Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

Структура и алгоритмы протокола передачи сигналов биологической обратной связи в игровом модуле «XONIX»

Сурушкин М.А. Пятакович Ф.А.

Актуальность исследования. Снижение уровня здоровья людей связано напрямую с соци­альной напряженностью современного общества. Среди многих причин находит свое место и не­умение конкретного человека снимать избыточное нервно-психическое напряжение, возникающее вследствие повышенного ритма активности и пе­регрузок в работе. Одним из путей решения этой проблемы является внедрение в практику проведе­ния профилактических мероприятий технологий, связанных с методами компьютерного биоуправ­ления. Компьютерные игровые тренажеры, напри­мер, позволяют человеку осуществлять обучение управлению биологическими параметрами собст­венного организма, а, следовательно, приобретать навыки контроля физического и психического состояния.

Для оптимизации биоуправляемого игрового тренинга [1] необходимо руководствоваться фун­даментальными хронобиологическими принципа­ми, позволяющими использовать мультипарамет-рические сигналы управления в качестве сигналов биологической обратной связи [2,3].

Настоящее исследование выполнено в соот­ветствии с планами проблемной комиссии по хро­нобиологии и хрономедицине РАМН, и с одним из основных научных направлений «БелГУ»: «Разработка универсальных методологических приемов хронодиагностики и биоуправления на основе биоциклических моделей и алгоритмов с использованием параметров биологической обрат­ной связи», а также при поддержке проекта РНП.2.2.3.3/4307 «Разработка структур трехуров­невых биотехнических систем, предназначенных для виртуального игрового тренинга, включаю­щих видимое фоновое и фиксирующее изображе­ния, а также субсенсорные дискретные световые сигналы», аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала выс­шей школы (2009-2010 годы)».

Результаты исследования. Нами был разра­ботан метод игрового тренинга, который базиру­ется на методах хронобиологии. Игровой модуль «Xonix» с мультипараметрической обратной свя­зью представляет собой биотехническую систему, состоящую из соответствующего аппаратного и программного обеспечения. Программный модуль включает датчики пульса, дыхания, аркадный иг­ровой сюжет и подпрограмму обратной связи, получающую и обрабатывающую сигнал с входа звуковой платы и меняющую условия игровой среды в зависимости от значения амплитуды по­лученного сигнала. Звуковая карта в игровом мо­дуле используется в качестве аналогово-цифрового преобразователя.

Сигнал с датчика пульса поступает сначала на вход формирователя, после чего этот сигнал запускает схему одновибратора и в последующем поступает на интегратор. Поскольку в модуле применены ключи, управляемые импульсами отрицательной полярности, предусмотрены два инвертора [4].

Таким образом, напряжение на элементе хра­нения пропорционально времени между двумя смежными импульсами и, следовательно, измерив его значение в точке расположения этого элемен­та, можно определить межпульсовой интервал в каждый момент времени.

В качестве датчика дыхания использован гер-коновый переключатель, встроенный в нагрудную манжету. В момент выдоха герконовый ключ ра­зомкнут и на вход №1 смесителя сигнал не посту­пает. В этом случае его выходное напряжение рав­няется напряжению на элементе хранения и нахо­дится в интервале от 1 до 2,5 вольт. При вдохе грудная клетка наполняется воздухом, что приво­дит к уменьшению расстояния между переключа­телем и магнитом. При приближении к магниту герконовый ключ замыкается и подает напряже­ние на вход №1 смесителя. Сигналы на входах №1 и №2 смешиваются, и разброс амплитуды вы­ходного напряжения уменьшается до пределов от

0,333 до 0,833 вольт.

Выходной сигнал системы датчиков, ампли­туда которого содержит в себе информацию о межпульсовом интервале и положении грудной клетки, соответствующем вдоху или выдоху, по­дается на вход схемы сопряжения датчиков с ком­пьютером.

