устройство для предотвращения сна

Формула изобретения

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 и блок оповещения, отличающееся тем, что 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, при этом вычислитель через интерфейсный блок связан с передатчиком, выполненным с возможностью передачи информации на индикатор удаленного блока оповещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронным устройствам диагностики состояния человека, в частности к устройствам контроля и подачи сигнала засыпающему человеку, например водителю автомобиля или оператору ответственного производства.

Общеизвестны различные приемы предотвращения засыпания водителя во время езды, начиная от разговора с водителем, громкого включения радио или магнитофона или подачи каких-либо шумовых сигналов.

Компании Daimler Chrysler, Fiat и Simens планируют начать разработку системы, способной разбудить засыпающего водителя. Проект называется «Awaks» (пробуждение). Водителя будут контролировать специальные сенсоры, встроенные в компьютер. Они будут измерять скорость, с которой человек моргает, а также усилие, с которым он сжимает руль. Если система сделает вывод, что водитель засыпает, она начнет подавать сигнал (См. http:www.business.kiev.ua/i505/a13764/ от 14.02.2004 г./38 кб).

Такой, скорее всего, еще не осуществленный способ предотвращения засыпания водителя уже имеет ряд существенных недостатков. Во первых, система срабатывает на уже свершившийся факт того, что человек уснул, а значит, опасность возникновения аварийной ситуации не снизилась. Во вторых, во время езды водитель может просто кратковременно отпустить или ослабить удержание руля и тогда система сработает, и, в третьих, наличие компьютера уже предполагает его сложную конструкцию и высокую коммерческую стоимость.

Известны способ и устройство фотоплетизмографии, используемые в животноводстве, см. «Техника в сельском хозяйстве», № 1, 2000 год, стр.16-19. Известный способ заключается в облучении тканей биологического объекта источником чаще всего инфракрасного излучения - светодиод VD1, питаемого напряжением U через ограничительный резистор R1, и последующей регистрации фотоприемником VD2 отраженной или прошедшей через ткань части этого излучения, см. фиг.1. Изменения оптической плотности живой ткани обусловлены пульсациями крови в периферических сосудах биологического объекта. Интенсивность излучения, отраженного или рассеянного исследуемой тканью, зависит от количества содержащейся в ней крови. При помощи фотоплетизмографов регистрируют только изменения содержания крови, причем излучение рассеивается в основном за счет эритроцитов. Поток излучения, падающий на фотоприемник, зависит не только от изменения количества крови, но и от содержания кислорода в ней при дыхании. Чтобы исключить это влияние, нужно выбирать такую область спектра - так считают авторы статьи, где поглощение излучения артериальной и венозной кровью одинаково. На выходе измерительного тракта фотоплетизмографа регистрируется как переменная, так и постоянная составляющие усиленного сигнала. Переменная составляющая - пульсовая кривая - отражает ритмическую деятельность сердца. Амплитудно-временные частотные параметры этой кривой и ее первой производной используют для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы организма. Постоянная составляющая характеризует средний уровень кровенаполнения тканей и также несет диагностическую информацию о работе систем организма. Зависимость оптических свойств крови от содержания в ней кислорода позволяет измерять степень ее оксигенизации, степень прозрачности.

К недостаткам известного устройства, осуществляющего указанный способ диагностики, можно отнести неполное использование параметров, по которым определяется состояние животного, например не используется функция прозрачности крови, которую в известном устройстве и способе пытаются максимально исключить. Используется не весь спектр жизнедеятельности животного, только активная его часть - бодрствование, причем отсутствует обратная связь.

Известно устройство для предупреждения об опасности водителя механического транспортного средства при потере им активности вследствие, например, засыпания - прототип - см. описание изобретения к патенту РФ № 2111133, М.кл. 6 И 60 К 28/06. «Устройство для предупреждения об опасности водителя механического транспортного средства при потере им активности вследствие, например, засыпания». Устройство содержит 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, и блок оповещения, датчик частоты пульса сердца, связанный выходной цепью со счетчиком частоты и выполненный в виде преобразователя изменений насыщенности крови в электрические сигналы с миниатюрным источником света и фотопроводящим полупроводниковым элементом, узел звуковой сигнализации, при этом в устройство введен частотный компаратор, подключенный входами к выходу установочного частотного генератора и выходной цепи датчика частоты пульса, а выходом - к входу узла звуковой сигнализации, упомянутые источник света и фотопроводящий элемент установлены на прикрепленной к мочке уха прищепке с возможностью расположения их по обеим сторонам от мочки, при этом прищепка соединена эластичной резиной с размещаемой на раковине уха подвеской. Работа устройства основана на регистрации частоты пульсации сердца и предусматривает подачу предупредительного сигнала в головной телефон в случае снижения частоты пульса ниже определенного предела. Датчик закрепляется на мочке уха водителя с помощью прищепки и состоит из миниатюрного источника света и фотоприемника, располагаемых по обе стороны мочки уха. Изменения насыщенности крови в кровеносных сосудах мочки преобразуются в электрические сигналы. В электронном блоке с помощью частотного компаратора производится оценка частоты пульса, а посредством счетчика отображается текущее значение частоты.

