способ контроля за состоянием бодрствования водителя транспортного средства или диспетчера и устройство для предупреждения его засыпания

Формула изобретения

1. Способ контроля уровня бодрствования водителя транспортных средств, заключающийся в закреплении на теле водителя электродов для определения физиологического параметра, фиксации порогового значения определяемого физиологического параметра и сигнализации водителю при достижении физиологическим параметром порогового значения, отличающийся тем, что электроды располагают в околоушной области и определяют в качестве физиологического параметра наведенный переменный электрический потенциал головного мозга в области частот от 0.5 до 42 Гц, после чего рассчитывают фрактальную величину значения данного сигнала для сравнения с пороговым значением.

2. Устройство для предупреждения засыпания оператора, содержащее датчики параметров состояния оператора, подключенные к блоку обработки измерений, выход которого подключен ко входу блока регистрации и анализа, выход которого связан с блоком информации и выработки команды, отличающееся тем, что датчики параметров состояния оператора выполнены в виде двух электродов электроэнцефалографического сигнала для размещения на скальповой области оператора, а блок регистрации и анализа содержит процессорный блок фрактальной обработки сигнала и сравнивающее устройство, связанные между собой, при этом блок информации и выработки команды содержит устройство сигнализации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспорта, в частности к устройствам проверки бдительности диспетчера и для контроля состояния бодрствования водителя транспортного средства.

Применяется для диагностики психофизиологического состояния с целью контроля уровня бодрствования и предупреждения засыпания водителей транспортных средств, диспетчеров, летчиков, операторов и т.п., работа которых связана с повышенным риском.

Из уровня техники известен способ контроля уровня бодрствования, в котором определяют момент, предшествующий наступлению сна (нижнюю ступень бодрствования), путем измерения биоэлектрических параметров оператора, в том числе электросопротивления кожи [1, 2]. Однако электросопротивление кожи во многом зависит не только от уровня бодрствования, но и от ряда других, как внешних, так и внутренних причин, поэтому необходима периодическая динамическая корректировка порогового значения срабатывания, что ухудшает точность способа. Кроме того, измерение электрического сопротивления возможно только при протекании тока через поверхность кожи, что делает этот способ достаточно энергоемким и небезопасным. Также сопротивление кожи сильно зависит от ее влажности. Влажность может сильно меняться как из-за объективных факторов, таких как изменение температуры или влажности внутри кабины или помещения оператора, наличия или отсутствия обдувания области расположения датчиков. Также влажность может меняться из-за непредсказуемых факторов, таких как волнение водителя. Это может приводить к ложным срабатываниям, что ухудшает точность срабатывания устройства контроля.

Также известен способ контроля и управления функциональным состоянием оператора - летчика, включающий регистрацию физиологических параметров состояния оператора, их сравнение с эталонными и воздействие на оператора при наличии информации о возникновении нештатной ситуации и соответствующее устройство [3, 4]. К недостатку данного способа можно отнести большое количество измеряемых параметров (усилие обжатия ручки управления, усилие упора ног, положение головы, частота дыхания и т.д.), а соответственно, и большое количество датчиков, что усложняет практическое применение. Кроме того, данный способ требует наличия конструктивных особенностей управляемого средства, в данном случае самолета, что делает его реализацию зависимой от конструкции и непригодной для водителей транспортных средств другого рода и диспетчеров.

Известен также способ предупреждения засыпания оператора [5], который включает контроль уровня бодрствования путем регистрации распределения давления тела оператора на опорную поверхность, сравнения потенциалов датчиков давления на эту поверхность с эталонными, и при этом момент наступления фазы засыпания фиксируют по изменению положения тела оператора, которое определяют по скачкообразному перераспределению давления - нагрузки на опорную поверхность. Однако данный способ не позволяет реагировать на кратковременную потерю внимания водителем, связанную с легкой дремотой, возникающую до изменения положения тела. Также данный способ затруднителен в применении на ухабистых дорогах, где датчики в стандартной ситуации будут ежесекундно подвергаться акселерационным нагрузкам. Это снижает точность срабатывания устройства контроля. Кроме того, положение тела водителя или диспетчера может измениться после засыпания с достаточно большой задержкой, что снижает скорость срабатывания устройства контроля.

Также известен способ непрерывного контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом и система для его осуществления [6]. Способ заключается в измерении параметров сердечной деятельности и внешнего дыхания оператора в процессе трудовой деятельности, преобразования данных пульсограммы и респирограммы в данные вариационной пульсограммы (ВПГ) и вариационной респирограммы (ВРГ), статистическом и спектральном анализе этих данных. Однако данный способ требует респираторных и пульсовых датчиков, что существенно снижает комфортность диспетчеров и особенно водителей.