Резистивный делитель используется для уменьшения максимального предела уровня вы­ходного сигнала со смесителя системы датчиков до уровня 1,25 вольт. Включение этих блоков в структуру схемы сопряжения обусловлено необ­ходимостью защиты линейного входа звуковой платы от сгорания из-за превышения допустимого уровня амплитуды напряжения (1,5 - 2 В). Рези-стивные блоки схемы сопряжения подбираются так, чтобы для их сопротивлений R1 и R2 выполня­лось равенство:

   (например, 10 КОм и 10 КОм).

Таким образом, амплитуда выходного сигна­ла схемы сопряжения равна половине значения амплитуды на выходе системы датчиков.

Особенностью работы линейного входа зву­ковой карты является возможность обработки только сигналов в виде волновых колебаний подобных звуку. Такое ограничение заставляет мо­дулировать сигнал, поступающий с выхода рези-стивного делителя, представляя его в виде волн с произвольной частотой (экспериментально уста­новлено, что наиболее подходящая частота - 3 Гц) и определенной датчиками амплитудой. Формиро­вание колебаний реализуется при помощи задаю­щего генератора, который изменяет частотную составляющую выходного сигнала через смеси­тель схемы сопряжения.

Источник образцового (эталонного) напряже­ния используется для калибровки звуковой карты. В качестве эталонного напряжения подается мак­симально возможная амплитуда выходного сигна­ла схемы сопряжения Umax=1,25 вольт. Это напря­жение применяется для установки такого уровня громкости на регуляторе (микшере) линейного входа, при котором данная амплитуда, а следова­тельно и меньшие значения будут приниматься без искажений - все звуковые карты имеют пре­дельное значение уровня приема внешнего сигна­ла и в случае превышения этого уровня происхо­дит отсечение всех точек, по модулю превосходя­щих это значение. В качестве источника напряже­ния используется блок питания с постоянным то­ком с уровнем 1,25 вольт.

Ключ позволяет переключать режим работы схемы сопряжения. Первый режим необходим для калибровки звуковой карты и включается обычно один раз для каждого компьютера до начала игро­вого тренинга. При включении этого режима вме­сто изменяющегося во времени выходного сигна­ла системы датчиков на смеситель поступает по­стоянный сигнал с эталонным напряжением. За­дающий генератор изменяет частотную состав­ляющую этого сигнала, после чего он поступает на вход звуковой карты. Полная настройка карты занимает не более двух минут, после чего схему можно переключать во второй режим работы, при котором уже происходит прием биологической информации. Таким образом, ключ, выполненный в виде обычного переключателя, служит для выбо­ра источника сигнала для подачи на смеситель.

Подпрограмма обратной связи, содержащаяся в игровом модуле «Xonix», при помощи встроен­ных функций по работе с мультимедийной инфор­мацией в Borland Delphi 7.0 снимает показания пиковых значений амплитуды (Ud) волнового сиг­нала с линейного входа звуковой карты.

Для корректной работы подпрограммы необ­ходимо сначала произвести ее настройку, которая заключается во включении линейного входа и ус­тановке уровней громкостей на регуляторах, о которых упоминалось выше, а также определение коэффициента пропорциональности между образ­цовым входным аналоговым stUa и преобразован­ным цифровым сигналом Ud:

Как указывалось ранее, в качестве образцово­го сигнала выбрана максимальная амплитуда, т. е. stUa=Umax=1,25. Для подачи этой амплитуды на вход карты необходимо включить на схеме сопря­жения режим «Настройка» с помощью соответст­вующего переключателя. Выполнение такой на­стройки необходимо только один раз для каждого компьютера в случае, если установки микшера входа звуковой карты не будут изменены вруч­ную; в противном случае настройку необходимо проводить повторно. Найденное значение коэффи­циента kf используется в дальнейшем для опреде­ления фактической амплитуды сигнала Ua с био­логической информацией, поступившего от систе­мы датчиков (формула [2]). Для получения этого сигнала необходимо включить на схеме сопряже­ния режим «Прием».