К недостаткам известного устройства можно отнести возможность ложного срабатывания тревожной сигнализации, к которой водитель постепенно привыкнет и в полусонном состоянии не сможет правильно оценить обстановку и принять решение, к тому же пульс может снизится при различных, далеких от засыпания, состояниях человека, в том числе, например, при длительной монотонной спокойной езде. К тому же водитель может быстро заснуть и при больших частотах пульса, например, после продолжительной напряженной поездки или бессонной предшествующей поездке ночи, болезненном состоянии и др. Установка самим водителем заданного количества ударов пульса при помощи ручного управления также может привести к ошибке в выборе момента подачи тревожной сигнализации.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности - обеспечение действенного контроля за состоянием водителя и расширение путей воздействия на засыпающего водителя.

Поставленная задача достигается тем, что 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, при этом вычислитель через интерфейсный блок связан с передатчиком, выполненным с возможностью передачи информации на индикатор удаленного блока оповещения.

Признаки того, что 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, при этом вычислитель через интерфейсный блок связан с передатчиком, выполненным с возможностью передачи информации на индикатор удаленного блока оповещения, являются признаками новыми, неочевидными и неожиданными, направленными на достижение поставленной изобретением задачи более действенного, точного и объективного определения момента засыпания водителя и вследствие этого заблаговременной подачи различных по интенсивности и по виду тревожных или соответствующих назначению индикаторов сигналов, предотвращающих засыпание водителя во время езды.

Математическая обработка по программе поступающих в вычислитель цифровых кодов сигналов по амплитуде, периоду и прозрачности крови в сочетании с тестовыми показателями прозрачности крови конкретного водителя позволяет просчитать скорость снижения этих параметров и, как следствие, уровень способности водителя к управлению транспортным средством и момент включения тревожной сигнализации, которая в предлагаемом устройстве может осуществляться несколькими путями - по радиоканалу на диспетчерский пульт контроля или на включение дополнительных средств воздействия на водителя, либо в блок индикации для включения световой или звуковой сигнализации, либо при помощи блока обратной связи воздействовать слабыми электрическими токами заданной частоты и геометрии на мочку уха водителя при помощи электродов, смонтированных, например, на корпусе зажима (прищепки), в том числе на биологически активную точку мочки уха, отвечающую за состояние сна человека.

На фиг.1 схематично представлена блок-схема предлагаемого устройства для предотвращения сна.

На фиг.2 графически представлена пульсовая кривая - реограмма, отражающая деятельность сердца.

На фиг.3 представлена кривая сигнала по напряжению в зависимости от изменения прозрачности крови в зависимости от степени ее насыщения кислородом.

Предлагаемое устройство условно разбито на два основных блока, которые могут быть размещены как в одном корпусе, так и в нескольких, - это блок считывания и преобразования сигнала 1 и блок оповещения 2. Блок считывания и преобразования сигнала 1 состоит из генератора 3, усилителя 4, схемы И 5 (схема объединения двух и более сигналов), источника ИК-излучения 6, приемника ИК-излучения 7, усилителя 8, аналого-цифрового преобразователя 9, блока анализа 10, вычислителя 11, интерфейсного блока 12, передатчика 13, источника питания 14, второго приемника ИК-излучения 15, второго усилителя 16, второго аналого-цифрового преобразователя 17.

Блок оповещения 2 состоит из блока индикации (индикатор) 18, звукового индикатора 19, трех светоиндикаторов 20, 21, 22 и блока обратной связи 23.

Устройство крепится, например, на мочке 24 уха водителя при помощи подпружиненного зажима (прищепки) со смонтированными в его частях двумя контактами (на чертеже не показаны).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исходное положение. Блок считывания и преобразования сигнала 1 при помощи подпружиненного зажима закрепляется на мочке 24 уха водителя. Контакты подпружиненного зажима касаются поверхности тела мочки 24 с двух сторон. Блок оповещения 2 монтируется, например, на приборной панели автомобиля непосредственно перед водителем и подключается к сети питания. Генератор 3 через усилитель 4 задает режим пульсации источника ИК-излучения 6 для создания экономичного расхода питания и помехоустойчивого режима работы.

При включении источника ИК-излучения 6 осуществляется сквозное просвечивание мочки 24 уха водителя. При выходе ИК-излучения из мочки уха световой сигнал на входе приемника ИК-излучения 7 первой цепочки приборов преобразуется в электрический сигнал, отображаемый во времени в виде кривой, изображенной на фиг.3. Величина напряжения электрического сигнала соответствует функции прозрачности крови в кровеносных сосудах мочки уха в зависимости от количества растворенного в крови кислорода, которая математически выражается формулой как U=F(V%),

где U - величина напряжения сигнала,

F - функция прозрачности (V%) среды в процентах.

