранее обсуждаемых прототипов устройство позволяет осуществлять предварительную индивидуальную и групповую настройку параметров выбранной ЧО программы воздействия. Индивидуально настраиваемыми параметрами являются: музыкальная композиция и максимальный уровень ее интенсивности, шумовой сигнал определяемый видом его спектральной плотности и максимальный пиковый уровень его интенсивности, максимальная пиковая интенсивность света. Указанные параметры задаются ЧО индивидуально с учетом личных предпочтений и принципа комфортности зрительного и слухового восприятия.
Групповая настройка параметров подразумевает настройку общей длительности программы воздействия и ее отдельных этапов, минимальный уровень интенсивности функциональной музыки (ФМ), «цветного» шума, а также длительность этапа ускоренного завершения программы в случае возникновения такой необходимости. Данные параметры задаются с учетом психофизиологических особенностей деятельности, режима труда и отдыха конкретных групп операторов и условий проведения сеанса коррекции (уровень шума в помещении, где проводится коррекция и т.п.).
После предварительной настройки программы воздействия ее параметры сохраняются, а запуск осуществляется нажатием кнопки управления (8). При повторном выборе программы воздействия ЧО может поменять настройки, в частности - выбрать другую музыкальную композицию в соответствии со своими предпочтениями.
Модулирование амплитуды «цветного» шума осуществляется при помощи программы для ЭВМ (15) путем изменения уровня громкости проигрываемого звукового фрагмента.
Модулирование интенсивности света осуществляется посредством изменения яркости источников света (7) - светодиодов с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для управления яркостью светодиода с использованием ШИМ используется микроконтроллер (11), подключенный к ПЭВМ по одному из широко распространенных интерфейсов (например RS232, Ethernet). В этом случае микроконтроллер получая от программы для ЭВМ (15) команду на изменение яркости устанавливает необходимый уровень скважности ШИМ, и соответственно усредненный уровень яркости светодиода.
Частота следования пиковых значений интенсивности шума и света зависит от частоты дыхания за счет применения обратной связи по дыханию, а профиль изменения интенсивности определяется длительностью выдоха и выбранной программой сеанса коррекции функционального состояния.
Обратная связь по дыханию реализуется с использованием термического (6) и акустического (5) датчиков. При этом, для обработки и передачи в ПЭВМ данных с термического датчика используется внешний микроконтроллер. Например, для получения данных с термического датчика (6), реализованного с использованием термистора с отрицательным температурным коэффициентом, при помощи микроконтроллера измеряется сопротивление термистора, зависящее от его температуры. В процессе дыхательного цикла при выдохе температура термистора повышается на 2-10 градусов (в зависимости от температуры воздуха окружающей среды) и понижается при вдохе. Акустический датчик (5) представляет собой миниатюрный микрофонный капсюль с диаграммой направленности в виде кардиоиды. Аналоговый сигнал с акустического датчика (5) через USB-аудиоадаптер (13) поступают в оцифрованном виде программу для ЭВМ (15), где осуществляется его спектральное преобразование.
Техническое решение реализуется следующим образом. До проведения сеанса коррекции испытуемый при помощи программы для ЭВМ выбирает конкретный режим программы воздействия с возможностью настройки профилей изменения интенсивности на каждом этапе выбранной программы и дальнейшим сохранением индивидуальных настроек.
После выполнения индивидуальных настроек или загрузки ранее сохраненной настройки запускается сеанс коррекции функционального состояния.
Сеанс коррекции проводится в положении лежа или сидя в удобном кресле. Человек надевает маску (1), при помощи гибкого металлического рукава (4) устанавливает корпус с датчиками дыхания (3) под носом, надевает стереонаушники (10) и нажимает на кнопку управления (8).
АМАВ по программе нормализации включает в себя три этапа. На первом этапе интенсивность ФМ и пиковые интенсивности шума и света плавно уменьшаются от максимального до минимального уровня. На втором этапе интенсивность ФМ и пиковые интенсивности шума и света соответствуют значению интенсивности, достигнутой в конце первого этапа, и не изменяются на протяжении всего этапа. На третьем этапе интенсивность ФМ и пиковые интенсивности шума и света постепенно увеличиваются до максимального уровня.
АМАВ по программе активации осуществляют в два этапа, на первом этапе интенсивность шума и света устанавливаются на минимальном уровне интенсивности, и не изменяются на протяжении всего этапа, на втором этапе интенсивность ФМ и пиковые интенсивности шума и света постепенно увеличиваются до максимального уровня.
АМАВ по программе релаксации состоит из двух этапов, на первом этапе интенсивность ФМ и пиковые интенсивности шума и света плавно уменьшаются от максимального до минимального уровня, на втором этапе интенсивность ФМ и пиковые интенсивности шума и света не изменяются до окончания программы.
Предварительная настройка параметров необходима по следующим причинам.
1. Выбор музыкальной композиции определяется индивидуально каждым ЧО в соответствии со своими музыкальными предпочтениями исходя из его текущего психоэмоционального состояния.
2. Выбор шумового сигнала осуществляется из предложенных трех видов исходя из личных предпочтений.
3. Выбор интенсивности музыки и шума осуществляется индивидуально с связи различным состоянием органа слуха операторов в зависимости от возраста, наличия заболеваний по органу слуха; уровнем шума окружающей обстановки на месте проведения сеанса коррекции; индивидуальным уровнем громкости для комфортного восприятия музыки и «цветного» шума.
При этом фактическая максимальная пиковая интенсивность шума и музыки при проведении сеанса коррекции используется на 2 дБ выше выбранной ЧО.
Выбор максимального уровня светового воздействия осуществляется индивидуально на основе принципа комфортности восприятия выбранной яркости света.
Необходимость выбора общей длительности программы коррекции и отдельных ее этапов обусловлена располагаемым временем для проведения сеанса.
В процессе профессиональной деятельности существуют ситуации, когда в связи с необходимостью экстренного включения в работу возникает потребность досрочного завершения сеанса коррекции, проводимого по программе нормализации или активации. В этом случае текущий этап программы коррекции прерывается и начинает выполняться этап, на котором происходит ускоренное увеличение интенсивности пиковых значений шума и света. Это позволяет минимизировать вероятность ухудшения качества деятельности в первые минуты после прерванного сеанса коррекции.
Минимальное время для досрочного завершения программы коррекции относится к групповым настройкам и определяется спецификой профессиональной деятельности конкретных групп операторов, но не может быть менее 20 секунд. Досрочное прерывание сеанса коррекции осуществляется нажатием на кнопку управления (8), при помощи которой он запускался.
Технический результат.
Устройство позволяет реализовать коррекцию функционального состояния ЧО с помощью акустического и светового воздействия на органы слуха и зрения человека осуществляющееся одновременно с использованием любой из трех программ: нормализации, активации или релаксации с возможностью корректного прерывания сеанса, предварительных индивидуальных и групповых настроек сеанса и сохранением его результатов.