Анализ психофизиологических показателей функционального состояния человека-оператора в условиях монотонной деятельности

Гусева, Надежда Леонидовна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Анализ психофизиологических показателей функционального состояния человека-оператора в условиях монотонной деятельности
ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Анализ психофизиологических показателей функционального состояния человека-оператора в условиях монотонной деятельности"

На правах рукописи

Гусева Надежда Леонидовна

АНАЛИЗ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА В УСЛОВИЯХ МОНОТОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

03.00.13 - физиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Государственном учреждении «Научно-исследовательский Институт экспериментальной медицины Российской академии медицинских наук»

Научный руководитель

доктор биологических наук

Официальные оппоненты

доктор биологических наук доктор биологических наук

Суворов Николай Борисович

Богословский Михаил Михайлович Кропотов Юрий Дмитриевич

Ведущая организация

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Защита состоится « » 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 001.022.03 при ГУ «Научно-исследовательский Институт экспериментальной медицины РАМН» по адресу: 197376 Санкт-Петербург, Каменноостровский пр., 69/71 (конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГУ «Научно-исследовательский Институт экспериментальной медицины РАМН» по адресу: 197376 Санкт-Петербург, ул. акад. И.П.Павлова, 12

Автореферат разослан « » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 001.022.03

доктор биологических наук, профессор Л.В.Пучкова

2.006-4-4-5Ъ2.

/ßfXW

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование автоматизированных систем, управление которыми носит монотонный характер с минимальными физическими и умственными нагрузками для человека, порождает ситуации, связанные с утомлением, ослаблением внимания и сонливостью. Все это влечет за собой возникновение опасного переходного состояния "бодрствование-сон" и, как следствие, высокую вероятность возникновения аварийных ситуаций. Проблема диагностики, контроля и коррекции функционального состояния (ФС) оператора, работающего в условиях, требующих длительного или повышенного внимания при депривации сна или при нарушении нормального цикла бодрствование-сон, является чрезвычайно актуальной (Фролов, 1987; Корен, 1997; Railway Safety..., 2002; Буриков и соавт., 2003 и др.).

Помимо теоретической значимости эта проблема имеет и прикладное значение, в частности, для создания биотехнических комплексов, моделирующих операторскую деятельность и позволяющих отслеживать наступление такого состояния. Для предотвращения возникновения сонливого состояния существует и продолжает разрабатываться множество различных методов, способов и технических приспособлений. Все они направлены на поддержание надежности деятельности человека-оператора, предотвращение нежелательных сдвигов его ФС и экстренное "взбадривание" в случае ослабления внимания при наступлении дремотного состояния (Дорохов, 2001; Dinges, 2004; Dijk, Larkin, 2004; Moore-Ede, Heitmann et al., 2004; Mallis, Me-jdal et al., 2004 и др.). Подробный обзор устройств, осуществляющих контроль бодрствования машинистов поездов, появился около трех лет назад (Railway Safety..., 2002). В нем на основе анализа предложений об использовании различных физиологических показателей отмечается, что проблема своевременной идентификации перехода бодрствование-сон пока не решена, поскольку ни одна из обсуждаемых в обзоре систем не принята к реализации.

По приблизительным подсчетам, в 1988 году по вине сонных водителей произошло 41.6 % всех аварий - 769184 травмированных и 17689 погибших. Общий ущерб, нанесенный только экономике США подобными катастрофами, составил $ 37.9 млрд. Во Франции прямые убытки за год составили более $ 11 млрд., а общие потери, включая лечение, профилактику и т.д., оцениваются, соответственно, от 50 до 100 млрд. долларов (Корен, 1997).

Исследования, проведенные во многих лабораториях сна, показали, что нормальное бодрствование невозможно без полноценного освежающего сна (Lavie, Weier et al., 1989; Gillberg1_K££kllin4-1996; Tamaki, Shirota, 2000). Особенно важно поддержание для лиц, труд ко-

МЩкш

торых требует постоянно высокого уровня внимания и сосредоточенности. Это касается диспетчеров аэропортов, атомных станций, командных пунктов министерства обороны, гражданской защиты и министерства чрезвычайных ситуаций, а также шоферов, занятых многодневным вождением грузовых и пассажирских машин. Как выясняется, важным фактором является большая продолжительность рейса, что вызывает повышенную утомляемость, моно-тонию, снижение внимания и появление сонливости (Philip et al., 1999; Hak-kanen, Summala, 2000; Garbarino et al., 2001 и др.).

Сонливость может возникать в результате ежедневного уменьшения времени сна на 1-2 часа, которое может накапливаться в течение времени. Шесть часов непрерывного сна оказывают более выраженный освежающий эффект, чем, например, 10 часов сна фрагментарного (Railway Safety.., 2002). Даже сдвиг во времени суток моментов засыпания и пробуждения влияет на выполнение задания, требующего особого внимания (Taub, Berger, 1974).

Анализ литературы и патентных источников показал, что до сих пор в мире нет достаточно надежных методов и даже критериев, позволяющих с необходимой уверенностью отделить состояние непреодолимой сонливости от утомления, а также оценить влияние монотонии, отвлечения внимания, снижающих уровень бодрствования (бдительности) и эффективность деятельности. В частности, огромные экономические убытки и многочисленные жертвы наблюдаются ежегодно на всех видах транспортных средств. Одной из причин этого является человеческий фактор. Поэтому проблема создания надежных методов оценки и поддержания состояния бдительности и внимания в условиях утомления и сонливости, обусловленных монотонной деятельностью, продолжает оставаться весьма актуальной.

Цель и задачи работы: исследование динамики функционального состояния человека-оператора в условиях, требующих длительного повышенного внимания при монотонной деятельности на компьютерном тренажере, имитирующей труд водителя транспортного средства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать электрофизиологические показатели состояния человека (электроэнцефалограмма, кардиоритмограмма, электроокулограмма) при расслабленном бодрствовании в условиях сенсорной депривации.

2. Определить общие тенденции динамики перечисленных показателей, поведенческих реакций, а также выявить индивидуальные особенности состояния испытуемых на разных этапах работы на специальном компьютерном тренажере в зависимости от уровня бодрствования и проблемных ситуаций, возникающих в проц^рс^ р^оты на тренажере.

j 4

* »l< •£*

3. Определить наиболее достоверные и значимые показатели наступления опасного для операторской деятельности состояния перехода от бодрствования к сну.

4. Предложить ряд рекомендаций для разработки технических средств, способствующих повышению эффективности профессионального отбора операторов систем управления.

5. Разработать необходимое программное обеспечение для компьютерного анализа результатов исследований.

Научная новизна результатов работы. Анализ исследований позволил произвести качественное ранжирование информационной значимости психофизиологических показателей для идентификации состояния, предваряющего момент потери контроля над ситуацией.

Снижение уровня активации коры головного мозга "засыпающих" операторов подтверждается снижением частоты альфа-ритма и возникновением двух или трех гармоник альфа-ритма. У "не засыпающих" операторов при длительном пребывании в состоянии расслабленного бодрствования происходит усиление спектральной мощности доминирующего диапазона альфа-ритма и его распространение по конвекситальной поверхности.

Координаты источника активности альфа-ритма у "засыпающих" операторов с развитием сонного состояния меняются, а у "не засыпающих" - остаются прежними.

Индивидуальные особенности состояния оператора прослежены и зарегистрированы в непрерывном режиме на протяжении всего цикла исследования - от расслабленного бодрствования до II стадии медленноволновой фазы сна.

Для изучения реакций оператора в процессе перехода от бодрствования к сноподобному состоянию использовался компьютерный тренажер, на котором моделировалась монотонная операторская (водительская) деятельность.

Регистрация и архивирование комплекса показателей, включая электрографические и поведенческие, производилась непрерывно и синхронно в процессе управляющих действий на тренажере.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования показали, что проблема распознавания переходного состояния "бодрствование-сон" должна решаться на основании индивидуального подхода, поскольку фиксация определенных тенденций в изменении только статистических физиологических параметров не может являться основанием для построения обобщенной модели идентификации предсонных состояний.

При исследовании функционального состояния при расслабленном бодрствовании по данным ЭЭГ, кардиоритмограммы и артериального давле-

ния выявлены особенности "засыпающих и "не засыпающих" испытуемых. Указанные электрофизиологические параметры следует включить в систему профотбора операторов.

Определено, что наиболее достоверными, значимыми и имеющими возможность бесконтактной реализации показателями состояния перехода от бодрствования к сну являются векодвигательные реакции человека. Предложена концепция "бортовой" системы для идентификации предсонного состояния человека, основанной на бесконтактной оценке векодвигательных реакций, как показателя снижения уровня бодрствования.

