Разработка методов и средств оценки функционального состояния организма человека на основе многоканального анализа на малых апертурах наблюдения

Актуальность проблемы. Пирамиды возрастного состава населения развитых стран имеют форму обелиска. Это приводит к недостатку рабочей силы, что является одной из причин иммиграции в современном мире, например, в США прирост населения за счет иммиграции составляет от 1А до общего прироста населения[104]. Хотя по экономическим показателям Россия не относится к развитым странам, процент трудоспособного населения здесь тоже низок, хотя причины этого связаны не с увеличением качества жизни населения и как следствие, увеличения средней продолжительности жизни, а со снижением уровня рождаемости. В связи с этим возникает потребность в эффективном использовании имеющихся трудовых ресурсов, в поддержании у рабочего высокого уровня работоспособности в течение длительного времени при негативном воздействии факторов влияния среды. Трудовая деятельность человека должна не только не вызывать у него патологические реакции, а обеспечивать полное восстановление израсходованных ресурсов организма в период отдыха между нагрузками. Для этого реакция организма должна находиться в пределах физиологической адаптации и не превышать порогов компенсации. Для практической реализации этого положения должны быть выработаны определенные показатели, которые могут контролироваться в условиях реальной трудовой деятельности. Один из возможных подходов к решению этой задачи заключается в использовании зависимости между нагрузкой, утомлением, напряжением и текущим состоянием здоровья.

Уравнение множественной регрессии, связывающее эти параметры, позволяет прогнозировать влияние тяжести труда на среднесменное и среднерабочее значение частоты пульса и заболеваемости с временной утратой трудоспособности [15].

Однако большинство существующих в настоящее время методов оценки работоспособности (производственных, биохимических, физиологических, психофизиологических и психологических) обладают определенными недостатками: неоперативностью, отсутствием помехоустойчивости, портативности, автономности, простоты в обработке и интерпретации, поэтому высокоактуальными являются исследования в этом направлении как в сфере теоретических изысканий, так и особенно в прикладных областях психологии труда, психофизиологии труда, медицины и т. д. Разработка данной проблемы тесно связана с достижениями в области психодиагностики функциональных состояний (ФС), развивающихся в процессе трудовой деятельности работника в стрессогенных условиях, в качестве которых может выступать сам трудовой процесс.

ФС организма человека — это симптомокомплекс различных процессов, функций, индивидуальных особенностей работника, которые в значительной степени определяют уровень его активности и общие характеристики поведения. При проведении исследований по диагностике и прогнозированию эффективности деятельности работника использовались разные теоретические подходы к проблемам изучения работоспособности (РС). Существуют подходы к прогнозированию РС через определение последовательности фаз в кривой работоспособности, через связь РС с функциональным состоянием или через определение фаз адаптационного процесса, которые предполагают использование для оценки РС двух типов показателей: прямых показателей РС, включающих показатели качества эффективности деятельности, и косвенных показателей функционального состояния и психофизиологической цены деятельности работника. Для всех видов и условий деятельности нельзя указать один общий информативный показатель РС работника, так как он определяется психологической структурой деятельности и психофизиологическими функциональными системами, реализующими данный вид деятельности. Необходимо отметить, что в связи с тем, что с одной стороны на определение ФС и РС влияет устойчивость показателей у данного индивидуума (они различны у разных индивидуумов), что и делает их как можно менее ситуативно независимыми, а с другой стороны, для оценки ФС желательны показатели, которые в «идеале» были бы однозначны у всех индивидуумов, и однотипно и линейно зависели от интенсивности внешних и внутренних влияний.

Абстрактная постановка вопроса об информативных параметрах некорректна, потому что при различных внешних воздействий и, соответственно, в различных ФС параметры показателей ФС и РС имеют различные значения и, следовательно, различную информативность. В то же время общим требованием для всех отбираемых параметров должна быть их корреляция с эффективностью деятельности, хотя и в разных аспектах, ибо для любого специалиста эффективность деятельности это не только производительность труда, но и психофизиологическая «цена» деятельности.

Кроме того, существующие в ряде специальностей требования почти полностью исключают возможность применения методов, хорошо зарекомендовавших себя в оценке психофизиологического состояния работника в лабораторном эксперименте, таких как, электроэнцефалография, метод вызванных потенциалов, регистрация Еволны и кожно-гальванического рефлекса, биохимический анализ крови и другие, являющихся, по мнению большой группы авторов, наиболее информативными. Не представляется в определенных условиях также возможным использования подавляющего большинства психофизиологических и психологических тестов, несмотря на их высокую эффективность.

Большинство исследователей уделяет и продолжает уделять внимание разработке физиологических и психофизиологических методов оценки функционального состояния, основанных на принципе комплексности. Принцип комплексности, характерный для экспериментальных исследований последнего периода, вызвал большое число комплексных методов диагностики (до сих пор также широко распространен метод полиграфии), привел к разработке различных методик вплоть до биохимических, по принципу, чем больше, тем лучше. Диагностическая ценность этих комплексных методов диагностики устанавливается уровнем корреляции с эффективностью деятельности, ее качественными и количественными показателями.