Также известен способ контроля бодрствования по регистрации времени реакции оператора на световые и звуковые раздражители [7, 8]. Однако подобный способ недостаточно надежен и мало пригоден для предупреждения засыпания водителей или летчиков, поскольку периодически будет отвлекать их от управления, что уменьшит комфортность и скорость срабатывания самого устройства контроля.

Наиболее близким к изобретению является способ оценки функционального состояния водителя транспортного средства в процессе его работы путем измерения накожного электропотенциала [9]. Данный способ предполагает использование электродов, прикрепленных ко лбу и запястью водителя для оценки постоянной составляющей электрического потенциала. Однако постоянная составляющая, тем более измеренная между столь далеко отстоящими друг от друга электродами, сильно зависит от внешних наводок, различного характера [10], которые могут кратковременно переходить пороговое состояние, вызывая частые ложные срабатывания устройства, что снижает точность способа. Кроме того, расположение электрода на лбу ограничивает функциональные возможности водителя или оператора и снижает комфортность работы.

Изобретение направлено на создание точного, быстрого, надежного способа предупреждения возникновения нештатной ситуации - засыпания водителя или диспетчера и устройства для его реализации, пригодного, в том числе для использования на транспортном средстве и не содержащего датчиков, как ограничивающих движение и функциональные возможности оператора, так и конструктивно не связанных с рабочим местом оператора, что обеспечит безопасность и комфортность управления.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе предупреждения засыпания водителя или диспетчера, включающем контроль уровня бодрствования производится регистрации скальпового биоэлектрического потенциала с датчиков, расположенных в околоушной области и производится расчет фрактальной величины сигнала скальповых электродов для сравнения полученной фрактальной величины с пороговым значением, в случае достижении которого срабатывает автоматика, забирающая у водителя или диспетчера управление при параллельном включении будящей сигнализации.

Как известно, наведенные потенциалы головного мозга являются наиболее объективными показателями уровня бодрствования водителя или диспетчера, и в случае засыпания, первыми изменяют свои параметры. Определение момента засыпания по электроэнцефалографическим сигналам позволяет увеличить скорость и точность срабатывания устройства контроля. Это также повышает безопасность транспортного средства или работы участка, управляемой диспетчером. Кроме того, расположение скальповых электродов в околоушной области на ушной гарнитуре позволяет избавиться от ограничений в передвижении водителя или диспетчера, связанных с расположением датчиков как на его теле, которые ограничивают его подвижность, так и в его кресле или пульте управления. Это повышает комфортность при управлении.

В предлагаемом способе наведенные биопотенциалы головного мозга снимаются с электродов, расположенных возле ушей оператора, как, например, показано на фиг.1 и по расчетным значениям фрактальной величины данного сигнала определяется момент срабатывания устройства, которое позволит как разбудить водителя или оператора, так и забрать у него управление. Снимаемые наведенные потенциалы головного мозга являются переменными, а их информационная оставляющая лежит в области частот от 0.5 Гц до 42 Гц. Это позволяет избавиться от колебаний постоянной составляющей, частота которых лежит в области ниже 0.5 Гц, а также позволяет избавиться от наводок городской осветительной сети, частота которых лежит в области 50±10% Гц. Это делает способ более помехоустойчивым, и, соответственно, более точным. Поскольку потенциалы являются наведенными, то входное сопротивление усиливающего их дифференциального усилителя может быть достаточно большим, что является более безопасным и менее ресурсоемким. Кроме того, изменение уровня сознания в первую очередь отражается на функционировании головного мозга, а уже потом на остальные физиологические параметры. Из этого следует, что принятие решения по электроэнцефалографичекому сигналу является наиболее быстрым по критерию скорости срабатывания, что увеличивает скорость срабатывания устройства контроля. Поскольку сами электроды предполагается располагать в околоушной области водителя или диспетчера расположив их на гарнитуре, пример которой приведен на фиг.1, то они не будут ограничивать функциональную активность водителя или диспетчера, что увеличит их комфортность.

Известно устройство для предупреждения засыпания оператора [5], в котором контроль уровня бодрствования производится путем регистрации распределения давления тела оператора на опорную поверхность, сравнения показания встроенных в эту поверхность датчиков с эталонными значениями и воздействия на оператора. При этом момент наступления фазы засыпания фиксируют по изменению положения тела оператора, которое определяют по скачкообразному перераспределению давления - нагрузки на опорную поверхность. Однако данный способ требует специально предустановленной системы датчиков, располагаемых внутри кресла. Это предполагает их предустановку еще в процессе производства транспортного средства. Также возможны ложные срабатывания прибора на ухабистых дорогах, где датчики в стандартной ситуации будут ежесекундно подвергаться акселерационным нагрузкам. Это снижает точность срабатывания устройства контроля. Кроме того, положение тела водителя или диспетчера может измениться после засыпания с достаточно большой задержкой, что снижает скорость срабатывания устройства контроля.

