Анализ состояния ЦНС с использованием метода пупиллометрии

Объектом исследования выпускной квалификационной работы является метод пупиллометрии.
Цель работы – разработка программно-аппаратного комплекса для проведения исследования методом пупиллометрии. В результате исследования был реализован программно-аппаратный комплекс для детектирования параметров зрачка бесконтактным методом для проведения анализа динамики параметров зрачков.
Область применения: возможность применения в различных областях, таких как мониторинг состояния организма в предсменном осмотре, анализ усталости водителя.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 14

1 Обзор литературы ………………………………………………………………………………. 18

1.1 Исторический обзор изучения глаза и зрачка……………………………………. 18

1.2 Глаз как объект распознавания ………………………………………………………… 18

1.3 Пупиллометрия в качестве метода экспресс-диагностики …………………. 20

1.4 Пупиллографические показатели……………………………………………………… 21

1.5 Пупилломоторные симптомы …………………………………………………………… 24

1.6 Существующие решения ………………………………………………………………….. 26

1.7 Выводы к главе ……………………………………………………………………………….. 29

2 Анализ составляющих разрабатываемой системы ……………………………….. 31

2.1 Выявление функциональных требований …………………………………………. 31

2.2 Анализ технических характеристик устройства………………………………… 33

2.2.1 Подсветка зрачка ………………………………………………………………………….. 34

2.2.2 Разрешение камеры ………………………………………………………………………. 37

2.2.3 Фокусное расстояние камеры ………………………………………………………… 39

2.3 Частота кадров ………………………………………………………………………………… 40

2.4 Итоговое устройство для получения видеоряда ………………………………… 40

2.5 Анализ смежных способов применения разрабатываемого модуля …… 42

2.5.1 Аутентификация по радужке глаз ………………………………………………….. 42

2.5.2 Тепловая карта интерфейса …………………………………………………………… 42

2.5.3 Отслеживание позы человека на кресле ………………………………………… 43

2.5.4 Система контроля усталости водителя…………………………………………… 43

2.6 Выводы к главе ……………………………………………………………………………….. 44

3 Программная реализация ……………………………………………………………………. 45
3.1 Алгоритмы и методы выделения лица и глаз ……………………………………. 45

3.1.1 Оптимизации алгоритма ……………………………………………………………….. 50

3.2 Алгоритмы и методы выделения зрачка в видеопотоке …………………….. 52

3.2.1 Детектор границ Кенни и методология Хафа;………………………………… 52

3.2.2 Бинаризация изображения; ……………………………………………………………. 55

3.2.3 Определение границ зрачка на бинарном изображении …………………. 57

3.3 Оценка точности алгоритма определения границ зрачка …………………… 60

3.4 Анализ ошибок ………………………………………………………………………………… 63

3.5 Выводы к главе ……………………………………………………………………………….. 66

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 67

4.1 Организация и планирование работ …………………………………………………. 67

4.1.1 Продолжительность этапов работ ………………………………………………….. 68

4.1.2 Разработка графика проведения научного исследования ………………… 69

4.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта ……………………………………. 75

4.2.1 Расчет затрат на материалы …………………………………………………………… 75

4.2.2 Расчет заработной платы ……………………………………………………………….. 76

4.2.3 Расчет затрат на социальный налог ……………………………………………….. 77

4.2.4 Расчет затрат на электроэнергию …………………………………………………… 77

4.2.5 Расчет амортизационных расходов ………………………………………………… 78

4.2.6 Расчет расходов, учитываемых непосредственно на основе платежных
(расчетных) документов (кроме суточных) ……………………………………. 79

4.2.7 Расчет прочих расходов…………………………………………………………………. 80

4.2.8 Расчет общей себестоимости разработки ……………………………………….. 80

4.2.9 Расчет прибыли …………………………………………………………………………….. 80
4.2.10 Расчет НДС …………………………………………………………………………………… 81

4.2.11 Цена разработки ВКР ……………………………………………………………………. 81

4.3 Оценка экономической эффективности проекта ………………………………. 81

5. Социальная ответственность …………………………………………………………….. 85

5.1. Введение …………………………………………………………………………………………. 85

5.2. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 86

5.2.1. Правовые нормы трудового законодательства для рабочей зоны
пользователя ПК ………………………………………………………………………………………. 86

