Содержание к диссертации
Перечень аббревиатур 5
Перечень основных понятий 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1.АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ И АДАПТАЦИИ 12
1.1.Анализ существующих подходов к проблемам измененных состояний сознания возникающих в процессе деятельности человека-оператора 12
1.2. Анализ современных моделей структуры сознания 15
1.3. Проблема формирования и контроля функциональных состояний человека - оператора 24
1.4. Анализ существующих методов оценки ПФС человека-оператора 28
1.4.1. Оценка состояний ПФС человека-оператора по показателям ЭЭГ 28
1.4.2. Оценка ПФС человека-оператора по показателям ЭОГ 29
1.4.3. Оценка ПФС человека-оператора по кардиографическим показателям 29
1.4.4. Оценка ПФС по показателям ЭАК 30
1.4.5. Анализ возможности применения для оценки ПФС стабилометрических методов 31
1.4.6. Оценка ПФС методами психологического тестирования 33
1.4.7. Обоснование методов оценки и коррекции ПФС человека-оператора, основанных на анализе временной организации работы функциональных систем 34
1.5. Обзор современных методов формирования заданных психофизиологических состояний 36
1.5.1. Сравнение и анализ современных методов ритмической стимуляции 36
1.5.2. Методы коррекции ПФС основанные на временной организации работы функциональных систем. 39
1.5.3. Анализ методов оценка и коррекция психофизиологического состояния человека-оператора основанных на цветовом воздействии 40
1.5.4. Сравнение и анализ методов транскраниальной электростимуляции для формирования заданных психофизиологических показателей. 42
1.5.5. Анализ возможности применения фазированных антенных решеток для оценки состояния человека-оператора 46
1.5.6. Обоснование необходимости применения температурных датчиков для оценки ПФС человека-оператора 47
1.5.7. Психологическая обратная связь как способ оценки и коррекции психофизиологического состояния человека-оператора 47
1.5.8. Анализ методов современных психотренингов для обучения человека-оператора самостоятельному вхождению в заданные ПФС 49
1.6. Разработка компоновки системы оценки и коррекции состояния человека-оператора 52
1.7. Выводы и цели дальнейших исследований 54
2. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ КМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ ДЛЯ КРУГЛОСУТОЧНОГО МОНИТОРИНГА И КОРРЕКЦИИ ПФС ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА 56
2.1. Постановка проблемы 56
2.2. Обзор существующих аналогов 56
2.3. Разработка и апробация подсистемы КМ 58
2.4. Обоснование выбора методик и каналов съема биологической информации для подсистемы КМ 61
2.4.1. Разработка математического обеспечения для обработки сигналов ЭАК 61
2.4.2. Разработка математического обеспечения для канала ЧСС 65
2.4.3. Обоснование выбора параметров канала электростимуляции 68
2.5. Выводы 69
3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ И КОРРЕКЦИИ ПФС ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОЧЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 71
3.1 .Постановка проблемы 71
3.2.Разработка мобильной подсистемы оценки и коррекции ПФС
человека-оператора во время выполнения рабочей деятельности 71
3.2.1 .Обзор наиболее близких аналогов разрабатываемой подсистемы 71
3.2.2. Выбор индивидуальные технические средства психотренинга 73
3.2.3 Выбор средства оценки ПФС человека-оператора для МРД 76
3.2.4. Обоснование применения и выбор параметров для ЭЭГ-канала 77
3.2.4. Обоснование применения и выбор параметров для ЭОГ-канала 78
3.2.5. Разработка мобильного комплекса оценки и коррекции ПФС человека-оператора при выполнении рабочей деятельности 78
3.2.6. Разработка и апробация модуля транскраниальной стимуляции 83
3.2.7. Разработка и апробация основных узлов модулей электромагнитной и транскраниальной стимуляции 88
3.2.8. Разработка DC-DC преобразователя с низким уровнем пульсаций 89
3.2.9. Выводы 90
3.3. Разработка комплекса дистанционной оценки и коррекции ПФС человека-оператора 91
3.3.1. Анализ исходных параметров биологических структур 92
3.3.2. Разработка эквивалентной электрической схемы нервной клетки 93
3.3.3. Моделирование прохождения электромагнитной волны через голову человека 100
3.4.5. Расчет ФАР для оценки и коррекции ПФС человека-оператора 105
3.5. Выводы 108
4. РАЗРАБОТКА И КОМПОНОВКА СТАЦИОНАРНОЙ СИСТЕМЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ И КОРРЕКЦИИ СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА 109