Предложена структурная схема лабораторного комплекса для профессионального отбора и тренировки операторов транспортных систем.

Положения, выносимые на защиту.

1. Индивидуальный характер реагирования на монотонные действия и ситуацию не позволяет однозначно определять состояние оператора, опасное для продолжения процесса управления.

2. Динамика функционального состояния человека-оператора в процессе монотонной деятельности от активного бодрствования до состояния утраты контроля над объектом управления вплоть до засыпания, описывается комплексом данных электроэнцефалографии, кардиоритмографии, электрооку-лографии и поведенческих реакций.

3. Локализация источников медленной биоэлектрической активности мозга от активного бодрствования до засыпания имеет индивидуальный характер, при засыпании возникает разделение альфа-ритма на несколько выраженных гармонических составляющих, наблюдается снижение его частоты и распространение в теменную область коры головного мозга.

Личный вклад. Исследования по теме диссертации (испытуемыми на протяжении всех серий были одни и те же лица - студенты-добровольцы), математическое обеспечение и анализ данных, обобщение результатов проведены соискателем лично.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на III Международном Конгрессе "Слабые и Сверхслабые поля и излучения в Биологии и Медицине" (СПб, 2003), Всерос. научно-техн. конференции "Биотехнические системы в XXI веке" (СПб, 2004), Межд. конференции "Стресс и поведение" (СПб, 2004), на заседаниях Физиологического общества (секция "Психофизиология") и отдела экологической физиологии НИИЭМ РАМН.

Материалы диссертации представлены на Международной конференции "Современные аспекты реабилитации в медицине" (Ереван, 2003), XIX съезде Физиологического общества им. И.П.Павлова (Екатеринбург, 2004), Симпозиуме "Императивы экологии человека XXI века" (СПб, 2005).

По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 137 страницах, включая 33 рисунка и 7 таблиц, содержит: введение, обзор литературы, описание методик, результаты собственных исследований и их обсуждение (2 раздела), общее заключение, выводы и приложение (текст программы анализа сердечного ритма PULS). Список литературы содержит 261 наименование на русском и английском языках.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Характер и объем исследований. Все исследования проводились в Отделе экологической физиологии НИИЭМ РАМН в течение 2001 - 2003 г.г. В работе было использовано два методических подхода. В одном из них в условиях пассивного расслабленного бодрствования необходимо было выявить нейрофизиологические и кардиоритмологические признаки наступления сна, в другом прослеживались соответствующие изменения в функциональном состоянии (ФС) оператора во время работы на компьютерном тренажере -модели транспортного средства, имитирующем управляющие действия водителя в условиях монотонной деятельности.

На предоставленном Российской инженерной Академией (Москва) компьютерном тренажере проведены две серии исследований. Первая была посвящена выявлению изменений ФС человека при развитии утомления, вызванного монотонной деятельностью. Вторая серия проводилась на усовершенствованном комплексе аппаратуры. Программное обеспечение позволяло более детально отследить и оценить реакции человека в процессе развития утомления. Работа проводилась в дневное и вечернее время суток - с 10 до 19 часов. В качестве информативных и достоверных лабораторных показателей в оценке уровня ФС выбраны следующие: электроэнцефалограмма СЭЭГ), кардиоритмограмма (КРГ), электроокулограмма (ЭОГ), поведенческие реакции, в частности, векодвигательная реакция и двигательная активность операторов во время управления, психологическое тестирование.

Характеристика испытуемых. В качестве испытуемых на протяжении всей работы выступала одна и та же группа добровольцев, состоящая из 15 практически здоровых молодых людей обоего пола из однородной социальной группы - студенты технического ВУЗа, не имевшие жалоб на здоровье и качество сна. Возраст - 21-22 года. Все они относились к адаптивному типу на основании типологии, разработанной в Отделе экологической физиологии НИИЭМ РАМН. Испытуемым рекомендовалось не вносить изменений в свой привычный распорядок жизни, но накануне каждого испытания исключить

влияющие на нервную систему напитки (крепкий чай, кофе, алкоголь). Также было исключено использование каких-либо фармакологических препаратов.

Электрофизиологические исследования состояния человека при расслабленном бодрствовании. На этом этапе определялись нейрофизиологические корреляты многофазного состояния перехода от пассивного бодрствования ко сну в сопоставлении их с кардиоритмограммой.

Для регистрации КРГ использовался прибор разработки Отдела экологической физиологии и производства ООО "Потенциал", для ЭЭГ применялся электроэнцефалограф "Мицар-ЭЭР' с программным обеспечением производства ООО "Мицар". Испытуемый располагался в удобном кресле в затемненном помещении, ему рекомендовали по возможности произвольно не закрывать глаза. Продолжительность исследования для каждого испытуемого определялась индивидуально в зависимости от времени наступления сна или дремотного состояния. Длительность сеанса колебалась от 1 до 1,5 часов. На протяжении всего исследования осуществлялась синхронная запись ЭЭГ, КРГ и ЭОГ. 19-канальная ЭЭГ регистрировалась монополярно по системе 10-20 %, референтный электрод наклеивался на нос. Регистрация ЭОГ осуществлялась электродами, наклеиваемыми над бровью и под нижним веком.

Анализ ЭЭГ производился с помощью пакета программного обеспечения для регистрации и обработки электроэнцефалограммы >УтЕЕО - спектры мощности отрезков ЭЭГ, топографическое картирование и динамика спектров мощности. Для определения источников активности ритмов ЭЭГ при переходе "бодрствование-сон" использовалась программа ЬОЯЕТА.

Для регистрации кардиоритмограммы электроды накладывались на предплечья. КРГ записывалась в цифровой форме 10-минутными фрагментами синхронно с ЭЭГ. Физиологическое состояние кардиоваскулярной системы оценивалось по общепринятым расчетным показателям после исследования и сопоставлялось с данными анализа ЭЭГ и ЭОГ.

Исследования состояния оператора при работе на тренажере. Использовалось следующее оборудование: компьютерный тренажер с внешними органами управления и видеосистема, состоящая из видеокамеры и видеомагнитофона для регистрации двигательной активности (ДА). Передача управляющих воздействий осуществлялась с помощью джойстика - рулевое колесо и 2 ножных педали. Визуальное ощущение движения создавалось трехмерным изображением дорожного полотна на экране монитора. Программа обеспечивала согласованное изменение дорожной сцены на экране в соответствии с управляющими действиями оператора. На экране отображались пространственно-временные соотношения, позволяющие передать

ощущение движения с различными скоростями и поворотами. Протяженность прямых участков дороги, количество и радиусы поворотов генерировались случайным образом. Данные условия соответствовали известным факторам, относящимся к монотонным видам деятельности и вызывающим у водителей состояние утомления и сонливости.

Для оценки действий и поведения оператора в файл протокола непрерывно заносились следующие оперативно вычисляемые данные:

- общая двигательная активность;

- качество деятельности, выраженное в положении транспортного средства на дорожном полотне, измеряемое расстоянием кабины водителя от центра дорожного полотна и количеством выездов за его пределы;

- время совершения ошибки при проезде светофора (во второй серии);

- готовность к экстренному действию, определяемое по среднему времени двигательной реакции на выключение сигнальной лампочки кнопкой на рулевом колесе.

Каждому оператору давалась инструкция осуществлять движение по дорожному полотну, придерживаясь ярко выделенной разграничительной линии и не выезжать за края дороги. В процессе движения в случайные моменты времени на экране монитора "водителю" предъявлялся яркий красный сигнал, на который он должен был среагировать нажатием определенной кнопки. Во второй серии на "трассе" были добавлены светофоры, на свет которых необходимо было реагировать соответствующим образом.

Синхронно осуществлялась регистрация КРГ и ЭЭГ от отведений РЗ и Р4. До начала работы и после ее завершения производилась 2-минутная регистрация ЭЭГ и КРГ в состоянии психосенсорного покоя с закрытыми глазами, а также опрос и психофизиологическое тестирование исследуемых для выявления психофизиологических особенностей.

Работа испытуемого проводилась в отдельном помещении. Эксперт-психофизиолог через систему зеркал, оставаясь невидимым, наблюдал за работой и отмечал в протоколе замеченные им поведенческие признаки утомления. Продолжительность работы с одйим оператором составляла в первой серии в среднем 1,5 часа, во второй серии - 2,5-3 часа.