Любой метод или методика, предназначенные для оценки и прогнозирования ФС и РС носят многопараметрический характер, могут быть описаны по-разному. Так, например, методика может быть комплексной, многоуровневой, полифункциональной, специфической для определенного континуума состояний и специальности или, наоборот, быть одноуровневой, неспецифичной, объективной, оперативно-динамичной и т. д.

В настоящее время развиваются и совершенствуются аппаратура и методики оценки ФС по КГР, ЭМГ, ЧСС, фотоплетизмограмме. Возрастают параметры точности, устойчивости и надежности снятия этих показателей, совершенствуются датчики и способы их крепления на испытуемом, возрастает полнота передаваемой информации, аппаратура для регистрации этих параметров становится все портативнее и проще в эксплуатации, все чаще используются телекоммуникационные системы, растут функциональные возможности микроконтроллеров. Все это позволяет строить системы распределенной обработки данных, а это, в свою очередь, позволяет минимизировать набор исследуемых показателей необходимых для интегральной оценки ФС, и основное внимание уделить не аппаратурной поддержки анализа, а информационным технологиям обработки данных. Тем не менее, для определения уровня функционального состояния и адаптации работника требуется достаточно длительный промежуток времени, поэтому полученные результаты могут быть неадекватны экономическим потерям, а также возможному ущербу здоровью как самому работнику, так и окружающей среде, поэтому разработка методов оценки и прогнозирования ФС работника к трудовому процессу, использующие малые апертуры наблюдения позволяет повысить эффективность использования квалифицированных трудовых ресурсов, снизить затраты на лечебно-профилактические мероприятия, а также уменьшить риск антропогенных чрезвычайных ситуаций.

Диссертация выполнена в соответствии с основными направлениями научных исследований, проводимых на кафедре «Биомедицинской инженерии» Курского государственного технического университета, НТП «Исследование высшей школы по приоритетным направлениям», подпрограмма «Технологии живых систем».

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств многоканального спектрального анализа электрофизиологических сигналов на малых временных апертурах, повышающих качество и производительность профессионального отбора и оценки работоспособности дееспособной части населения.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.

1. Выбор минимального комплекса электрофизиологических сигналов, позволяющих оперативно оценить функциональное состояние организма по их малым апертурам наблюдения.

2. Разработка метода интегральной оценки функционального состояния организма.

3. Определение информативных признаков и синтез решающих правил на их основе, позволяющих вести классификацию организма по его функциональному состоянию и степени адаптации к условиям внешней среды и трудовому процессу.

4. Разработка устройства для оценки функционального состояния организма.

5. Разработка методики функциональных проб, адекватных к индивидуальному времени и позволяющих строить адекватные модели работоспособности.

6. Проведение экспериментальной проверки полученных решающих правил по оценке функционального состояния организма.

Методы исследования. В работе использовались методы цифровой обработки сигналов, теории распознавания образов и прикладной статистики.

При разработке программного обеспечения использовался принцип модульного программирования и технология средств визуального программирования Delphi.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Фазовые характеристики «медленных волн», измеряемые на апертурах, соизмеримых с их длиной, позволяют оценить функциональное состояние организма человека посредством сравнения интегральных показателей синхронности, определяемых до, во время и после функциональных проб.

2. Сигнал фотоплетизмограммы позволяет оценить функциональное состояние, по крайней мере, двух регуляторных систем организма путем трансформации его в двухканальный процесс посредством сегментации на кардиоциклы и выделением динамического диапазона в каждом кардиоцикле.

3. Анализ взаимного комплексного спектра двухканального процесса, отражающего состояние двух регуляторных систем, позволяет выделить наиболее коррелированные «медленные волны», модулирующие сигналы в каналах, связанных с соответствующими регуляторными системами.

4. Функциональное состояние организма целесообразно оценивать в координатах их «реакции первичного ответа» — «реакции платы» .

5. Для любого вида деятельности человека можно подобрать соответствующую функциональную пробу, влияние которой на фазовую характеристику соответствующей «медленной волны» будет адекватно отображать функциональное состояние организма при соответствующем виде деятельности.

6. Для построения решающих правил, позволяющих получить прогноз работоспособности по коротким апертурам наблюдения, необходимо использовать внешние стимулы, близкие по форме к 5-функции.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Способ трансформации одноканального сигнала в многоканальный, отличающийся использованием индивидуального масштаба времени и позволяющий ввести интегральный показатель функционального состояния, который характеризует способность системы к самосинхронизации при наличии внешнего стимула.

2. Алгоритм сегментации электрофизиологических сигналов, отличающийся использованием адаптивной нелинейной фильтрации и позволяющий сегментировать фотоплетизмограмму и сигнал кожногальванической реакции на сегменты, кратные кардиоциклам и длинам «медленных волн».

3. Устройство для оценки функционального состояния организма, отличающееся многоканальным анализом сигналов различных регуляторных систем и позволяющее получить оперативную оценку функционального состояния организма.

4. Методика оценки работоспособности, включающая комплекс тестовых испытаний, позволяющая построить адекватную модель динамики работоспособности.

