Применение радиоканала для оценки уровня использования ресурсов организма
Аннотация
Предлагается применение специализированных интегральных микросхем (многоканальная система сбора данных и передатчик), для оперативной диагностики уровня функциональных ресурсов человека и для обеспечения достижения оптимального психофизиологического состояния в текущем виде деятельности. Предложены и апробированы критерии оценки оптимального, состояния, рассчитан коэффициент корреляции выбранных критериев.
Статья рассчитана на самый широкий круг читателей, и может быть полезна инженерам-разработчикам медицинской аппаратуры, медикам, биологам, психологам, и пр.
Ключевые слова: психофизиологические состояния, ресурсы организма, радиоканал, измерительная система, теория оптимальных состояний системы.05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения
С ростом ЧС различного характера в настоящее время от человека требуется принятие решений в условиях острого цейтнота, сопровождающееся режимом экстремальной работы организма. В этом режиме может проявляться редкий феномен – переход организма в состояние сверхсознания, характеризующийся слаженной работой всех его систем, и значительным расширением его функциональных возможностей. Несмотря на множество исследований в этой области, до сих пор не существует ни единой теории функционирования организма в этих состояниях, ни уверенных методов их инициации. Появляется необходимость экспресс-оценки уровня активации резервных возможностей человека с целью ответа на следующие вопросы: не превышен ли критический предел ресурсов организма, есть ли еще ресурс и насколько его хватит, что необходимо для его быстрого восстановления и т.д. Кроме того, поскольку каждую отдельную ЧС трудно спрогнозировать, а вхождение в состояния сверхсознания до сих пор остается вероятностным процессом, то было бы целесообразно снабдить каждого индивида подверженного повышенному риску (R≥10-3) попадания в ЧС, индивидуальным портативным прибором, снимающим все основные физиологические показатели организма.
Наиболее информативным является канал ЭЭГ, однако, в состояниях сверхсознания частота мозговой активности превышает 50Гц. Это делает невозможным использования 50Гц-вых фильтров в ЭЭГ-регистраторах, что существенно усложняет их применение, в местах присутствия бытовой электрической сети. В качестве других каналов биологической информации могут быть применимы канал фотоплетизмограммы, канал электрической активности кожи, температуры тела и температуры окружающей среды, что кроме того позволит нормировать показания канала электрической активности кожи, акселерометрия, стабилоподошвы [1].
Все перечисленные каналы биологической информации не требуют высокой точности и могут быть реализованы, например, на однокристальном приемопередатчике nRF24El, nRF24E2 или nRF9E5 фирмы Nordic Semiconductor. Микросхемы nRF24E1 и nRF24E2 имеют встроенный микропроцессор 8051, 10-разрядный 9 канальный АЦП с цифровыми линиями ввода-вывода. Максимальная скорость передачи данных составляет до 1 Мбит/с, на рабочей частоте передачи 2,4 ГГц
Рис. 1 Структурная схема однокристального приемопередатчика серии nRF9E5
Рис. 2 Структурная схема однокристального передатчика nRF24E2
Максимальная скорость передачи данных для nRF9E5 составляет до 100 Кбит/с. Ширина полосы пропускания радиоканала составляет 100 кГц для частоты 433 МГц и 200 кГц для частот 868 и 915 МГц. Остальные технические характеристики ИМС аналогичны, за исключением меньшего числа каналов АЦП – 4.
В случае необходимости увеличения динамического диапазона измерений возможно применение ИМС nRF24Z1 с внешним АЦП. nRF24Z1 позволяет осуществлять беспроводную передачу данных на несущей частоте 2,4 ГГц со скоростью 4 Мбит/с с разрешающей способностью 24 бит, при частоте дискретизации 96 кГц. Для передачи данных используется интерфейс, совместимый с S PDIF, для подачи управляющих сигналов — интерфейс SPI или двухпроводный интерфейс, совместимый с FC. Архитектурой MegaZtream обеспечивается безошибочная передача данных и дополнительная управляющая информация, например, для изменения масштабирования. Все вышеперечисленные ИМС функционируют в широком диапазоне напряжений: от 1.9 до 3.6 В при уровне потребления не более 30мА в режиме передачи, и 8мкА в режиме Stand Bay [2].
Прибор может быть выполнен в виде браслета, шлема или вживляться непосредственно под кожу, чтобы создать максимальный уровень комфортности для человека. Информация о физиологических параметрах может, как записываться на постоянный носитель, так и передаваться по радиоканалу. Фактически такой прибор может стать аналогом черного ящика используемого на авиатранспорте. В случае гибели, он поможет восстановить картину и причины смерти, что значительно облегчит как разработку методов повышения выживаемости, так и прокурорское расследование причин смерти [3].
В качестве критерия оценки предпочтительного ПФС организма может быть использован критерий адаптации, предложенный в [4]
где n - количество учитываемых переменных состояния; Р(хj) - вероятность отклонения переменной xj от «предпочтительного» состояния.
Для оценки ПФС человека-оператора для каждого вида деятельности в качестве оптимального состояния принимается «индивидуальный оптимум». Значение вероятности рассчитывается по следующей формуле:
где 
- среднее значение признака xза исследуемый период времени; δ- величина допустимого отклонения от "нормы"; σ - среднее квадратическое отклонение признака х; Φ -функция Лапласа.
Для оценка правомочности предложенных принципов построения систем оценки и коррекции ПФС человека-оператора в 2007 г. на базе ЗАО «ОКБ Ритм» проводилось апробация отдельных блоков системы (стабилометрия, фотоплетизмограмма) на студентах ТТИ ЮФУ на основе теста Шульте. Коэффициент корреляции между успешностью выполнения теста Шульте и временем нахождения в предпочтительном ПФС по выбранному критерию составил 0,73.
Литература:
- 1.Хало П.В., Галалу В.Г., Миляева Е.А. Защита входных цепей информационно-измерительных систем от помех и наводок [Текст]//Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках. Материалы международной научной конференции. Часть 4. Таганрог, 2006. С.17-27.
2.Product specification [Текст] // электронные ресурс, http://www.nvlsi.no
3.Хало. П.В. Сверхмобильные системы с биологической обратной связью [Текст]//Изв. ТРТУ №5 Таганрог, 2004, С. 182 – 184.
4.Ротов А.В., Медведев М.А., Пеккер Я.С., Берестнева О.Г. Адаптационные характеристики человека. [Текст] // Томск: Издательство Том. ун-та, 1997. -137с.