Изобретение направлено на создание точного, быстрого, надежного устройства предупреждения возникновения нештатной ситуации - засыпания водителя или диспетчера и устройства для его реализации, пригодного, в том числе, для использования на транспортном средстве и не содержащего датчиков, как ограничивающих движение и функциональные возможности оператора, так и конструктивно не связанных с рабочим местом оператора, что обеспечит безопасность и комфортность управления.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для предупреждения засыпания оператора, содержащем датчики параметров состояния оператора, подключенные к блоку обработки измерений, выход которого подключен ко входу блока регистрации и анализа, выход которого связан с блоком информации и выработки команды, датчики параметров состояния оператора выполнены в виде двух электродов электроэнцефалографического сигнала для размещения на скальповой области оператора, а блок регистрации и анализа содержит процессорный блок фрактальной обработки сигнала и сравнивающее устройство, связанные между собой, при этом блок информации и выработки команды содержит устройство сигнализации.

Предложенное устройство для предупреждения засыпания водителя транспортного средства или диспетчера, структурная схема которого изображена на фиг.2, конструктивно состоит из следующих элементов: 1 - скальповый электрод; 2 - референтный электрод; 3 - дифференциальный усилитель; 4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 5 - передатчик сигнала; 6 - приемник сигнала; 7 - процессорный блок фрактальной обработки сигнала; 8 - сравнивающее устройство; 9 - блок предварительного запроса; 10 - устройство сигнализации; 11 - интерфейс пользователя; 12 - устройство регистрации; 13 - тактильный вибратор; 14 - звуковой сигнализатор; 15 - световой сигнализатор; 16 - устройство отключения; 17 - блок снятия сигнала; 18 - блок анализа, регистрации и реагирования.

Скальповый электрод 1, расположенный в области над ухом и референтный электрод 2, расположенный области под ухом снимают биоэлектрический скальповый потенциал, поступающий на вход дифференциального усилителя 3, после чего он оцифровывается с помощью АЦП 4. Далее сигнал поступает на передатчик 5, чтобы посредством распространения электромагнитной волны попасть на вход приемника 6, для последующей передачи на процессорный блок фрактальной обработки сигнала 7. Здесь производится обработка сигнала фрактальным методом, дающим значение какой-либо фрактальной величины, например аппроксимационной энтропии. Аппроксимационная энтропия является мерой детерминированного хаоса и предназначена для получения информации о сложности процессов, происходящих в системе на основании коротких временных рядов Х=[x(1), x(2), , x(N)], где N - длина исследуемого ряда, и составляет примерно от 75 до 5000 отсчетов [11]. Значение аппроксимационной энтропии зависит от размерности псевдофазового пространства m, которое строится по методу Такенса, "фактора фильтрации" r, длины исследуемого ряда N и определяется из выражения [11, 12]:

где (·) - функция Хевисайда, a - абсолютное расстояние между точками в пседофазовом поространстве размерности m. Для подобных рядов из-за их малости в соответствующих работах [11, 12] значение ApEn(m,r,N) рассчитывается только при переходе от двумерного к трехмерному псевдофазовому пространству, то есть m=2, а "фактор фильтрации" берется равным 20% от стандартного отклонения исследуемой величины. Далее задается так называемое окно w - количество отсчетов временного ряда предшествующих последнему на данный момент, для которого вычислялось значение ApEn. Таким образом, длина ряда, для которого вычисляется ApEn, составляет w отсчетов, и, соответственно, N=w. Отступив от конца исследуемого ряда на длину окна, для каждого следующего отсчета до текущего момента, вычисляется значение ApEn.

Полученная величина поступает на сравнивающее устройство 8, где она сравнивается с величиной порогового значения. В случае понижения данной величины ниже порогового значения, связанного с понижением уровня сознания, на блок предварительного запроса 9 подается соответствующий сигнал. Блок предварительного запроса, в свою очередь, запрашивает информацию о бодрствовании водителя или диспетчера путем подачи сигналов на тактильный вибратор 13, звуковой сигнализатор 14 и световой сигнализатор 15, которые опционально могут быть подключены к устройству. Если водитель или диспетчер не отреагировал на данный запрос через интерфейс пользователя 11, то на устройство сигнализации 10 подается соответствующий сигнал, которое, в свою очередь, подает сигнал на устройство отключения 16, отключающее подачу газа для водителя транспортного средства или включающее автоматику, заменяющую диспетчера. Также, предлагается информацию, поступающую от приемника 6, процессорного блока фрактальной обработки сигнала 7 и интерфейса пользователя 11 записывать на регистрирующем устройстве 12, что позволит облегчить процедуру выяснения причины возникновения аварийной ситуации, если таковая будет иметь место.