5. Решающее правило, позволяющее получить долговременный прогноз работоспособности по коротким апертурам наблюдения ФС, при внешних стимулах, близких по форме к 5- функции.

Практическая ценность. Предложен комплекс программно-аппаратных средств, позволяющий дать количественную оценку ФС человека в индивидуальном масштабе времени, что позволяет снизить число ошибок при квалификационных испытаниях и повысить эффективность лечебно-профилактических мероприятий.

Реализация работы. Полученные результаты были использованы при тестировании функционального состояния на Кафедре биофизики и информатики Курского государственного медицинского университета и в учебном процессе на Кафедре «Биомедицинской инженерии» Курского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Третьей международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии — 2000», Курск, 2000, Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор 2000», Москва, 2000, Четвертой международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии», Курск, 2001, IX Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии», Курск, 2001, Пятой международной научно-технической конференция «Медико-экологические информационные технологии», Курск, 2002.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, и подано две заявки на изобретение.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и содержит список литературы из 135 наименований. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, в котором приведено 6 таблиц и 30 рисунков.

Выводы четвертой главы.

В зависимости от вида деятельности (физический труд, решение интеллектуальных задач и т. д.) процессы адаптации и изменения функционального состояния происходят преимущественно в подсистемах, наиболее активно участвующих в выполнении рабочих действий. Для активизации этих систем предложен трехфазный эксперимент позволяющий получить двухпараметровую двухступенчатую модель адаптации, на первой ступени которой использовалась статистическая линейная модель, а на второй ступени — детерминистская нелинейная модель. Параллельное использование альтернативных методов классификации, например омегапотенциалов, позволяет ввести в первую ступень модели контрастирующие коэффициенты, что позволяет получить более компактное расположение классов в пространстве двух параметров и использовать в качестве разделяющих линейные функции нулевого порядка. Кроме того, полученные модели трехфазного эксперимента позволят исключить фон, обусловленный разными интеллектуальными и физическими способностями индивидуумов. В результате проведенного исследования было показано, что как по объективным тестам, так и по субъективным тестам, предложенный интегральный показатель классификации ФС человека, основанный на синхронности систем регулирования в выбранном диапазоне медленных волн, позволяет классифицировать ФС человека по пяти выбранным классам, с средней по классам чувствительностью на уровне 75% и средней по классам специфичностью — на уровне 65%.

Таким образом, имея те же самые статистические показатели, что и методы, основанные на долговременном многофазном эксперименте, предложенный способ, который является аналогом трехфазного эксперимента в другом масштабе времени, позволяет сжать временное пространство эксперимента до приемлемых временных интервалов, в результате чего его можно использовать при скрининговых тестовых испытаниях при приеме на работу и донозологических исследованиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предлагаемая работа посвящена решению научных и практических задач, связанных с разработкой методов и средств для оценки функционального состояния организма человека по показателям поликардиосигналов.

Проведенный анализ показал, что адаптационные сдвиги в организме под влиянием совокупности действующих факторов могут проявляться: в работоспособности — колебании ее уровня, согласование или рассогласовании ее основных параметров (интенсивность, качество) и интегральных показателейв измерении условно-рефлекторных реакций, в изменении биопотенциалов, в изменении вегетативных показателей, в активности эндокринной системы, обмене веществ и энергии, в процессах роста и развитияв показателях заболеваемости.

Наиболее объективным критерием функционального состояния является способность регуляторных систем кровообращения к рациональному кровораспределению между различными органами и тканями при возмущающих воздействиях на организм различного характера, то есть соотношение между реакцией первичного ответа и реакцией платы.

1. На основании проведенного анализа способов оценки функциональных состояний и адаптации выбран минимальный комплекс электрофизиологических сигналов, позволяющий оперативно оценить функциональное состояние организма на малых апертурах наблюдения электрофизиологического сигнала, отличающийся совместным использованием показателей сердечно-сосудистой системы и вегетативной нервной системы.

2. Разработан метод интегральной оценки функционального состояния организма, позволяющий дифференцировать функциональное состояние при различных видах деятельности по малым апертурам наблюдения сигнала и отличающийся использованием изменения показателя межсистемной синхронности, связанного с функциональной пробой.

3. Определены информативные признаки и получено решающее правило на их основе, позволяющее вести классификацию организма по его функциональному состоянию и степени адаптации к условиям внешней среды и трудовому процессу, отличающее использованием двумерного нормированного признакового пространства, полученного на основе анализа изменения межсистемного показателя синхронности в процессе функциональной пробы.

4. Разработано устройство для оценки функционального состояния организма, отличающееся использованием двух измерительных каналов с автоматической адаптацией к параметрам биообъекта.

5. Разработана методика функциональных проб, адекватных к индивидуальному времени, и позволяющая строить адекватные модели функционального состояния и работоспособности, отличающаяся использованием линейной модели, с коэффициентами, определенными в результате трехфазного эксперимента с несимметричной нагрузкой.

6. Проведены экспериментальные проверки полученных решающих правил по оценке функционального состояния организма при физических и интеллектуальных нагрузках на испытуемых, которые показали высокую корреляцию между классификацией предложенным методом и экспертными оценками функциональных состояний.