Для анализа сердечного ритма была написана компьютерная программа PULS. Рассчитывались: средний RR-интервал, среднеквадратическое отклонение, мода, амплитуда моды, вариационный размах, коэффициент вариации, индекс вегетативного равновесия, индекс напряжения регуляторных систем. Кроме того, оценивались трофотропные (замедляющие) и эрготропные (ус-

коряющие) коррекции сердечного ритма, а также энтропийные характеристики сердечного ритма по формулам:

Энтропийная мощность по нормальному распределению:

УСМпСг

Н = —-, где £7, - значения нормированной гистограммы, п - число ка-

1п2

налов в гистограмме.

Энтропия устойчивости ритма:

УМ-1пМ;

Э-, где М' - значения нормированной матрицы условных вероятно-

1п2

стей последовательностей ЯК-интервалов, п - размерность матрицы, равная числу каналов в гистограмме.

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ СЕНСОРНОЙ ДЕПРИВАЦИИ

Динамика электроэнцефалографических показателей человека в состоянии расслабленного бодрствования. Состояние расслабленного бодрствования и покоя, основанное на длительной сенсорной депривации, условно рассматривалось как монотония. Одним из информативных электрофизиологических показателей состояния человека является биоэлектрическая активность головного мозга. В этом исследовании применялась оценка спектральной мощности электроэнцефалограммы в стандартных диапазонах. Коррелятом состояния покоя считается наличие альфа-ритма в ЭЭГ. Частотный диапазон, соответствующий альфа-ритму, был разбит на 4 поддиапазона.

Исследования показали, что, хотя тенденция развития состояния перехода от бодрствования ко сну однозначна, описать ее усредненными данными не представляется возможным вследствие индивидуальных особенностей каждого человека, физического и психологического состояния на момент исследования. Из 15 обследованных 6 человек (I группа) не засыпали, а только периодически закрывали глаза на 5-60 с, а 9 человек (II группа) заснули, причем двое - до I стадии медленноволновой фазы сна (МФС) и 7 - до II стадии МФС. Время начала засыпания было различным и колебалось от 7 до 36 минут от начала исследования.

Исходная ЭЭГ всех испытуемых характеризовалась мономодальным альфа-ритмом. По мере развития предсонного состояния у операторов I группы частота доминирующего альфа-ритма не менялась, усиливалась его мощность и распространение в теменную область коры. У испытуемых II группы по мере снижения уровня бодрствования вплоть до сна происходило

"замедление" альфа-ритма, то есть высокочастотный альфа-ритм замещался альфа-ритмом более низкой частоты. Кроме того, было отмечено возникновение двух или трех гармоник альфа-ритма (полимодальность) с низкочастотной гармоникой в теменной области коры (рис.1).

о8П-30 ЛО. ЗОЮ' 1Ш

30 то-33ÍO

юно

ЗОИ) 20Ю-1000

Fpl W

п-ш F3JW

Т3-Я»( C3JW

T5-F*f ез-ш

Л .

01-R.f

г--, ..

-Л-

5 ю Га

i 10 г»

шгВ"2

30 00 20 Л0 10JJO

юun 3000 1Ш ЮлО-

ЗОХЮ' 20 Л0

юло

А.

Fpl Ы

,-Л-.-

5 10 ГЬ

Fp2-R.f

■л-_I-—-

3 10 Га

Рис.1. Испьпуемый М. Спектры мощности ЭЭГ по каждому из 19-ти отведений. А -перед началом исследования; Б - перед I стадией МФС. По вертикали - величина спектральной мощности в микровольтах в квадрате (мкВ2), по горизонтали - частота в герцах (Гц).

На основании анализа источников активности доминирующих диапазонов альфа-ритма было установлено, что у большинства операторов II группы

(у 5 ич 9) источник активности преобладающего альфа-ритма при снижении функционального состояния перемещался, а у большинства операторов I группы (у 5 из 6) его координаты не менялись. На рис.2А видно, что в исходном состоянии источник находился области Cuneus, Occipital Lobe, перед началом I стадии МФС он сместился в Precuneus, Parietal Lobe, а после пробуждения - в область Posterior Cingulate, Limbic Lobe. У не засыпающих операторов источник активности доминирующего альфа-ритма оставался в области Cuneus, Occipital Lobe (рис.2Б).

С 1 2J-H 74 31 [rrjr] П22Е2, |XYZ|-(3 46 ВО) Inm] |1 IDE 2) (XYZ)-U 67 '5IM 13ЧЕ2)

Фон

Перед началом сна

После сна

Рис 2А Динамика источника активности доминирующего альфа-ритма у "засыпающего" испытуемого по сагиттальным срезам мозга. Цифры сверху - координаты источника и его мошность в \словных единицах.

|/ г- Zl.fi а ,5|[тгп] П85Е2) (X У 2И* 6? 15)[тю] (1 90Е 21 (X V 67 15)[тт] (2 74Е2]

Фон

Через 17 минут

Через 27 минут

Рис 2Б. Неизменность источника активности доминирующего альфа-ритма у "'не засыпающего" испытуемого Обозначения те же, что на рис.2А

Наступление II стадии МФС характеризовалось возникновением колебаний, представляющих собой веретенообразную ритмическую бета-активность с частотой колебаний 14-18 Гц, наиболее выраженных в области Vertex. Во время II стадии МФС фиксировались многочисленные К-комплексы, состоящие из бета-веретена и дельта-волны. На ЭОГ в период генерации К-комплексов отмечено полное отсутствие движений глаз. У всех

испытуемых источник K-комплексов зафиксирован в области Medial Frontal Gyrus, Frontal Lobe.

Динамика кардиоритмологических показателей состояния при сенсорной депривации. Об однозначных изменениях кардиоритма по мере развития сонливости говорить нельзя. Например, для заснувшего оператора М. было характерно постепенное снижение частоты сердечных сокращений (ЧСС) и индекса напряжения (ИН), увеличение вариабельности по мере засыпания и во время сна (табл.1). Постоянно снижался индекс вегетативного равновесия (ИВР), что говорит о возрастании преобладания парасимпатических влияний на ритм сердца, характерном для МФС. Только в 4 пробе было отмечено изменение перечисленных показателей, противоречащее основной тенденции. Это обстоятельство можно объяснить углублением сна - переходом в III стадию МФС (было отмечено увеличение дельта-волн в ЭЭГ)-Именно в этой стадии сна наблюдается увеличение частоты сердечных сокращений и снижение вариабельности сердечного ритма (Вейн, Хехт, 1989).

У оператора Д., который заснул только к концу исследования, происходили иные, противоположные изменения сердечного ритма (табл.2). Хотя ЧСС постепенно снижалась, ИН постоянно увеличивался, возрастал и ИВР, -увеличивались влияния со стороны симпатической регуляции. Вариабельность снижалась, но имела колебательный характер.

a ¡un

100 ао ао

во

о so 100 150 200 250 sao 350 400 450 soo sso eaoc

Рис. 3. КардиоритмОграмма испытуемого Ф. По вертикали - частота сердечных сокращений; по горизонтали - время в секундах, начало отсчета соответствует времени 13:56:55. Стрелки: 1 - начало I стадии МФС; 2, 3 - появление К-комплексов в ЭЭГ (II стадия МФС).

Примечательно, что коэффициент вариации (КВ) значительно снизился с началом сна. Та же парадоксальная реакция наблюдалась еще у двух операторов (рис.3).