Скальповый 1 и референтный 2 электроды выполнены из слабополяризующегося материала с хлористо-серебрянным либо золотым или другим покрытием, обладающим малым сопротивлением и химически и механически стойким к агрессивным средам. Дифференциальный усилитель 3, является малошумящим дифференциальным усилителем постоянного тока с чувствительностью до нескольких микровольт. Частотный диапазон информативного сигнала головного мозга лежит в области от 0.5 до 42 Гц. Аналого-цифровой преобразователь 4 дискретизирует сигнал с таким условием, чтобы частота дискретизации была не реже 200 отсчетов в секунду, а уровень сигнала различался в пределах от нескольких микровольт до одного милливольта. Передатчик 6 и приемник 7 могут как присутствовать в случае беспроводной связи, так и отсутствовать в случае наличия проводной связи. Процессорный блок фрактальной обработки производит непрерывный расчет фрактальной величины сигнала в режиме реального времени, что обеспечивает наибольшую скорость срабатывания устройства. Электроды 1 и 2, а также элементы 3-6 конструктивно объедены в один блок, располагающийся в околоушной области водителя или диспетчера. Элементы 6-12 конструктивно объедены в единый блок анализа, регистрации и реагирования 18, который может быть выполнен как в виде отдельного устройства, так и быть программно реализованным на базе портативного компьютера. Тактильный вибратор 13 может располагаться в любом месте, с которым непосредственно и постоянно соприкасается тело водителя или диспетчера. Световой сигнализатор 14 должен постоянно располагаться в зоне видимости водителя или диспетчера, а звуковой сигнализатор 15 должен располагаться в зоне его слышимости соответственно. Расположение скальповых электродов в околоушной области на ушной гарнитуре позволяет избавиться от ограничений в передвижении водителя или диспетчера, связанных с расположением датчиков как на его теле, ограничивающих его подвижность, так и в его кресле или пульте управления. Это повышает комфортность водителя или диспетчера. Анализ электроэнцефалографических сигналов позволяет более точно и более быстро реагировать на засыпание водителя, что повышает его безопасность.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Устройство для контроля за состоянием бодрствования водителя транспортного средства: пат. 1681844А1 СССР № 4660843/14; заявл. 10.03.89; опубл 07.10.91. Бюл № 37 А61В 5/18.

2. Способ контроля уровня бодрствования: пат. 459216 СССР № 1935081/31-16; заявл 21.06.73; опубл. 05.02.75. Бюл. № 5. А61В 5/18.

3. Способ определения утомления человека: пат. 1598969А1 СССР № 4338603/30-14; заявл 03.12.87; опубл. 15.10.90. Бюл. № 38. А61В 5/16.

4. Способ контроля и управления функциональным состоянием летчика в полете и устройство для осуществления способа: пат. 2150886 С1 Рос Федерация № 9911497128/28, заявл. 08.07.1999; опубл. 20.06.2000. А61В 5/16 G09B 9/10.

5. Способ предупреждения засыпания оператора и устройство для предупреждения засыпания оператора: пат. 2197177 С1 Рос. Федерация. № 2001132300/14, заявл. 30.11.2001; опубл. 27.01.2003. А61В 5/18, А61В 5/16.

6. Способ непрерывного контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом и система для его осуществления: пат. 2091057 С1 Рос. Федерация. № 93004065/14, заявл. 28.01.1993; опубл. 27.09.1997. А61В 5/16.

7. Устройство контроля бодрствования: пат. 1438712 А1 СССР № 4130934/28-14, заявл. 24.06.1986; опубл. 23.11.1988. А61В 5/18.

8. Способ оценки функционального состояния центральной нервной системы человека и устройство для его осуществления: пат. 2153847 С2 Рос. Федерация № 97100298/14, заявл. 9.01.1997; опубл. 10.08.2000. А61В 5/16.

9. Способ контроля уровня бодрствования водителя транспортных средств: пат. 869756 А1 СССР № 2877501/28-13, заявл. 30.11.1979; опубл. 07.10.1981. А61В 5/18.

10. Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии. М.: МЕДпресс-информ, 2004. 187 с.

11. Approximate Entropy in the Electroencephalogram During Wake and Sleep / Naoto Burioka, Masanori Miyata, Germaine Cornelissen, Franz Halberg, Takao Takeshima, Daniel T. Kaplan, Hisashi Suyama, Masanori Endo, Yoshihiro Maegaki, Takashi Nomura, Yutaka Tomita, Kenji Nakashima and Eiji Shimizu // Journal of Clinical EEG & Neuroscience, January 2005.36(1). - PP.21-24.

12. Srinath Vukkadala, Vijayalakshmi.S, and Vijayapriya.S, Automated Detection Of Epileptic EEG Using Approximate Entropy In Elman Networks // International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol 1, No.1, May 2009 PP.307-312.