5.2.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны ……… 86

5.3. Профессиональная социальная безопасность. …………………………………… 88

5.3.1. Анализ вредных производственных факторов ……………………………….. 89

5.3.2. Анализ опасных производственных факторов ……………………………….. 97

5.3.3. Мероприятия и рекомендации по устранению и минимизации ………. 98

5.4. Экологическая безопасность ………………………………………………………….. 100

5.5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 101

5.6. Заключение ……………………………………………………………………………………. 103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 104

Список публикаций ………………………………………………………………………………… 105

Список использованных источников ………………………………………………………. 106

Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 111

Метод пупиллометрии является достоверным, точным и объективным
методом исследования функционального состояния центральной нервной
системы для диагностики различных физиологических изменений.
При регистрации параметров пупиллограммы зрачка в реальном
времени можно делать вывод о том, есть ли признаки отклонения работы
нервной системы обследуемого человека.
В работе рассмотрена практическая сторона применения метода
пупиллометрии, выявлены достаточные условия для проведения
исследования. Сформирована конфигурация аппаратной части устройства для
проведения обследования методом пупиллометрии.
Проанализированы алгоритмические решения для детектирования
границ зрачка на изображении. Реализован собственный алгоритм для
определения границ зрачка на изображениях поступающего видеопотока в
реальном времени с описанием хода реализации.
Проанализированы точность работы предложенного алгоритма,
возникающие проблемы детектирования и сегментации, приведены
рекомендации по программному и аппаратному обеспечению.
Был проведен анализ ресурсоэффективности, в котором отражено
преимущество в том, что стоимость проекта остается существенно ниже
стоимости конкурентных решений.
Был проведен анализ опасных и вредных факторов. В результате
анализа, помещение, в котором была выполнена работа, было приведено в
соответствии с требованиями по минимальной освещенности.
Результирующий программно-аппаратный комплекс может быть
использован для анализа параметров зрачка в реальном времени в составе
устройств, требующих проведения обследования методом пупиллометрии,
таких как автоматизированные медицинские терминалы и системы
мониторинга усталости водителей.
Список публикаций

Шубкин Е.О. Анализ состояния ЦНС с использованием метода
пупиллометрии / Е.О. Шубкин //Молодежь и современные информационные
технологии: сборник трудов XVII Международной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 17–20 февраля
2020 г.) / Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2020. – [C.52-53]