Таблица 1 Таблица 2

Динамика показателей сердечного ритма оператора М. Динамика показателей сердечного ритма оператора Д. в состоянии расслабленного бодрствования в состоянии расслабленного бодрствования

Параметры КРГ 10-минутные пробы

Фон 1 2 3 4 5

ЧСС 77 70.8 70.4 64.9 68.7 66.7

ЯЯмин 0.59 0.61 0.55 0.58 0.56 0.6

Ш1макс 0.96 0.99 1.09 1.23 1.14 1.24

КВ 8.3 8.6 10.7 13.4 12.4 14.4

ИН 57 39.0 21.8 13.8 17.7 14.1

ИВР 1.03 0.75 0.398 0.258 0.353 0.272

АМо 0.381 0.285 0.215 0.168 0.205 0.174

КТ1 18.56 21.62 20-39 21.34 19.88 20.84

КТ2 1.03 1.98 5.49 8.08 6.2 4.8

КТЗ 0 0.36 0.98 2.74 0.43 1.85

КТ4 0 0.72 0.28 0.76 0.43 1.05

КЭ1 17.01 22.34 25.04 21.04 23.78 25.79

КЭ2 0 3.42 5.06 10.67 5.04 5.1

КЭЗ 0 0 0.14 2.13 0.58 1.2

КЭ4 0 0 0 0 0.14 0.3

Энтропия 2.34 2.5 2.91 3.31 3.12 3.34

Э уст.рит. 2.22 238 | 2.91 3.3 3.12 3.36

Параметры КРГ 10-минутные пробы

Фон 1 2 4 4.1 4.2-сон

ЧСС 73.7 73.4 70.4 69 71.8 68

КИмин 0.58 0.62 0.63 0.67 0,67 0.72

Ш1макс 1.04 1.02 1.04 1.06 1,02 1.06

КВ 13.3 8.5 7.3 6.7 7.6 5.7

ИН 22.9 40.8 46.2 47.2 56.2 58

ИВР 0.413 0.672 0.892 0.844 0.922 1.094

АМо 0.19 0.269 0.366 0.329 0.323 0.372

КТ1 20.11 21.59 22.13 20.8 20.31 20.79

КТ2 6.25 2.7 1.68 2.15 2.08 2.38

КТЗ 1.09 0.27 0.28 0 0 0

КТ4 0 0 0.14 0 0.52 0

КЭ1 20.11 23.89 22.27 21.38 21.88 22.77

КЭ2 7.61 2.02 2.1 1.87 2.08 0.99

КЭЗ 0 0 0 0.14 032 0

КЭ4 0 0 0 0 0 0

Энтропия 2.98 2.55 2.34 2.28 2.38 2.04

Э уст.рит. 2.94 2.58 2.21 2.17 2.34 1.91

Обозначения: ЯЛ - величина ЯК-интервала (с); ИН - индекс напряжения; ИВР - индекс вегетативного равновесия; ВПР ~ вегетативный показатель ритма; АМо - амплитуда моды; КТ - коррекции трофотропные 1-4-го порядка; КЭ - коррекции эрготропные 1-4-го порядка;

У всех заснувших операторов было отмечено снижение артериального давления к концу исследования. У не заснувших операторов артериальное давление незначительно повысилось.

Исследования биоэлектрической активности мозга при переходе бодрствование-сон выявили определенную тенденцию в динамике этого процесса, которая выражалась в общем торможении активирующих структур. Отсутствие зрительного раздражения приводило к замедлению ЭЭГ-активности в зрительной доле коры больших полушарий: по мере развития сонного состояния высокочастотный альфа-ритм постепенно сменялся низкочастотным. Одновременно было также отмечено усиление мощности колебаний низкочастотного альфа-ритма в теменной области коры. Эти факты наряду с появлением полимодального альфа-ритма указывают на снижение активации коры головного мозга.

ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТОРА ПРИ МОНОТОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Несмотря на то, что все испытуемые относились к категории адаптивных, у каждого из них выявились индивидуальные особенности признаков утомления, развивавшегося в процессе работы на тренажере. Экспертная оценка поведенческих реакций была связана в основном с визуально определяемыми более частыми морганиями, длительным закрыванием глаз, опусканием головы, расслаблением позы и др.

Общие изменения в работе операторов при управлении тренажером.

Начало работы на тренажере каждого оператора характеризовалось периодом "врабатывания" в процесс "вождения".

Время 18-37 45

0,532' 0,512' 0.492. 0,471 • 0,451 ■ 0,43' 0,41-

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 85 70 75

Рис.4. Испытуемый С. Время двигательной реакции в процессе работы на тренажере. По вертикали - время реакции в секундах; по горизонтали - время исследования в минутах (начало отсчета О - соответствует времени начала работы на тренажере 18:37:45). Стрелка означает момент появления медленных волн в ЭЭГ при открытых глазах. До 34-й минуты - "врабатывание", после - период нарастания утомления.

Период "врабатывания" у всех операторов оказался различным - от 10 до 30 минут. За это время оператор привыкал к управлению тренажером, что сказывалось в постепенном снижении количества ошибок, уменьшении отклонения движения виртуального автомобиля от средней линии дороги. После этого периода количество ошибок начинало увеличиваться: учащались проезды без остановок на красные светофоры, росло время реакции на сигнал (рис.4), появлялись выезды за край дороги. У многих операторов одновременно с ростом количества ошибок происходили некоторые изменения в ЭЭГ, проявлявшиеся вспышками медленноволновой активности. Все это рассматривалось как показатель нарастания утомления.

Результаты видеонаблюдения за поведением операторов. В работе впервые была использована непрерывная видеорегистрация обобщенной двигательной активности (ДА) оператора. Применялись разные масштабы съемки: только голова, только руки, целиком до пояса. Отмечены совпадения моментов постоянства двигательной активности с сокращением поведенческих реакций и изменениями в ЭЭГ и КРГ. Вспышки альфа-ритма при открытых глазах в период увеличения количества ошибок управления и удлинения времени двигательной реакции рассматривались как кратковременное выключение внимания в период нарастания утомления.

Высокая двигательная активность не всегда являлась показателем активного бодрствования и сопровождалась высоким качеством деятельности. Это подтверждается при сопоставлении данных по двигательной активности и зрительно-моторных реакций оператора О., представленных на рис.5 и 6 -замедление реакции на сигнал наблюдается и при малоподвижном состоянии, и при активном движении, хотя по наблюдениям эксперта оператор О. длительно глаза не закрывал, медленноволновой активности в ЭЭГ не наблюдалось. По графикам видеонаблюдения за движениями оператора М. максимальная ДА имела место, когда он спал и раскачивался в кресле. Управление совершал неосознанно с многочисленными выездами за край дороги и даже останавливал движение. Подвижность человека не всегда является свидетельством бодрствования.

Оценка двигательной активности операторов по данным компьютерного видеонаблюдения не обнаружила однозначной тенденции, свидетельствующей о наступлении момента потери контроля над ситуацией или, наоборот, подтверждающей активное бодрствование.

58 1 4 37 00 1 4.SS.20 15.13:40 15'32"00 155021 16-08 41 162701 164521

Рис.5. График показателя обобщенной двигательной активности оператора О. по данным видеонаблюдений в условных единицах. По горизонтали - реальное время эксперимента.

16:09 1436.22 1455:54 1 5 1 6 23 1 5 35 40 15 53 24 1 6-11:24 16 30 40 164624 1 7 07 57

Рис.6. График времени моторных реакций на контрольные сигналы, и пропуски сигналов светофора (кружок) оператора О По вертикали - время реакции в децимиллисекун-дах (10"4 с). По горизонтали - реальное время эксперимента.

Изменения функционального состояния операторов по данным электроэнцефалограммы. В фоновых записях было установлено, что ЭЭГ операторов в спокойном бодрствовании при закрытых глазах характеризовалась средним уровнем амплитуды биоэлектрической активности (альфа-индекс от 30 до 70 %). В ЭЭГ операторов отсутствовали какие-либо патологические изменения как по частоте и амплитуде, так и по форме волн. В состоянии активного бодрствования с открытыми глазами биоэлектрическая активность мозга испытуемых характеризовалась десинхронизированной ЭЭГ без выраженного альфа-ритма. В процессе работы на тренажере у большей части операторов уже через 45-60 минут начинали появляться отдельные признаки утомления: на фоне десинхронизированной ЭЭГ при открытых глазах появлялись вспышки медленноволновой альфа-подобной активности. В эти моменты было отмечено увеличение времени реакции на сигнал и сокращение двигательной активности.

Изменения функционального состояния операторов по данным кар-диоритмографии. Для анализа сердечного ритма применялись стандартные

приемы и специально разработанная методика расчета энтропийно-статистических характеристик.

Как показал анализ данных, на начальной фазе работы на тренажере у всех операторов наблюдалось усиление напряженности и централизации управления сердечным ритмом. Об этом свидетельствуют значительное увеличение индекса напряжения и уменьшение вариабельности сердечного ритма в начале работы по сравнению с фоном. В начальный период происходило усиление активации симпатического отдела вегетативной нервной системы, что подтверждается увеличением индекса вегетативного равновесия и ростом ЧСС по сравнению с данными, полученными перед началом работы на тренажере. Первые 10-30 минут работы - адаптация к нагрузке, когда операторы совершают наибольшее количество ошибок. Следующий этап соответствует периоду оптимальной работоспособности и минимизации ошибок. Затем в КРГ проявлялась тенденция, обратная той, что была в начале работы -пульс понижался, снижался индекс напряжения, увеличивалась энтропия сердечного ритма, росла вариабельность - свидетельство значительного ослабления влияния экстракардиальной системы и активизации автономного контура с преобладанием парасимпатических влияний (Зингерман, 1988). Аналогичная динамика были характерна практически для всех операторов.