4.1. Постановка проблемы 109
4.2. Разработка подсистемы реализации психологической обратной связи на основе стабилометрии 110
4.3. Исследование эффективности разработанного метода определение ПФС человека-оператора по стабилографическим показателям 112
4.4. Анализ психофизиологических механизмов психомоторной тренировки 114
4.5. Разработка и исследование методов повышения эффективности обучающих психотренингов для человек-операторского контингента 118
4.6. Разработка аппаратуры для обучающих психотренингов и исследование ее эффективности 120
4.7. Разработка алгоритма выявления и инициации оптимальных ПФС человека-оператора 120
4.8. Методы повышения точности измерений для стационарной подсистемы оценки и коррекции ПФС человека-оператора 122
4.12.Выводы 125
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ И КОРРЕКЦИИ ПФС ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА 126
5.1. Проблемы оценки ПФС человека-оператора 126
5.2. Расчет границ оптимального ПФС человека-оператора 127
5.3 Критерии оценки оптимального ФС человека-оператора 130
5.3.1 Оценка эффективности разработанной подсистемы КМ 132
5.3.2 Оценка эффективности разработанного модуля ПМ 133
5.3.3 Оценка эффективности всей разработанной системы 13 5
5.4, Математический анализ методов ритмической стимуляции с точки зрения волновой модели мозга 136
5.5. Выводы 138
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 155
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 180
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 184
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 187
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 192
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 196
ПРИЛОЖЕНИЕ 11 199
ПРИЛОЖЕНИЕ 12 202
ПРИЛОЖЕНИЕ 13 206
ПРИЛОЖЕНИЕ 14 207
ПРИЛОЖЕНИЕ 15 213
ПРИЛОЖЕНИЕМ 217
ПРИЛОЖЕНИЕ 17 222
ПРИЛОЖЕНИЕ 18 225
ПРИЛОЖЕНИЕ 19 234
Введение к работе
Актуальность проблемы. Существует множество областей человек-операторской деятельности, где принятие решений происходит в экстремальных условиях при остром дефиците времени. Примерами таких профессий могут служить такие виды человек операторской деятельности как летчики, космонавты, водители и стрелки танков, авиадиспетчеры, диспетчеры железнодорожного транспорта, операторы атомных электростанций и многие другие. Ошибки здесь ведут к тяжелым иногда трагическим последствиям, В связи, с чем задача повышения эффективности методов оценки и коррекции состояния человека-оператора является весьма актуальной.
Подходы к разработке способов и технических средств оценки и коррекции психофизиологического состояния (ПФС) человека-оператора можно найти в работах Смирнова И.В., Безносюка Е.В., Журавлёва А.Н., Патрушева А.В., Звоникова В.М., Стадникова Е.Н., Иваницкого A.M., Стрельца В.Б., Корсакова И.А., Бахтиярова О.Г, Бехтеревой Н.П. и др. Известно около десятка способов оценки и коррекции ПФС человека-оператора, которые еще не были автоматизированы, хотя значимость их подтверждается исследованиями многих специалистов.
Надежность работы человека-оператора зависит не только от уровня его тренированности и природных свойств нервной системы (которую можно выявить с помощью профотбора), но и от способности сохранять операторскую мотивацию в экстремальных условиях. Психологический анализ мотивационных нарушений является единственным средством определения ведущего мотива в текущий момент времени, который непосредственно стимулирует все поведение человека.
В виду большого разнообразия видов операторской деятельности в настоящее время нет достаточно простых и адекватных методов ее оценки. Наиболее полно деятельность человека-оператора можно оценить на специальных дорогостоящих тренажерах, разработанных под конкретные типы человек-операторской деятельности, например для летчиков, космонавтов, машинистов локомотивов и др. Но даже самые совершенные тренажеры не позволяют полностью смоделировать реальную ситуацию. Поэтому более целесообразной является разработка системы, позволяющей осуществлять контроль и коррекцию деятельности человека-оператора непосредственно на рабочем месте. Поэтому основная задача исследования состоит в разработке такой системы. Сложность поставленной задачи заключается в необходимости непрерывного съема большого количества биологической информации и проведении на ее основе оперативной оценки и коррекции состояния человека-оператора. Решение поставленной задачи требует комплексного подхода.