Усилитель 8 усиливает сигнал и через блок аналого-цифрового преобразователя 9 преобразует входное напряжение в цифровой код. Напряжение U1 соответствует максимальному значению насыщения кислородом крови, U2 - минимальному значению растворенного в крови кислорода. Множество точек на участках кривой от точки U1 до точки U2 будут свидетельствовать о подходе состояния человека к одному из расположенных на кривой состояний. Сигнал, превращенный в цифровой код, подается в блок анализа 10, где анализируется прозрачность крови (изменения прозрачности крови условно разбиты от 0% до 100%) и передается в вычислитель 11, в котором предварительно в программу обработки сигналов занесены тестовые результаты прозрачности крови конкретного водителя.

Одновременно осуществляется обработка электрического сигнала по амплитуде и периоду пульсовой кривой (реограммы), см. фиг.2, во второй цепочке. При этом электрический сигнал после приема его вторым приемником 15 поступает на вход второго усилителя 16, а с выхода усилителя 16 на вход второго аналого-цифрового преобразователя 17, где и преобразуется в цифровой код и подается на вход блока анализа 10, в котором регистрируется разница амплитуды и периода пульсаций крови, после чего с выхода блока анализа сигнал поступает на вход вычислителя 11.

Вычислитель 11 осуществляет математические расчеты скорости изменения поступивших сигналов, соответствующих параметрам водителя по амплитуде, периоду и прозрачности крови в сочетании с тестовыми параметрами водителя по прозрачности и через интерфейсный блок 12 и передатчик 13 передает информацию в формате RS 232, например, на удаленный пульт контроля диспетчера. Одновременно в результате вычислений, если вычислитель 11 «приходит к выводу» о предстоящем наступлении сна водителя, он передает сигнал на вход блока индикации 18 о включении по заданной последовательности световых индикаторов 20, 21, 22 либо о включении звукового индикатора 19, либо включении обоих индикаторов и блока обратной связи. Если скорость изменения - снижения параметров прозрачности, амплитуды и периода продолжается, то преобразованный электрический сигнал через блок обратной связи подается на электроды для осуществления воздействия слабым электрическим током заданной геометрии и частоты на мочку уха водителя.

Блок индикации (индикатор) 18 работает в трех основных режимах. Зеленый световой сигнал индикатора 20 горит постоянно и оповещает водителя о нормальном его состоянии - первом режиме, предшествующем засыпанию. Мигающий красный световой индикатор 21 свидетельствует о подходе водителя ко второму режиму параметров, предшествующих состоянию засыпания, при этом включается звуковой индикатор 19 на прерывистое звучание. Постоянно горящий индикатор 21 говорит о наступлении третьего режима, третьего уровня параметров, предшествующих засыпанию водителя, при котором включается на постоянное звучание звуковой индикатор 19 и подается электрический сигнал через блок обратной связи 23 на электроды мочки уха. Водитель после воздействия на него комплекса сигналов приходит в бодрствующее состояние и включается световой индикатор синего цвета 22. При этом используется известная расцветка индикаторов - красный цвет - это раздражитель, зеленый - успокаивающий, синий - нормализующий.

Переданная информация с передатчика может приниматься по радиоканалу и в удаленном пункте сбора и анализа данных о конкретном человеке, например в специализированном пункте сбора информации. Источник питания 14 обеспечивает необходимым питанием работу блока считывания и преобразования 1. При бодрствующем нормальном состоянии человека горит зеленый светодиод 20 блока индикации 18. Если человек находится в стадии, предшествующей засыпанию, формируется сигнал «внимание» и начинает мигать, например, красный индикатор 21.

Устройство перед началом его использования настраивается под каждого конкретного человека. Для этого на мочке уха водителя закрепляют блок считывания и преобразования сигнала 1 и включают питание. Создаются условия, при которых человек начинает засыпать, и производят его тестирование на засыпание. При этом путем визуального наблюдения за изменением состояния водителя снимают величину напряжения U1 в бодрствующем состоянии, U2 - во время сна и фиксируют величину напряжения сигнала Ui в момент его засыпания. После определения значений напряжения, характеризующих прозрачность крови, последние вводят в программу вычислителя 11. После чего устройство готово к эксплуатации для конкретного человека.

В случае, если человек устал и имеет вяло текущий тонус, то для восстановления тонуса можно включить все три светодиода 20, 21, 22, после чего идет стимуляция человека и приведение его в состояние бодрствования заданными частотными посылками.

В настоящее время авторами изготовлен макет опытного образца устройства, проведены предварительные испытания, и проводится работа по созданию микросхем и чипов устройства. Испытания проводились на пассажире-водителе, сидящем рядом с водителем. Результаты испытаний положительные - пассажир-водитель просыпался как при подаче светового прерывистого красного сигнала, так и при постоянном его загорании и включении звукового сигнала. Обратную связь включали самостоятельно для проверки ее работоспособности и воздействия. После воздействия слабыми электрическими токами заданной частоты и геометрии на мочку уха пассажира-водителя последний взбодрился и было отмечено, что в течение 40-60 минут ему спать не хотелось.

Считаем, что предлагаемое устройство будет востребовано не только водителями автомобилей, трамваев, троллейбусов, поездов, но и людьми, работа которых требует повышенного внимания - космонавты, диспетчеры, операторы, студенты, охранники и др.