Рис.7. Кардиоритмограммы оператора М. А - стрелкой обозначено время, когда оператор начал засыпать (по наблюдениям эксперта), Б - сон и пробуждение. Обозначения те же, что на рис.3.

Реакции на монотонную работу иного характера были выявлены у двух операторов. У оператора Па. визуально наблюдалось значительное снижение вариабельности сердечного ритма при ослаблении внимания и закрывании глаз, отмеченном экспертом. Такая же реакция наблюдалась у него и в серии нейрофизиологических исследований состояния расслабленного бодрствования при сенсорной депривации. Оператор М. был единственным заснувшим во время работы на тренажере. КРГ этого оператора отличалась высокой вариабельностью и постоянно росла на протяжении всего процесса работы на тренажере. ЧСС постепенно снижалась, пока оператор управлял тренажером и далее, когда он уже спал. Переход к сну происходил постепенно, сопровождался снижением ЧСС и ростом вариабельности (рис.7А). Напротив, переход от сна к бодрствованию произошел быстро с резким возрастанием пульса (рис.7Б) и других параметров.

Корреляты субъективного ощущения усталости с физиологическими и поведенческими показателями. Анализ этих взаимосвязей позволил сделать вывод о том, что появлению чувства усталости (сонливости) у разных испытуемых соответствует в каждом случае свой набор или своя последовательность изменений исследованных параметров. У одних - корреляция с замедлением открывания глаз, у других - с изменениями в КРГ, с замедлением ритмов ЭЭГ. По мере развития утомления количество этих показателей (признаков) увеличивается. По мере нарастания утомления операторы старались бороться со сном и, как правило, делали это по-разному: смена позы; усиленные моргания, редкие моргания и т. п. Все они стремились выполнять управление без ошибок, но сонливость и усталость мешали этому.

В выполненной серии установлены общая тенденция динамики всех показателей. Выявлены индивидуальные особенности совокупности реакций испытуемых на разных этапах операторской деятельности.

Для монотонии характерна астенизация функциональных резервов, снижение симпатического тонуса нервной системы при относительном увеличении тонуса парасимпатического.

Основной вывод состоит в том, что процесс перехода состояния оператора от активного внимания к усталости, апатии и сонливости является многомерным и гетерохронным. Ни один отдельно взятый физиологический или психологический показатель не может гарантировать точного определения момента наступления уровня сонливости, представляющего опасность для специфической деятельности. Из поведенческих показателей наибольшее доверие вызывает контроль за движениями глаз и закрыванием век. В этом случае вероятность пропуска опасной ситуации, связанной с потерей бдительно-

сти (сонливостью), минимальна для случаев, когда операторы не имеют специфических расстройств сна (например, сон с открытыми глазами).

Таким образом, функциональное состояние всех операторов, оцениваемое по комплексу психофизиологических параметров, ухудшается при работе на тренажере и становится не соответствующим операторским задачам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Регуляцию ФС центральной нервной системы связывают с нейродина-мическими пластическими перестройками в синаптических связях (Василевский, 1979; Василевский и соавт., 1982; Илюхина, 1986). Эти процессы протекают во взаимосвязанных специфических и неспецифических системах, обеспечивающих функциональное единство различных структур ЦНС. Фактором, обусловливающим то или иное поведение, является взаимодействие коры больших полушарий головного мозга и его глубинных подкорковых и стволовых структур (Данилова, Астафьев, 2000; МсСгийу, Бгуппшак, 2003). Феномен внимания рассматривается как одна из градаций состояния активности мозга в цикле бодрствование-сон (АсИегтапп е1 а1., 1997; Болдырева, 2000; Дорохов, Щукин, 2003). Процессы, связанные с торможением активирующих структур мозга человека, происходят гетерохронно. При частичной сенсорной депривации отсутствие возбуждения норадренергических нейронов ретикулярной формации повышает активность серотонинергических нейронов, оказывающих тормозное влияние на кору. Сначала отсутствие зрительного раздражения сказывается в замедлении ЭЭГ-активности - десинхронизированная ЭЭГ-активность сменяется высокочастотным альфа-ритмом. По мере развития предсонного состояния, высокочастотный альфа-ритм постепенно замещается низкочастотным, распространяясь в теменную и центральную зоны. Далее, перед началом I стадии МФС, во время и сразу после пробуждения- наблюдается усиление мощности колебаний низкочастотного альфа-ритма в теменной области коры.

У засыпавших испытуемых происходило разделение альфа-ритма на две или три гармоники. Источник активности доминирующего альфа-ритма менял координаты. При отсутствии сна и снижении уровня бодрствования источник активности преобладающего альфа-ритма не менялся. По данным ЭЭГ анализа можно достаточно точно определить момент начала сна, но установить момент снижения уровня бодрствования невозможно.

Задержка реакции является чувствительным индикатором состояния человека. В начальной фазе время задержки уменьшается. Вторая фаза связана с постепенным удлинением латентного периода и требует особого контроля.

Эти факты подтверждены в наших исследованиях работы на тренажере - постепенное снижение количества ошибок, минимум отклонения автомобиля от осевой дороги и достаточно быстрые реакции на контрольные сигналы. Обратная динамика имела место при нарастании утомления. Одновременно зафиксированы изменения в ЭЭГ, расценивавшиеся как симптомы ослабления внимания, нарастания утомления и возникновения предсонного состояния.

Ослабление внимания сопровождалось постепенным снижением частоты пульса, снижением индекса напряжения и увеличением вариабельности сердечного ритма. Высокая индивидуальная вариативность указанных параметров требует внедрения индивидуального подхода к каждому оператору.

Физиологические параметры, обладая большой инертностью и неустойчивостью, начинают приобретать заметные изменения лишь тогда, когда само состояние уже развилось и наступил сон. Поэтому служить надежными оперативными показателями наступающего утомления не могут.

Нарастание утомления и сонливости сопровождалось учащением моргания, увеличением продолжительности времени смыкания век, расслаблением позы (положения) тела, непроизвольными наклонами головы.

Результаты анализа свидетельствуют о том, что оценка уровня бодрствования оператора должна проводиться комплексно, так как ни один отдельно взятый показатель не может быть достоверным свидетельством снижения уровня бодрствования. Процесс перехода от готовности к адекватному реагированию к сонливости и засыпанию также является сложным, многомерным и гетерохронным. Ни один из регистрируемых психофизиологических показателей в отдельности не может гарантировать однозначного определения момента потери контроля управления. Информационная значимость и достоверность показателей убывает в следующем порядке: закрывание глаз на более длительное время, чем в нормальном состоянии, увеличение частоты морганий, непроизвольный наклон головы ("клевание носом"), полимодальность альфа-ритма, снижение его частоты и распространение в теменную область коры головного мозга; изменение частоты и вариабельности сердечного ритма. Указанные признаки являются необходимыми компонентами понятия "состояние сонливости".

Оценка уровня бодрствования по физиологическим параметрам человека является объективной и имеет количественные оценки. Но по электрофизиологическим параметрам можно заметить лишь тенденцию изменений ФС, но не точный момент утраты контроля над ситуацией. Кроме того, регистрация

физиологических данных требует использования датчиков, накладываемых на кожу, а это не всегда допустимо в условиях реальной работы человека.

При операторской деятельности, связанной со слежением за показаниями приборов, основная нагрузка падает на зрительный анализатор. Поэтому анализу векодвигательных реакций следует уделять особое внимание. Наиболее информативными показателями сонливости является частота векодвигательных реакций и относительное время закрытых глаз (Нко81^е, М1уа1а, 1990; Фролов, 1993; Фролов, Милованова, 1996; Ъетопеп, 2003). Они могут быть зарегистрированы бесконтактным способом.

Для целей профессионального отбора, прогноза, подготовки к работе необходимо выполнение следующих важных условий:

- определение индивидуально-типологической принадлежности, так как лица низкоадаптивной категории представляют собой группу риска в динамических системах управления (Василевский и соавт., 1996);

- учет динамики альфа-ритма при переходе бодрствование-сон, полимодальность альфа-ритма с высокой вероятностью относит испытуемого к группе риска;

- допуск к работе тех водителей, которые прошли соответствующее тестирование и не имеют противопоказаний для этой работы;

- проведение контроля функционального состояния водителя непосредственно перед рейсом и сразу после него;

- контроль уровня бодрствования и его поддержание во время дальнего рейса по возможности бесконтактными способами;

- коррекция состояния психофизиологическими методами.