Целью диссертационной работы Целью данной диссертационной работы являлась исследование возможности повышения эффективности оценки и коррекции ПФС человека-оператора, а также методов обучения человека инициации оптимальных функциональных состояний при выполнении операторской деятельности. Для достижения цели необходимо на основе системного подхода решить ряд взаимосвязанных задач, каждая из которых посвящена разработке соответствующей подсистемы:
1. подсистемы круглосуточного мониторинга (КМ);
2. подсистемы мониторинга рабочей деятельности (МРД);
3. стационарной подсистемы - диагностико-восстановительный центр (ДВЦ) для коррекции работы КМ и МРД, и осуществлении процесса профотбора.
Все разрабатываемые подсистемы должны соответствовать требованиям электробезопасности МЭК 601-1-1-92 для медицинского оборудования и выполнены по I классу защиты.
Методы исследования опираются на использование методов системного анализа, численного анализа, моделирования, электротехники, радиотехники, планирования эксперимента и статистического оценивания.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1. Впервые разработана структура системы оценки и коррекции состояния человека-оператора с учетом индивидуальных сверхмедленных биологических циклов и психосемантического портрета личности.
2. Впервые предложено применить комплексы на основе фазированных антенных решеток для оценки и коррекции ПФС оператора.
3. Впервые разработана и апробирована структура комплекса с психологической обратной связью на основе стабилографической реакции для оценки и коррекции ПФС оператора.
4. Впервые поставлены и решены задачи автоматизации методов определения ПФС человека-оператора на основе сигналов глазного доступа и пантомимики.
5. Впервые разработана структура многоканального портативного транскраниального электростимулятора с биологической обратной связью объединяющая четыре взаимодополняющих метода: поличастотных воздействий Гаркави, психосемантической коррекции Лурия, ритмической стимуляции и зонной электростимуляции Иваницкого-Стрельца-Корсакова.
6. Впервые поставлены и решены задачи определения ПФС человека-оператора для мобильных систем мониторинга на основе оценки баланса симпатической и парасимпатической нервных систем и величины вариабельности сердечного ритма с помощью каналов электрической активности кожи (ЭАК) и фотоплетизмограммы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Общая структура системы оценки и коррекции состояния человека-оператора.
2. Алгоритмы и метод применения комплексов психологической обратной связи на основе стабилометрии.
3. Алгоритмы оценки и коррекции ПФС человека-оператора.
4. Структуры каналов комплексов съема биологической информации для мобильных систем мониторинга человека-оператора.
5. Структура многоканального портативного транскраниального электростимулятора.
Практическая ценность заключается в построении более эффективных систем оценки и коррекции ПФС человека-оператора, позволяющих существенно снизить риск возникновения аварийных ситуаций и результатов их последствий.
Внедрение и использование результатов работы. К настоящему времени, часть блоков системы внедрены и используются в следующих таганрогских предприятиях и организациях: ОКБ «Ритм», Медиком МТД, НКБ «МИУС».
Апробация работы. По основным результатам диссертационной работы делались доклады на: Всероссийской научно-практической конференции «Медицинские информационные системы - МИС-2004», Таганрог, 2004, Всероссийских научно-техническом семинаре с международным участием «Микропроцессорные системы мониторинга, диагностики и управления сложными техническими объектами, организационно-техническими системами и комплексами» Таганрог, 2003, Всероссийских научных конференциях "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, 2002, 2003, 2004, 2005; Научно-практической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и молодых ученных. ТИУиЭ Таганрог 2005, 2006; Всероссийской научной конференции с международным участием «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» Таганрог 2002, 2003; Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» Таганрог, 2005; Международной научной конференции «Информационный подход в естественных, гуманитарных и технических науках» Таганрог, 2004; Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» Таганрог 2004,2006.
Результаты работы также докладывались в течение ряда лет на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Одна из разработок, по результатам диссертационной работы, демонстрировалась на всероссийской выставки «Инновация - 2005» в г. Новочеркасске, где была отмечена дипломом.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 40 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять разделов, заключение, список литературы и приложения. Основная часть (введение, пять разделов и заключение) содержит 145 страниц машинописного текста, иллюстрируется рисунками на 35 страницах. Список литературы содержит 176 наименований. Приложения содержат 25 страниц. Содержание диссертационной работы.
Введение. Показана актуальность темы, дана характеристика работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.