1. Куцало А.Л. Пупиллометрия в качестве метода экспресс-диагностики
наркотической интоксикации: диссертация кандидата медицинских наук:
14.00.20 /: Институт токсикологии. – Санкт-Петербург, 2004. – 118 с.: 40 ил.
РГБ ОД)
2. Куприянов А. С. Методы обработки и анализа пупиллограмм /: ИЗВ.
ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8 /: Научно проектный
центр оптоэлектронных комплексов наблюдения. – Санкт-Петербург,
2008. – 2с
3. Ананин В.Ф. Объективные методы исследования зрения человека. В кн.
Физиология человека, 1976, т.2, 4, с.693
4. Предрейсовый медицинский осмотр водителей: требование закона —
условиебезопасности[Электронныйресурс].URL:
https://www.kp.ru/guide/predreisovyi-osmotr-voditelei.html свободный (Дата
обращения: 22.04.2020)
5. Матвеев И. А. «Методы и алгоритмы автоматической обработки
изображений радужной оболочки глаза» дис. канд./д-ра технических. наук.
Москва 2014.
6. Радужная оболочка глаза, строкение [Электронный ресурс]. URL:
http://zrenue.com/anatomija-glaza/40-raduzhka/345-raduzhnaja-obolochka-
glaza-raduzhka-stroenie.html свободный (Дата обращения: 22.04.2020)
7. Laeng B., Sirous S., Gredebäck G.«Pupillometry: A window into the
preconscious?» Perspectives on Psychological Science 7, 2012, с.18–27.
8. Грушко Ю. В. Аппаратно-программный комплекс для коммуникации
людей,страдающихнарушениямидвигательныхфункций,
нервнопаралитическимисиндромамиидругимиболезнямиЦНС,
посредством технологии EyeTracking (окулографии) // Вестник КРАУНЦ.
Физ.-мат. науки. 2019. Т. 27. № 2. C. 55-73. DOI: 10.26117/2079-6641- 2019-
27-2-55-73
9. Котляревский Л.И. Образование зрачковых условных рефлексов и
дифференцировка на непосредственный и речевой раздражители. /Л.И.
Котляревский //Архив биологических наук, 1935. – Вып. 39. – №2. – С. 477-
10.Татаренков, Д. А. Анализ методов обнаружения лиц на изображении / Д.
А. Татаренков. – Текст : непосредственный // Молодой ученый. – 2015. –
№ 4 (84). – С. 270-276. – URL: https://moluch.ru/archive/84/15524/ (дата
обращения: 18.05.2020).
11.Ахметвалеев, А.М. Нейросетевое моделирование функционального
состояния человека на примере диагностики зрачкового рефлекса //
Проблемыанализаимоделированиярегиональныхсоциально-
экономических процессов: материалы докладов VII Международной
очной научно-практической конференции. – Казань: Изд-во Казан. ун-та,
2017. – С. 37-41.
12.БакуткинИ.В.Возможностихромопупиллометриивоценке
функционального состояния органа зрения / И. В. Бакуткин, В. В. Бакуткин
// Медицина труда и промышленная экология. – 2015. – № 9, ч. 1. – С. 30-
13.Большаков А.А., Лобанов В.В., Бакуткин В.В., Радченко М.А. Разработка
бесконтактногоприборадляэкспресс-диагностикинаркотической
интоксикации // Методы компьютерной диагностики в биологии и
медицине: сб. статей по материалам Всероссийской молодежной
конференции. СГУ им. Н.Г. Чернышевского. – Саратов, 2012. – С. 233-236.
14.Кальницкая В.Е., Погребной А.И. Особенности реакции организма
подростков, употребляющих психоактивные вещества (по данным
пупиллометрии) // Актуальные вопросы физической культуры и спорта. –
2008. – Т. 10. – С. 124- 128.
15.Кальницкая В.Е., Погребной А.И., Якобашвили В.А. Особенности
пупилограммы у наркоманов в период острой абстиненции // Актуальные
вопросы физической культуры и спорта. – 2003. – Т. 6. – С. 221-230.
16.КальницкаяВ.Е.,ПогребнойА.И.Бинокулярнаясинхронная
пупиллометрия в мониторинге функционального состояния спортсменов
высокой квалификации // Физическая культура, спорт – наука и практика.
– 2012. – № 2. – С. 41-45.
17.Колесников В.В., Кальницкая В.Е., Погребной А.И., Якобашвили В.А.,
Ким Дэхун, Макарчук И.Е., Сурков A.C., Ганькин К.А., Варченко H.H.
Особенности зрачкового рефлекса у больных наркоманией в период
острой абстиненции // Вопросы наркологии. – 2004. – № 4. – С. 39-46
18.Opensourceeyetrackingplatform:сайт.–URL:https://pupil-
labs.com/products/core/ свободный (дата обращения: 02.06.2020).
19.ДиагностическиетерминалыКРОК.Сайт–URL:
https://habr.com/ru/company/croc/blog/424501/ свободный (дата обращения:
02.06.2020).
20.GP3 Eye Tracker Сайт – URL: https://www.gazept.com/product/gazepoint-
gp3-eye-tracker/ свободный (дата обращения: 02.06.2020).
21.Top 12 Eye Tracking Hardware Companies (Ranked) Сайт – URL:
https://imotions.com/blog/top-eye-tracking-hardware-companies/свободный