Использованные в работе физиологические параметры выбраны на основании анализа литературных данных и результатов собственных исследований и предлагаются для включения в аналитический комплекс биотехнической системы для оперативной диагностики состояния. Комплекс дает возможность обращения к речемыслительным функциям оператора, поскольку использование формальных сигналов зачастую неэффективно.

Исследования, проведенные с той же группой испытуемых с использованием технологии биологической обратной связи по кардиоритму (Гусева и соавт., 2004); доказали возможность ее применения для психофизиологической коррекции состояния с целью повышения эффективности процесса распознавания образов. Применение такой технологии рекомендуется как в качестве предстартовой подготовки оператора, так и в качестве средства реабилитации после сеансов работы или смен.

Сферы человеческой деятельности, связанные с длительным управлением в условиях дефицита информации и минимальных мышечных и зачастую интеллектуальных усилий, чрезвычайно разнообразны. Именно поэтому результаты, полученные в настоящем исследовании, распространяются на подготовку операторов различных профессий.

ВЫВОДЫ

1. У "засыпавших" операторов при длительном расслабленном бодрствовании в условиях сенсорной деривации установлен факт разделения альфа-ритма на две или три гармоники, что указывает на снижение уровня активации коры головного мозга. У "не засыпавших" альфа-ритм остается мономодальным.

2. У "засыпавших" операторов выявлено снижение частоты альфа-ритма и возникновение его низкочастотной гармоники в теменной области коры. У "не засыпавших" частота альфа-ритма не меняется, происходит усиление его спектральной мощности и распространение по конвекситальной поверхности.

3. При длительном расслабленном бодрствовании в условиях сенсорной депривации координаты источника доминирующего диапазона альфа-ритма у "засыпающих" операторов меняются, у "не засыпающих" остаются прежними.

4. Монотонная деятельность на компьютерном тренажере, имитирующая работу водителя транспортного средства, приводит к состоянию утомления и снижению уровня внимания, вплоть до засыпания. Точное определение момента потери контроля над ситуацией по электро- и психофизиологическим показателям, по параметрам двигательной активности, времени двигательной реакции и качеству управляющих действий не представляется возможным.

5. Процесс перехода от активного бодрствования к утомлению и сну является гетерохронным и многофазным. Информационная значимость физиологических и поведенческих показателей, характеризующих этот процесс, убывает в следующем порядке: закрывание глаз на более продолжительное время, чем в состоянии активного бодрствования; увеличение частоты морганий; непроизвольный наклон головы в стороны, назад или вперед ("клевание носом"); полимодальность альфа-ритма, снижение его частоты и распространение в теменную область коры головного мозга; изменение частоты и вариабельное га сердечного ритма.

6. Оценка текущего функционального состояния оператора должна осуществляться в соответствии с его индивидуальной нормой.

7. Предложена структурная схема аналитического комплекса биотехнической системы для экспресс-диагностики функционального состояния операторов систем управления.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Суворов Н.Б., Зуева Н.Г., Гусева Н.Л. Отражение индивидуально-типологических особенностей в структуре пространственного взаимодействия волн ЭЭГ различных частотных диапазонов // Физиология человека. 2000. т.26. N 3. с.60-66

2. Суворов Н.Б. Меницкий Д.Н., Гусева Н.Л., Булгакова О.С., Фролова Н.Л. Психофизиологическая подготовка оператора в биотехнической системе // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2003. т.2. N 1. с.4-12

3. Суворов Н.Б., Гусева Н.Л., Булгакова О.С. Биотехнические системы: мобилизация резервов оператора // III Межд. Конгресс "Слабые и Сверхслабые поля и излучения в Биологии и Медицине". Избранные труды. СПб, 2003, с. 111-116

4. Суворов Н.Б., Меницкий Д.Н., Лазарев Н.В., Павлов С.Ф., Шилин В.Н., Гусева Н.Л. Проблема надежного распознавания переходной фазы "бодрствование-сон" во время операторской деятельности // ВЕСТНИК С.-З. Регионального отделения Академии медико-технических наук №7. СПб, "ВиТ-принт", 2003, с. 135-154

5. Попечителев Е.П., Суворов Н.Б., Гусева Н.Л., Кузнецова H.H. Биотехническая система для диагностики и коррекции состояния оператора // Биотехнические системы в XXI веке (материалы Всерос. научно-техн. конференции), СПб, 2004, с. 108-111

6. Гусева Н.Л.. Меницкий Д.Н., Булгакова О.С., Суворов Н.Б. Ритмы головного мозга и сердца при монотонии // Российский физиологический журнал им. Сеченова. Т.90 (часть 1), №8,2004, с.23

7. Гусева Н.Л.. Меницкий Д.Н., Булгакова О.С., Суворов Н.Б. Адаптивное биоуправление в психофизиологической подготовке операторов // Бюллетень Сибирского отделения РАМН, 2004, №3, с. 18-24

8. Гусева Н.Л., Булгакова О.С. Суворов Н.Б. Экологически безопасные методы в психофизиологической подготовке операторов // В кн. «Императивы экологии человека XXI века». С-Пб, 2005, с. 15-17

Формат 60x84/16

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/2803. П. л. 1.375. Уч.-изд. л. 1.375. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес юр.: 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16. Адрес факт.: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5. тел.: (812) 327 5098

РНБ Русский фонд

2006-4 4532

»-6049

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гусева, Надежда Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА КАК ОСНОВА ЕГО ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. И

1.1 Функциональные состояния утомления и монотонии.

1.2 Влияние индивидуальных особенностей личности на функциональное состояние.

1.3 Электрофизиологические показатели функционального состояния головного мозга человека-оператора.

1.4 Вегетативные показатели функционального состояния.

1 .4. 1 Показатели сердечно-сосудистой системы в диагностике функциональных состояний.

1.4.2 Кожно-гальваническая реакция в оценке уровня бодрствования

1.4.3 Электромиограмма в оценке функционального состояния.

1.4.4 Векодвигательная реакция и электроокулограмма как средства диагностики уровня бодрствования.

1.5 Сон как функциональное состояние организма.

1.6 Средства и способы контроля уровня бодрствования операторов

Глава 2. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ФУНЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

ПРИ МОНОТОНИИ.

2.1. Характер и объем исследований.

2.2. Характеристика испытуемых.

2.3. Электрофизиологические исследования функционального состояния человека при расслабленном бодрствовании.

2.4. Исследования функционального состояния человека-оператора при работе на водительском тренажере. v

Глава 3. ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ СЕНСОРНОЙ ДЕПРИВАЦИИ.

3.1 Динамика электроэнцефалографических показателей человека в состоянии расслабленного бодрствования.

3.2 Динамика кардиоритмологических показателей человека в состоянии расслабленного бодрствования.

3.3 Обсуждение.

Глава 4. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ МОНОТОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

• 4.1 Динамика функционального состояния человека во время работы на тренажере транспортного средства.

4.2 Общие изменения в работе операторов в процессе управления на тренажере.

4.3 Результаты видеонаблюдения за поведением операторов.

4.4 Изменения функционального состояния операторов по данным электроэнцефалограммы.

4.5 Изменения функционального состояния операторов по данным кардиоритмографии.

• 4.6 Корреляты субъективного ощущения усталости операторов с физиологическими и поведенческими показателями.

4.7 Психофизиологические корреляты сенсомоторных реакций.

4.8 Обсуждение.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Анализ психофизиологических показателей функционального состояния человека-оператора в условиях монотонной деятельности"

В настоящее время в связи с расширением использования различных автоматизированных систем, управление которыми носит монотонный характер с минимальными физическими, а иногда и умственными нагрузками для оператора, большое значение приобретают ситуации, связанные с утомлением, ослаблением внимания и сонливостью. Все это влечет за собой возникновение опасного переходного состояния "бодрствование-сон" и, как следствие, повышенную вероятность возникновения аварийных ситуаций. Поэтому проблема диагностики, контроля и коррекции функционального состояния (ФС) оператора, работающего в условиях, требующих длительного или повышенного внимания при депривации сна или при нарушении нормального цикла бодрствование-сон, является чрезвычайно актуальной (Фролов, 1987; Корен, 1997; Railway Safety., 2002; Буриков и соавт., 2003 и др.).