В Разделе 1. проведен анализ существующих подходов к проблемам измененных состояний сознания возникающим при работе человека-оператора. Проведен анализ систем для оценки и коррекция ПФС человека-оператора. Предложена компоновка разрабатываемой системы оценки и коррекции ПФС человека-оператора. В конце раздела формулируются цели и задачи дальнейших исследований.
В Разделе 2 проведена разработка подсистемы КМ, предназначенной для круглосуточного мониторинга и коррекции ПФС человека-оператора. Основной задачей здесь является предупреждение патологических состояний, не совместимых с возможностью успешного выполнения рабочей деятельности на основе анализа ПФС человека-оператора за пределами его рабочего места. В связи с необходимостью небольших размеров и веса подсистемы КМ, основной проблемой здесь является выбор наиболее информативных каналов биологической информации. Проведено обоснование выбора методик и каналов съема биологической информации для подсистемы КМ. Разработанная подсистема позволяет решить задачу круглосуточного мониторинга без частой подзарядки аккумулятора в сочетании с высокой комфортностью благодаря малым габаритам и массе.
Раздел 3 посвящен разработке подсистемы МРД, предназначенной для организации мониторинга в процессе выполнения рабочей деятельности оператора. Основной проблемой здесь является наличие возможности оперативной оценки и коррекции ПФС человека-оператора. За основу комплекса взята разработанная ранее с участием автора и запатентованная система мониторинга человека-оператора.
Здесь же приведена разработка комплекса дистанционного мониторинга, предназначенного для дополнительной оценки и коррекции состояния человека-оператора на рабочем месте. Для организации системы дистанционного мониторинга была предложена структура системы полиграфического мониторинга с психологической обратной связью на базе фазированных антенных решеток. Возможно применение этого метода и для построения систем с психологической обратной связью, например, для поддержания на высоком уровне необходимой операторской мотивации, в центрах реабилитации, в системах активации резервных способностей человека, в области геронтологии, для стимуляции выработки мелатонина и во многих других областях медицины.
Раздел 4 посвящен разработке и компоновке стационарной системы периодической оценки и коррекции состояния человека-оператора. Основной задачей здесь является более детальное изучение ПФС человека-оператора и коррекция на основе полученных данных работы подсистем КМ и МРД.
В состав стационарной подсистемы входит диагностико-восстановительный центр (ДВЦ). ДВЦ предназначен для выявления индивидуальных психологических особенностей работников и восстановления психофизиологических ресурсов с учетом параметров функциональной асимметрии ЦНС.
ДВЦ рассчитан на работников с эмоционально-напряженными видами деятельности (управленческая деятельность, вахтовый режим труда, операторские виды деятельности и т.д.).
Техническим новшеством в комплексе является применение психологической обратной связи на основе стабилометрии. За основу программного обеспечения данного мониторинга взят программный пакет для системы «Стабилан», разработано также дополнительное программное обеспечение.
В систему также входит разработанный блок ABC Прана-4, который является продолжением разработанных автором ранее в ОКБ «РИТМ» устройств Консонанс, Прана-1, -2, -3.
Для оценки ПФС человека методами фоносемантики применены программы «Диатон» и «ВААЛ», разработанные в лаборатории профессора Журавлева и оценивают наличие внушений в речи, ее гипнотический потенциал (суггестивность). Раздел 5 посвящен разработке математической модели ПФС человека-оператора.
Анализ биометрических показателей функциональных состояний человека-оператора при отсутствии артефактов показывает, что их распределение хорошо аппроксимируются многомерным нормальным законом, а установленные симптоматические различия заключаются в многомерных функциях процессов второго, третьего и более высоких порядков. При этом паттерны любого ПФС человека-оператора образуют своеобразные кластеры, что также подтверждается рядом исследований. Отсюда возникает задача определения индивидуальных граничных условий, при которых возможна инициация того или иного функционального состояния человека.
Исследования, результаты которых приведены в данном разделе, показали следующее:
1. Выход хотя бы одного из биометрических параметров за границы кластера может привести к смене всей матрицы ведущего (текущего) функционального состояния сознания.
2. Одновременное применение различных типов воздействия позволяет быстрее достичь требуемого функционального состояния сознания. Это говорит о том, что подсистема МРД должна обладать максимально возможным числом каналов коррекции.
3. Простая или сложная сенсомоторная реакция может быть заменена стабилометрическими показателями, однако для сокращения остальных биометрических каналов (с целью упрощения системы) пока еще мало данных.
В заключении приведены основные научные выводы и практические результаты диссертационной работы.