(дата обращения: 02.06.2020).
22.Tobii Eye Tracker Сайт – URL: https://gaming.tobii.com/tobii-eye-tracker-4c/
свободный (дата обращения: 02.06.2020).
23.МатвеевИ.А.Методыиалгоритмыавтоматическойобработки
изображений радужной оболочки глаза: дис. … доктора технических наук.
– М., 2014. – 209 с
24.Трудовой кодекс Российской Федерации” от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред. от
30.12.2015)//КонсультантПлюс.2015.URL:
http://www.consultant.ru/document/cons_doc_law_34683/?utm_campaign=la
w_doc&utm_source=google.adwords&utm_medium=cpc&=utm_content=Lab
or%20Code&gclid=CjwKEAjwgPe4BRCB66GG8PO69QkSJAC4EhHhU-
5yAFZCJfmzkTLNGnrpgHHAYFPhhPzRo-sZGWmqnBoCPynw_wcB (дата
обращения: 25.04.2020).
25.СНиП 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых,
общественных зданий и на территории жилой застройки. – М.:
Информационно-издательский центр Минздрав России, 1996.
26.Охранатруда.Основыбезопасностижизнедеятельности//
www.Grandars.ru. 2016. URL: http://www.grandars.ru/shkola/bezopasnost-
zhiznedeyatelnosti/ohrana-truda.html (дата обращения: 25.04.2020).
27.ГОСТ 12.0.003-74. Система стандартов безопасности труда. Опасные и
вредные производственные факторы. Классификация // Библиотека
ГОСТов.2016.URL:http://vsegost.com/Catalog/41/41131.shtml(дата
обращения: 25.04.2020).
28.Ефремова О. С. Требования охраны труда при работе на персональных
электронно-вычислительных машинах. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. :
Издательство «Альфа-Пресс», 2008. – 176 с.
29.Назаренко О. Б. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие / О. Б.
Назаренко, Ю. А. Амелькович; Томский политехнический университет. –
3-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2013. – 178 с.
30.СанПиН 2.2.4.548-96. Санитарные правила и нормы. Гигиенические
требованиякмикроклиматупроизводственныхпомещений//
Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации.
URL: http://docs.cntd.ru/document/901704046 (дата обращения: 25.04.2020).
31.Белов С. В. Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды
(техносферная безопасность): учебник / С. В. Белов. – 2-е изд., испр. и доп.
– М.: Издательство Юрайт, 2011. – 680 с.
32.СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Санитарно-эпидемиологические правила и
нормы.Гигиеническиетребованиякперсональнымэлектронно-
вычислительным машинам и организации работы // Библиотека гостов и
нормативов.2016.URL:
https://ohranatruda.ru/upload/iblock/7a1/4294817617.pdf (дата обращения:
26.04.2020).
33.СП52.13330.2011.Естественноеиискусственноеосвещение.
Актуализированная редакция СНиП 23-05-95 // Докипедия. URL:
https://dokipedia.ru/document/5319189 (дата обращения: 25.04.2020).
34.ГОСТ Р 12.1.019-2009 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и
номенклатура видов защиты // Электронный фонд правовой и нормативно-
технической документации. URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-r-12-1-
019-2009-ssbt (дата обращения: 25.04.2020).
35.СНиП 21-01-97. Пожарная безопасность зданий и сооружений //
Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации.
URL: http://docs.cntd.ru/document/871001022 (дата обращения: 25.04.2020).
36.СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-эпидемиологические правила и
нормативы. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация
предприятий, сооружений и других объектов // Электронный фонд
правовойинормативно-техническойдокументации.URL:
http://docs.cntd.ru/document/902065388 (дата обращения: 25.04.2020).
37.СанПиН2.1.7.1322-03.Санитарно-эпидемиологическиеправилаи
нормативы. Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию
отходов производства и потребления. 2.1.7. Почва, очистка населённых
мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы //
Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации.
URL: http://docs.cntd.ru/document/901862232 (дата обращения: 25.04.2020).
38.НПБ 105-03 Определение категорий помещений, зданий и наружных
установок по взрывопожарной и пожарной опасности // Электронный фонд
правовойинормативно-техническойдокументации.URL:
http://docs.cntd.ru/document/1200032102 (дата обращения: 25.04.2020).
39.ППБ 01–03. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации. –
М.: Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны,
чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий,
2003.