Помимо теоретической значимости эта проблема имеет и прикладное значение, в частности, для создания биотехнических комплексов, моделирующих операторскую деятельность и позволяющих отслеживать наступление такого состояния. Для предотвращения возникновения сонливого состояния существует и продолжает разрабатываться множество различных методов, способов и технических приспособлений. Все они направлены на поддержание надежности деятельности человека-оператора, предотвращение нежелательных сдвигов его ФС и экстренное "взбадривание" в случае ослабления внимания при наступлении дремотного состояния (Дорохов, 2001; Thiffault, Bergeron, 2003; Dinges, 2004; Dijk, Larkin, 2004; Moore-Ede, Heit-mann et al., 2004; Mallis, Mejdal et al., 2004 и др.). Подробный обзор устройств, осуществляющих контроль бодрствования машинистов поездов, появился около трех лет назад (Railway Safety., 2002). В нем на основе анализа предложений использовать различные физиологические показатели отмечается, что проблема своевременной идентификации перехода бодрствованиесон пока не решена, поскольку ни одна из обсуждаемых в обзоре систем не принята к реализации.

В суточном цикле бодрствование-сон имеется два пика, определяющих максимальную аварийность на транспорте: от 23 до 7 часов утра и от 13 до 17 часов. В эти часы число аварий возрастает в 8-10 раз (Корен, 1997). Если человек периодически или систематически недосыпает, то в определенные часы суток у него появляется трудно преодолимое желание уснуть хотя бы на несколько секунд. Но даже при скорости всего 50 км/час за 10-секундный микросон водителя его автомобиль проедет около 135 метров.

По приблизительным подсчетам, в 1988 году по вине сонных водителей произошло 41.6 % всех аварий - 769184 травмированных и 17689 погибших. Общий ущерб, нанесенный только экономике США подобными катастрофами, составил $ 37.9 млрд. По последним данным Национальной комиссии во Франции в 1995г. по вине сонных водителей произошло 40% всех ДТП. Во Франции прямые убытки за год составили более $ 11 млрд., а общие потери, включая лечение, профилактику и т.д., оцениваются, соответственно, от 50 до 100 млрд. долларов (Корен, 1997). В военной эргономике аналогичные цифры могут оказаться непредсказуемыми. В то же время в практике до сих пор нет надежных методов и даже критериев, позволяющих с необходимой уверенностью отделить состояние непреодолимой сонливости от утомления, а также оценить влияние монотонии, отвлечения внимания, снижающих уровень бодрствования (бдительности) и эффективность деятельности.

Исследования, проведенные во многих лабораториях сна, показали, что нормальное бодрствование невозможно без полноценного освежающего сна (Torsvall, 1989; Lavie, Weler et al., 1989; Gillberg, Kecklund, 1996; Tamaki, Shi-rota, 2000). Особенно важно поддержание нормального бодрствования для лиц, занимающихся работой, требующей постоянно высокого уровня внимания и сосредоточенности, что касается диспетчеров аэропортов, атомных станций, командных пунктов министерства обороны, гражданской защиты и министерства чрезвычайных ситуаций, а также шоферов, занятых многодневным вождением грузовых и пассажирских машин (Philip, Taillard, 2003; Sallinen, Harma et al., 2003). Исследования, проведенные в последние годы, подтверждают значение функционального состояния водителей для безаварийной работы на трассе. Как выясняется, важным фактором, приводящим к снижению уровня бодрствования водителей, является большая продолжительность рейса, что вызывает повышенную утомляемость, монотония, снижение внимания и появление сонливости (Dureman, Boden, 1982; Haworth et al.,1987; Home, Reyner, 1995; Philip et al., 1999; Hakkanen, Summala, 2000; Garbarino et al., 2001). По данным статистики CILLA засыпание за рулем является причиной 20-30 % всех аварий грузовых автомашин (National Transportation, 1990; Amer. Thorac. Soc., 1994; Home, Reyner, 1995). Как показывают исследования, имеет значение и возраст водителя. У молодых водителей (возраста до 30 лет) скорее возникает состояние усталости и сонливости по сравнению с водителями с большим стажем (Philip, Mitler, 2000; Baulket al., 2001).

Причиной аварий может быть и обыкновенное сокращение ночного сна, вызванное бытовыми причинами. Сонливость может возникать в результате умеренного ежедневного уменьшения времени сна на 1-2 часа, которое может накапливаться в течение времени. Большое значение имеет непрерывность сна. Шесть часов непрерывного сна оказывают более выраженный освежающий эффект, чем, например, 10 часов сна фрагментарного (Railway Safety, 2002). В специально проведенных исследованиях было выявлено, что сокращение ночного сна с обычных 7,2 часа до 2,7 часа у 49 % обследованных приводило к значительной сонливости в последующее дневное время и засыпанию. Даже сдвиг во времени суток моментов засыпания и пробуждения влияет на выполнение задания, требующего особого внимания и бдительности (Taub, Berger, 1974).

Другими факторами риска аварий являются: отправление в рейс в ночное время, принадлежность водителя к группе "сов", привычка долго спать в течение недели, сон дольше обычного в выходные дни (Philip et al., 1999).

Бессонница и расстройства сна обусловливаются также и экологическими неблагоприятными факторами окружающей среды, стрессами, психологической напряженностью.

Однако проведенный нами аналитический обзор научной литературы и патентных источников показал, что до сих пор в мире нет достаточно эффективных методов борьбы с ошибками человека-оператора в эргатических системах управления. В частности, огромные экономические убытки и многочисленные жертвы наблюдаются ежегодно на всех видах транспортных средств. Одной из причин этого является человеческий фактор. Поэтому проблема создания надежных методов оценки и поддержания состояния бдительности и внимания в условиях утомления и сонливости, обусловленных монотонной деятельностью, продолжает оставаться весьма актуальной.

Цель работы: исследование динамики функционального состояния человека-оператора в условиях, требующих длительного повышенного внимания при монотонной деятельности на компьютерном тренажере, имитирующей труд водителя транспортного средства.

Задачи исследования

1. Исследовать динамику электрофизиологических показателей (электроэнцефалограмма, кардиоритмограмма, электроокулограмма) человека при расслабленном бодрствовании в условиях сенсорной депривации.

5. Разработать необходимое программное обеспечение для компьютерного анализа результатов исследований.

Научная новизна

Анализ исследований позволил произвести качественное ранжирование информационной значимости психофизиологических показателей для идентификации состояния, предваряющего момент потери контроля над ситуацией.

Показано, что снижение уровня активации коры головного мозга "засыпающих" операторов электрофизиологически подтверждается фактом "замедления" доминирующего диапазона альфа-ритма, а также возникновением двух или трех гармоник альфа-ритма (полимодальность).

У "не засыпающих" операторов при длительном пребывании в состоянии расслабленного бодрствования происходит усиление спектральной мощности доминирующего диапазона альфа-ритма и его распространение по конвекситальной поверхности.

Координаты источника активности доминирующего альфа-ритма у "засыпающих" операторов с развитием сонного состояния меняются, а у "не засыпающих" остаются прежними.

Индивидуальные особенности состояния оператора прослежены и зарегистрированы в непрерывном режиме на протяжении всего цикла исследования — от расслабленного бодрствования до II стадии медленноволновой фазы сна.

Практическая значимость работы

Проведенные исследования показали, что проблема распознавания переходного состояния "бодрствование-сон" должна решаться на основании сугубо индивидуального подхода, поскольку фиксация определенных тенденций в изменении только статистических физиологических параметров не может являться основанием для построения обобщенной модели идентификации предсонных состояний.

При исследовании функционального состояния при расслабленном бодрствовании по данным ЭЭГ, кардиоритмограммы и артериального давления выявлены особенности "засыпающих" и "не засыпающих" испытуемых. Указанные электрофизиологические параметры следует включить в систему профотбора операторов

На основании проведенных исследований определено, что наиболее достоверными, значимыми и имеющими возможность бесконтактной реализации показателями состояния перехода от бодрствования к сну являются ве-кодвигательные реакции человека.

Разработаны практические рекомендации для повышения эффективности профессионального отбора и коррекции функционального состояния операторов, работа которых связана с монотонной деятельностью.

Предложена концепция "бортовой" системы для идентификации пред-сонного состояния человека, работа которой основана на бесконтактной оценке векодвигательных реакций, как показателя снижения уровня бодрствования.

Положения, выносимые на защиту

2. Динамику ФС человека-оператора в процессе монотонной деятельности от состояния активного бодрствования до состояния утраты контроля над объектом управления вплоть до засыпания, следует описывать с использованием данных электроэнцефалографии, кардиоритмографии, электроокуло-графии и поведенческих реакций.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на III Международном Конгрессе "Слабые и Сверхслабые поля и излучения в Биологии и Медицине" (СПб,

2003), Всерос. научно-техн. конференции "Биотехнические системы в XXI веке" (СПб, 2004), Международной конференции "Стресс и поведение" (СПб,

2004), на заседаниях Физиологического общества (секция "Психофизиология" и заседаниях отдела Экологической физиологии НИИЭМ РАМН.