Считывание значения амплитуды Ud осущест­вляется циклично с минимально возможным пе­риодом - 1 мс, в специально организованном потоке, который работает непрерывно до закрытия программы. С целью сглаживания иногда появ­ляющихся помех (произвольных или непроиз­вольных движений человека), влияющих на ам­плитуду сигнала, за управляющее значение напря­жения принимается среднее арифметическое зна­чение чисел, полученных потоком за период 3 секунды.

Полученное числовое значение раскладыва­ется на две составляющие. Во-первых, в зависимо­сти от того, в какой диапазон амплитуд попадает сигнал, поступивший на вход компьютера, пере­менной-флагу дыхания присваивается одно из двух возможных значений: если амплитуда нахо­дится в диапазоне от 0,5 до 1,25 вольт, то флаг становится равным 0 (выдох), диапазону от 0,167 до 0,417 вольт соответствует 1 (вдох). Во-вторых, каждому значению амплитуды соответст­вует определенный межпульсовой интервал RR.

Для увеличения точности перевода значение амплитуды при вдохе умножается на 3 и округля­ется с точностью до пяти тысячных.

На основании полученного значения меж­пульсового интервала вычисляется текущая часто­та пульса:

Частота пульса и флаг, определяющий вдох и выдох, отображаются на экране в окне игрового модуля, что дает возможность обучаемому челове­ку следить за собственными электрофизиологиче­скими показателями.

В течение сеанса игрового тренинга также непрерывно вычисляется соотношение показате­лей сердечного ритма и дыхания:

где T - количество сердечных импульсов, прихо­дящихся на один дыхательный цикл; P - частота пульса (в ударах в минуту); - продолжительность одного дыхательного цикла (в секундах).

За начало дыхательного цикла принимается первая появившаяся на входе единица-1 (вдох). В этот момент переменной tдыхц присваивается зна­чение ноль - 0 (начало отсчета) и при помощи постоянно работающего с периодом 100 мс тайме­ра начинается отсчет времени: после каждого сра­батывания таймера значение tдыхц увеличивается на 0,1 с. В конце цикла, который определяется следующей единицей, поступившей на вход ком­пьютера, после изменения предыдущей единицы на 0 (выдох), вычисленная величина tдыхц и по­следнее полученное с входа компьютера значение частоты пульса P подставляются в формулу [4] для нахождения показателя T. Выводы:

1.   Разработан биоуправляемый игровой мо­дуль «Xonix», основанный на использовании мультипараметрических сигналов управления, в качестве которых реализованы частота пульса, дыхания и их отношение.

2.   Предложенный метод мультипараметриче-ского игрового биоуправления позволяет получать информацию о текущем функциональном состоя­нии человека в режиме on-line, сообщать пациен­ту посредством игрового сюжета об отклонениях в значениях показателей, а также мотивировать его на их коррекцию, меняющую функциональное состояние игрока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.   Великохатный Р. И. Игровое биоуправление (история и современное состояние) / Р. И. Великохат-ный, О.А. Джафарова, О.Г. Донская и др.// Бюлле­тень СО РАМН, №1, 1999, с. 23-29.

2.   Макконен К. Ф. Модели и алгоритмы био­управления в информационной системе игрового автомобильного тренинга /К.Ф. Макконен, Ф.А. Пя-такович // Системный анализ и управление в биоме­дицинских системах: журнал практической и теоре­тической биологии и медицины. - М., 2008. - Т.7. № 1. - С. 177-181.

3.   Сурушкин М.А. Мультипараметрический биоуправляемый игровой модуль «Xonix»./ М.А. Сурушкин, Ф.А. Пятакович // Аллергология и иммунология.-Т.9,№1.-2008.-С.145.

4.   Ефремов В., Нисневич М. Измеритель часто­ты пульса // Радио, №4, 1986, с. 41-44.


Библиографическая ссылка

Сурушкин М.А. , Пятакович Ф.А. Структура и алгоритмы протокола передачи сигналов биологической обратной связи в игровом модуле «XONIX» // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2009. – № 6. – С. 66-0;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=261 (дата обращения: 25.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074