Материалы диссертации представлены на Международной конференции "Современные аспекты реабилитации в медицине" (Ереван, 2003), XIX съезде Физиологического общества им.И.П.Павлова (Екатеринбург, 2004), Симпозиуме "Императивы экологии человека XXI века" (СПб, 2005).

По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 137 страницах, включая 33 рисунка, 7 таблиц и приложение, и содержит: введение, обзор литературы, описание методик, результаты и обсуждение собственных исследований, заключение и выводы. Список литературы содержит 261 наименование работ на русском и английском языках.

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Гусева, Надежда Леонидовна

выводы

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ АД - артериальное давление АМо — амплитуда моды ВСР — вариабельность сердечного ритма BP - веко двигательная реакция ВДР - время двигательной реакции ВНС — вегетативная нервная система ДА - двигательная активность ИВР — индекс вегетативного равновесия ИН - индекс напряжения KB - коэффициент вариации КГР - кожно-гальваническая реакция КРГ - кардиоритмограмма КТ - трофотропные коррекции КЭ - эрготропные коррекции МДГ - медленные движения глаз МФС - медленноволновая фаза сна СМП - сверхмедленный потенциал CP - сердечный ритм ФС - функциональное состояние ЧСС — частота сердечных сокращений ЭОГ - электроокулограмма ЭЭГ — электроэнцефалограмма RR - величина RR-интервала

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Для целей профессионального отбора и прогноза необходимо выполнение следующих важных условий:

- определение индивидуально-типологической принадлежности, так как по многочисленным наблюдениям лица низкоадаптивной категории представляют собой группу риска в динамических системах управления (Василевский и соавт., 1996);

- отбор по медицинским показаниям;

- проведение контроля функционального состояния водителя непосредственно перед рейсом и сразу после него;

- коррекция состояния психофизиологическими методами.

Принципы формирования комплексной оценки состояния человека, управляющего транспортным средством, должны отрабатываться в модельных тренажерных исследованиях (аппаратно-программные комплексы, имитирующие работу водителя). С их помощью удается сопоставить эффективность исполнительной деятельности человека в условиях монотонии, сопровождающейся утомлением и сонливостью, с набором измеряемых психофизиологических параметров (кардиоритмограмма — КРГ, кривая дыхания - КД, электроэнцефалограмма — ЭЭГ, двигательная активность оператора - ДА и др.)

111 и характеристик сенсорных систем (например, зрительного и слухового анализаторов). При этом учитываются особенности управляющих реакций (количество ошибок) в процессе "вождения" и простые сенсомоторные реакции на контрольные сигналы-воздействия.

Перечисленные информативные физиологические параметры состояния организма были выбраны на основании анализа литературных данных и результатов проведенных исследований и предлагаются для включения в аналитический комплекс биотехнической системы для оперативной диагностики функционального состояния операторов транспортных средств (Попечителев и соавт., 2004). На рис.33 представлена структурная схема такой биотехнической системы.

Рис.33 Структурная схема биотехнической системы оперативной диагностики состояния операторов транспортных средств.

Обозначения: ЭИФС — измеритель функционального состояния (экспресс-диагностика), КИТВД - компьютерный имитатор-тренажер водительской деятельности, КРГ - канал регистрации кардиоритмограммы, ЭЭГ - канал регистрации электроэнцефалограммы, КД - канал регистрации кривой дыхания, ЭМГ — канал регистрации электромиограммы; КГР - канал регистрации кожногальванической реакции; ДА - канал регистрации двигательной активности оператора; ИТР-СМР — измеритель-тренажер-стимулятор сенсомотор-ной реакции.

Эта многофункциональная лабораторная установка предназначена для всестороннего обследования, диагностики, тренировки и коррекции функционального состояния и профессиональной подготовки операторов автономных объектов повышенной опасности. Оценка ФС с ее помощью производится объективными методиками по физиологическим показателям в автоматизированном режиме одновременно с регистрацией эффективности операторской деятельности. При понижении уровня бодрствования оператора в системе предусмотрен измеритель-стимулятор сенсомоторных реакций человека, с помощью которого можно осуществлять частичную коррекцию состояния, для чего используются так называемые "силовые" воздействия в виде вспышек света, акустического сигнала необходимой мощности или "покалывания" слабым электрическим током. Такие воздействия возбуждают ("встряхивают") нервную систему человека и способствуют повышению реакционных способностей. Комплекс дает также возможность обращения к речемыслительным функциям оператора, поскольку известно, что использование формальных сигналов иногда неэффективно.

Исследования способов повышения качества операторской деятельности, проведенные с той же группой операторов с использованием технологии биологической обратной связи по кардиоритму, доказали возможность ее применения для психофизиологической коррекции состояния с целью повышения эффективности процесса распознавания образов (Гусева и соавт., 2004). Применение такой технологии рекомендуется как в качестве предстартовой подготовки оператора, так и в качестве средства реабилитации после сеансов работы или смен. Представляется целесообразным включение в состав биотехнической системы программно-аппаратного комплекса для биоуправления кардиоритмом в качестве одного из функциональных узлов.

Предлагаемая система предназначена для использования в лабораторных условиях и может служить основой для подготовки и реабилитации специалистов-операторов широкого профиля в Центре профессионального отбора.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гусева, Надежда Леонидовна, Санкт-Петербург

1. Акопов Г.П., Ковров Г.В., Посохов С.И. Влияние стресса на сон у здоровых и больных первичной инсомнией // Мат. Конф.: «Актуальные проблемы сомнологии», М., 2000, с.8

2. Аладжалова Н.А. Сверхмедленные колебания потенциалов мозга человека и механизм формирования периодичности в поведении // Материалы XXVII Совещания по проблемам ВНД. Л.: Наука, 1984, с. 96-98

3. Аладжалова Н.А., Арнольд О.Р. Сверхмедленные потенциалы мозга и регуляция бдительности у интро- и экстравертов: эффекты депривации сна // Психологический журнал. Т. 12. №2, 1991, с. 51-59

4. Аладжалова Н.А., Кольцова А.Б., Коштоянц О.Х., Микаелян М.Х. Сверхмедленные ритмические колебания потенциалов мозга человека во сне // Функциональные состояния мозга. М.: Изд. МГУ, 1975, с. 62-73

5. Анохин П.К. Философские аспекты теории функциональной системы. М.: Наука, 1978

6. Антонен Е.Г., Мейгал А.Ю. и др. Электромиографические параметры мышечного утомления у больных паркинсонизмом при общем охлаждении организма // Ж. Физиология человека. 2001. Т. 27, №5, с. 115-123

7. Апчел В.Я., Цыган В.Н. Стрессоустойчивость человека. С-Пб., 1999, 86 с.

8. Астапов В.М. Функциональный подход к изучению состояния тревоги // Психологический журнал. 1992. Т. 13, №5, c.l 11-115

9. Баевский P.M. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М.: Медицина, 1979. 295 с.

10. Баевский P.M., Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука, 1984, 221 с.

11. Блок В. Уровни бодрствования и внимания // Экспериментальная психология. М.: Прогресс, 1970. Вып.З. с.7-146

12. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение // М.: Мир, 1988,248 с.

13. Бобровицкий И.П., Пономаренко В.А. Клинико-физиологические аспекты медицинской реабилитации лётного состава // Тез. Докл. Научно-практич. конфер. Гатчина, 1996, с. 22-24.

14. Богомаз С.А. Психологические типы К.Юнга: психофизиологические типы и интертипные отношения // Томск: Изд. ТПУ, 2000, 71 с.

15. Богословский М.М. Современные представления о природе и функциях сна // Журнал ВНД, 1998. Т.48, вып.1, с. 161-171

16. Богословский М.М. Еще раз о функциональном значении сна // XXX Всероссийское совещание по проблемам сна. 2000. Т.2, с. 656-658

17. Бодров В.А. Проблема профессиональной и функциональной надежности оператора // Психологический журнал. 1989, Т. 10, №4. с. 142-149

18. Болдырева Г.И., Жаворонкова Л.Н. Характеристика межполушарных взаимодействий ЭЭГ в оценке функционального состояния мозга человека//Ж. ВНД. 1989. Т. 39, вып. 2, с. 215-22019.

Информация о работе

Гусева, Надежда Леонидовна
кандидата биологических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 03.00.13

Диссертация

Анализ психофизиологических показателей функционального состояния человека-оператора в условиях монотонной деятельности - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Анализ психофизиологических показателей функционального состояния человека-оператора в условиях монотонной деятельности - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы