Содержание к диссертации
Введение
1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЛАБИЛЬНОСТИ 17
1.1. Функциональное состояние человека 17
1.1.1. Центральная нервная система и ее свойства 19
1.1.2. Лабильность нервной системы человека 21
1.1.3. Лабильность как критерий утомления 23
1.2. Методы оценки лабильности 27
1.3. Технические средства оценки лабильности 30
1.4. Постановка задачи исследований 36
2. МЕТОД ОЦЕНКИ ЛАБИЛЬНОСТИ 39
2.1. Исходные положения 39
2.2. Разработка имитационной модели восприятия парных световых импульсов 41
2.2.1. Структурно-функциональная модель зрительного анализатора 43
2.2.2. Модели ганглиозной клетки и нейронов зрительного анализатора... 45
2.2.3. Имитационная модель восприятия парных световых импульсов 52
2.3. Разработка метода оценки лабильности зрительного анализатора ... 56
2.4. Выводы 60
3. ПРИБОРЫ ОЦЕНКИ ЛАБИЛЬНОСТИ ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА ЧЕЛОВЕКА 61
3.1. Приборы для оценки лабильности зрительного анализатора методом КЧСМ 61
3,1.1. Приборы с ручным регулированием частоты 61
3.1.2. Приборы с автоматическим регулированием частоты 68
3.2. Приборы для оценки лабильности зрительного анализатора
методом парных световых импульсов 74
3.3. Аппаратно-программный комплекс оценки лабильности зрительного анализатора 84
3.4. Выводы 90
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАБИЛЬНОСТИ ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА 91
4.1. Разработка методики оценки лабильности зрительного анализатора 91
4.2. Условия проведения экспериментальных исследований 96
4.3. Результаты экспериментальных исследований оценки лабильности зрительного анализатора 96
4.4. Результаты экспериментальных исследований сравнительной точности оценки лабильности методом КЧСМ и методом парных световых импульсов 99
4.5. Результаты экспериментальных исследований адаптации человека к зрительно-напряженной работе 102
4.6. Выводы 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 109
Приложение А. Расчет погрешностей приборов и погрешностей
оценки лабильности 123
Приложение Б. Графики динамики лабильности операторов ЭВМ... 129
- Функциональное состояние человека
- Разработка имитационной модели восприятия парных световых импульсов
- Приборы для оценки лабильности зрительного анализатора методом КЧСМ
- Разработка методики оценки лабильности зрительного анализатора
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем XXI века в человеко-машинных системах является «человеческий фактор». Подтверждением этому служит нарастание аварий по вине персонала, в том числе с наиболее совершенными и наукоемкими объектами. Определяющим фактором качества работы системы «человек-машина» в целом является функциональное состояние (ФС) человека-оператора, под которым понимают характеристику резервных возможностей организма и качества их регулирования. В общем случае ФС человека определяет его работоспособность при любом виде деятельности.
Считается, что в практических целях при исследовании ФС человека в первую очередь необходимо уделять внимание центральной нервной системе (ЦНС), так как значение свойств ЦНС для организации любой формы деятельности эмпирически уже давно нашло широкое признание.
Одной из наиболее стабильных характеристик нервных процессов в ЦНС человека является лабильность, под которой, в соответствии с определением Н.Е. Введенского, понимают «…максимальный ритм, который способно возбудимое образование генерировать в одну секунду в точном соответствии с ритмом раздражений». Лабильность является интегральным временным параметром, характеризующим работу данного возбудимого образования.
Вопросам исследования лабильности посвящены работы Н.Е. Введенского, А.А. Ухтомского, Е.Н. Семеновской, М.И. Виноградова, Н.Г. Медведева, Н.М. Пейсахова и многих других.
По литературным данным наибольшей информативностью отличается исследование лабильности ЦНС путем оценки лабильности зрительного анализатора (ЗА), что обусловлено тем, что в зрительном акте участвует более половины коры головного мозга. Это позволяет по состоянию ЗА судить о состоянии ЦНС. Поэтому, лабильность зрительного анализатора является интегративной оценкой лабильности ЦНС и изменения ФС человека в целом.
Для оценки лабильности ЗА используют электрофизиологические и психофизиологические методы исследования, причем наиболее широко распространен метод оценки критической частоты слияния световых мельканий (КЧСМ), то есть частоты световых мельканий, которую ЗА вследствие инерционности воспринимает как постоянное свечение. Недостатком метода КЧСМ является низкая точность ее оценки, обусловленная отсутствием четкого перехода от видимости световых мельканий к их слиянию, что объясняется нахождением этих частот внутри полосы пропускания рецептивных полей нейронов, воспринимающих эти частоты.
В тоже время из литературных источников известно, что одиночные нейроны ЗА, начиная с частот более 13-15 Гц, отвечает не на каждое раздражение, то есть наблюдается трансформация более высокого ритма в более медленный ритм. Следовательно, оценка лабильности методом КЧСМ, осуществляется в условиях трансформации ритма одиночными нейронами, то есть не соответствует понятию лабильности по Н.Е. Введенскому.
Таким образом, разработка методов, обеспечивающих повышение точности оценки лабильности, является актуальной задачей и имеет существенное значение для отраслей знаний, связанных с исследованием ФС человека.
Объектом исследования являются лабильность ЗА.
Предметом исследования являются методы, алгоритмическое и приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности ЗА.
Целью работы является решение важной научно-технической задачи повышения точности оценки лабильности ЗА.
Научная задача работы заключается в разработке метода, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения оценки лабильности, позволяющей повысить точность оценки ФС человека.
Для достижения поставленной цели и решения научной задачи необходимо решить следующие вопросы:
- выполнить анализ существующих методов оценки лабильности ЗА человека;
- разработать имитационную модель восприятия ЗА парных световых импульсов;
- предложить метод и методику оценки лабильности ЗА, повышающие точность оценки;
- разработать алгоритмическое и приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности ЗА;
- провести экспериментальные исследования по оценке лабильности ЗА, исследовать взаимосвязь этой оценки и утомления, вызванного выполнением зрительно-напряженной работы.
Методы исследования. Для решения обозначенной цели и задачи в диссертационной работе использовались системный анализ, аналитические методы, аппарат теории автоматического управления, теории статистических решений, методы алгоритмизации, имитационного моделирования и экспериментальные исследования.
Обоснованность и достоверность результатов определяется использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых и разработанных математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, а также результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями, защищенными патентами РФ и свидетельствами СССР.
Новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Предложена модификации моделей ганглиозной клетки и нейрона зрительного анализатора, отличающиеся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающие затухание сигнала при их распространении по дендритам, что позволило разработать имитационную модель восприятия парных световых импульсов и провести исследование лабильности ЗА при варьировании длительности световых импульсов;
2. Впервые разработаны метод и методика оценки лабильности зрительного анализатора с использованием парных световых импульсов, позволившие создать новые технические средства, обеспечивающие повышение точности оценки лабильности при отсутствии явления трансформации ритма;
3. Впервые разработаны алгоритмы работы, приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности зрительного анализатора;
Теоретическая значимость работы заключается в разработке:
- модификаций моделей ганглиозной клетки и нейрона ЗА, отличающихся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающие затухание сигнала при их распространении по дендритам, что позволило с использованием известных структурно-функциональной модели ЗА и передаточных функций клеток сетчатки разработать имитационную модель восприятия парных световых импульсов различной длительности;
- метода, методики и алгоритмическое обеспечение оценки лабильности ЗА человека с использованием парных световых импульсов, позволивших повысить точность оценки, являющихся базой для разработки новых технических средств.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработаны и внедрены опытные экземпляры технических средств для оценки лабильности ЗА человека;
- разработаны и внедрены аппаратно-программные средства для автоматизации оценки лабильности ЗА человека;
- проведены экспериментальные исследования по оценке лабильности ЗА человека, позволившие дать рекомендации по применению разработанного метода, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения для повышения точности оценки;
- установлено, что разработанный метод оценки лабильности может использоваться для исследования характера адаптации человека при зрительно-напряженной работе.
Публикации и апробация результатов. Основное содержание диссертационной работы отражено в 17 печатных работах, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 4 а. с. СССР, 2 патента РФ, 2 статьи, 8 работ в материалах и трудах конференций.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и научно-практических конференциях «Современные информационные технологии в диагностических исследованиях», г. Днепропетровск, 2002 г.; «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», г. Новочеркасск, 2002 г.; «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 2003 г.; «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2004 г.; «Информационные технологии и кибернетика на службе здравоохранения», г. Днепропетровск, 2005 г.; «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии», г. Новочеркасск, 2005 г.; «Здоровье и образование в XXI веке», г. Москва, 2005 г.; всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий», г. Улан-Удэ, 2004.; «Методы и устройства в психофизиологических исследованиях человека», г. Йошкар-Ола, 2005г.; «Физическая культура, спорт, здоровье», г. Йошкар-Ола, 2005г.;
Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использовались при выполнении НИР «Проведение научных исследований молодыми учеными» (шифр 2006-РИ-19.0/001/349), НИР «Методы, методики и аппаратно-программные средства исследования временных параметров зрительного восприятия человека», выполняемой в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, гранта РФФИ №06-08-00988-а «Методы и технические средства исследования аспектов переработки зрительной информации человека», госбюджетной НИР «Методы и средства исследования функционального состояния зрительной системы и организма человека», выполняемой по плану Марийского государственного технического университета, номер государственной регистрации № 01.2.00306970 (2003-2005 гг.), в которых автор являлся исполнителем.
Результаты проведенных исследований внедрены и используются в Казанском государственном медицинском университете (г. Казань), «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского (г. Москва), Московском государственном областном университете, ОАО «Биомашприбор» (г. Йошкар-Ола), Марийском государственном педагогическом институте им. Н.К. Крупской (г. Йошкар-Ола). Использование результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Пути дальнейшей реализации результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в офтальмологии, офтальмоэргономике, психофизиологии, в экспериментальной психологии, физиологии и гигиене труда и спорта. Дальнейшее развитие научных исследований целесообразно проводить по изучению лабильности палочковой и колбочковой систем, on- и off-каналов ЗА, исследованию возможности использования данных о динамике лабильности в процессе адаптации к зрительно-напряженному труду с целью прогнозирования ФС человека для обеспечения надежности и эффективности его профессиональной деятельности.
На защиту выносятся:
- модификации моделей ганглиозной клетки и нейрона зрительного анализатора, отличающиеся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающие затухание сигнала при их распространении по дендритам, что позволило разработать имитационную модель восприятия парных световых импульсов и провести исследование лабильности зрительного анализатора при варьировании длительности световых импульсов;
- метод и методика оценки лабильности зрительного анализатора человека с использованием парных световых импульсов, позволившие повысить точность оценки лабильности зрительного анализатора, являющиеся базой для разработки новых технических средств;
- алгоритмы работы и структура технических средств оценки лабильности зрительного анализатора, обеспечивающие повышение ее точности.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 132 машинописных страницах и содержит введение, четыре главы основного текста, заключение, список использованной литературы и приложения. Иллюстративный материал представлен в виде 42 рисунков и 9 таблиц. Библиография включает 136 наименований.
Автор выражает благодарность профессору, доктору технических наук, заведующему кафедрой компьютерных систем КГТУ им. А.Н. Туполева Песошину В.А. и профессору кафедры гигиены, медицины труда с курсом медицинской экологии ПДО КГМУ, доктору медицинских наук
Ситдиковой И.Д. за научные консультации.
Функциональное состояние человека
Работоспособность человека-оператора является определяющим фактором качества работы системы «человек-машина» в целом. Снижение работоспособности под влиянием утомления является фактором, ограничивающим надежность в системе «человек-машина».
Исследования операторской деятельности показали, что адаптация человека к различным видам труда зависит от конституциональных особенностей организма, а адаптивные возможности, в первую очередь, связаны с различными свойствами ЦНС, а также с профилем и продолжительностью деятельности. Эти факторы наряду с другими обстоятельствами предопределяют особенности и степень интегративных перестроек в организме, характеризующих оптимальное ФС, которое может обеспечить высокую эффективность деятельности [7].
В физиологии человека и общей теории деятельности понятие ФС человека занимает центральное место. Исходя из положения о динамике ФС, формируется одна из основных задач физиологии труда. Это определение той точки на шкале ФС, на которой находится человек, с последующей оценкой значимости этого положения - можно или нельзя продолжать деятельность [7, 8].
Из всего континуума ФС человека в практических целях физиологии и гигиены труда оценка ФС, в большинстве случаев, сводится к диагностике состояния утомления, и выявлению признаков развивающегося хронического утомления и переутомления, как критерия перехода ФС от «нормы» к патологии, то есть перехода от разрешенных состояний к запрещенным [7].
Считается, что существует большой набор физиологических реакций организма, в которых отражаются изменения уровня ФС. Для этого широко используются электрофизиологические, медико-биологические и психофизиологические методы.
ВНИИТЭ предложен комплекс для оценки ФС человека-оператора, который включает регистрацию энцефалограммы, кожно-гальванических реакций, электромиограммы, электротензограммы, вертикального и горизонтального движения глаз, электропневмограммы, пульса и речевых ответов [9],
Однако, электрофизиологические методы остаются в основном инструментом для лабораторных исследований, для массовых обследований они малопригодны в силу ряда причин: сложности аппаратуры, необходимости в специальных изолированных камерах, длительности самого испытания, неоднозначности интерпретации результатов исследований и ряда других причин [10].
В тоже время, отмечается, что в абсолютном своем большинстве параметры биомеханического, медико-биологического, биохимического контроля организма человека определяются не в реальном масштабе времени, а с определенным, часто продолжительным временным сдвигом, что не позволяет получить оперативно оценку уровня ФС. Кроме того, общим недостатком этих методов является то, что определение уровня различных метаболитов, гормонов и ферментов в организме человека связано с отборами и анализом венозной или капиллярной крови, мочи, слюны и других проб [11,12].
Разработка имитационной модели восприятия парных световых импульсов
Известно, что научное исследование представляет собой вид познавательной деятельности и является процессом выработки новых знаний об исследуемом явлении, процессе или систем объектов. Моделирование является одной из основных категорий теории познания путем построения и изучения их моделей. На идее моделирования базируется любой метод научного исследования - как теоретический (при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели), так и экспериментальный (использующий предметные модели) [81].
Анализ литературных источников показал, что для моделирования биологических систем принято использовать функциональные и структурно-функциональные модели [82, 83].
Функциональные модели представляют собой схему последовательности изменений системы во времени с указанием причинно-следственных отношений, прямых и обратных связей, построение модели основано на доступном множестве входных воздействий и выходных параметров, доступных измерению.
Это модель ЗА, согласно которой зрительное впечатление убывает точно так же, как по закону Ньютона охлаждается тело малых размеров [84], модель А.В.Луизова, предложившего рассматривать процесс развития зрительного впечатления по аналогии с движением тела в вязкой среде [84], модели зрения на основе концепции «черного ящика» [85] и др.
При структурно-функциональном моделировании за основу структурного деления моделируемой биосистемы берутся данные из анатомии и физиологии, при этом для получения количественных характеристик учитываются свойства структурных единиц биосистемы.
Известно, что зрительный анализатор представляет собой сложную многоуровневую систему биологических клеток с обратными связями. В настоящее время разработано значительное количество моделей зрительного анализатора в целом и отдельных его подсистем [86-92], моделей восприятия и переработки зрительной информации. При этом все известные модели узконаправленны и работают исключительно в рамках поставленных задач, что объясняется, в первую очередь, сложностью структурной организации ЗА и инвариантностью предъявляемых зрительных стимулов.
Известен ряд моделей ЗА человека и процессов переработки зрительной информации. Это динамическая модель обработки сигналов в нейронной сети дистальной сетчатки [93], модели последовательной фильтрации и параллельной обработки [94], трехканальная модель зрения [95], модель формирования частотно-контрастной характеристики зрительной системы в зависимости от освещённости [96] и другие.
Моделированию инерционных свойств ЗА в условиях наблюдения короткой вспышки света посвящена работа Н.Н. Красильникова и Ю.Е. Шелепина, в которой получена зависимость порога обнаружения стимула от длительности вспышки и средней освещенности фона [97].
Известна модель [98] восприятия парных световых импульсов длительностью 50 мс. Однако, математическое описание, полученное на основе данной математической модели, не отображает известную зависимость временных процессов переработки от длительности световых стимулов [99].
Моделей ЗА, отображающих процессы восприятия парных световых импульсов длительностью от 1 мс до 200 мс, необходимых для проверки гипотезы о существовании экстремума лабильности, как функции от длительности световых импульсов, анализ литературных источников не выявил.
Приборы для оценки лабильности зрительного анализатора методом КЧСМ
Как было показано ранее в разделе 1.3, большинство известных приборов для исследования лабильности основано на оценке критической частоты световых мельканий.
Целью разработки технических средств оценки лабильности являлось создание цифровых приборов и аппаратно-программного комплекса, основанных на методе КЧСМ, а также реализующих разработанный метод оценки с использованием парных световых импульсов, описанный в главе 2, обеспечивающих повышение точности оценки. При разработке технических средств использованы известные технические решения: кварцевая стабилизация частоты, цифровая обработка результатов измерений, развитие которых позволило получить новые технические решения.
. Приборы с ручным регулированием частоты
Приборы «ИЛЗА-1» и «ИЛЗА-2» предназначены для экспресс-оценки лабильности методом КЧСМ. Это простые приборы с малым энергопотреблением и автономным питанием.
Временная диаграмма изменения частоты световых мельканий в приборе «ИЛЗА-1» в процессе оценки лабильности представлена на рис. 16, алгоритм работы - на рис. 17, структурная схема - на рис. 18, эпюры, поясняющие его работу - на рис. 19.
Разработка методики оценки лабильности зрительного анализатора
Определение психофизиологических параметров, каким и является лабильность, представляет собой типичный процесс многократной регистрации независимых наблюдений. Анализ литературных источников показал, что в большинстве известных методиках испытуемый сообщает о наблюдении того или иного эффекта - слиянии или раздельности восприятия событий [120].
Для оценки лабильности методом КЧСМ с использованием приборов «ИЛЗА-1» и «ИЛЗА-2» испытуемый непрерывно изменяет длительность МИИ по методу последовательного приближения и определяет момент субъективного слияния световых импульсов в паре, как это показано на рис. 16.
При использовании приборов с автоматическим регулированием частоты «ИЛЗА-3» и «ИЛЗА-4» испытуемый посредством нажатия кнопки управления фиксирует надпороговое и подпороговое значения КЧСМ, по которым вычисляется действительное значение КЧСМ, принимаемое за оценку лабильности. Изменение частоты происходит также непрерывно по методу последовательного приближения, как показано на рис. 22.
При оценке лабильности с использованием парных световых импульсов с помощью прибора «ИЛЗА-5» изменение длительности МИИ проводят в ручном режиме непрерывно по методу последовательного приближения, как показано на рис. 26,
В тоже время известно, что глаз человека более чувствителен к восприятию дискретно изменяющейся частоты [121].
В соответствии с этим, для повышения точности оценки лабильности, в приборе «ИЛЗА-6» и разработанном АПК предусмотрено дискретное регулирование длительности МИИ. Для оценки лабильности с помощью прибора «ИЛЗА-6» и АПК предложена методика, основанная на дискретном изменении длительности МИИ по методу последовательного приближения. Согласно данной методике, на начальном этапе испытуемому предъявляются парные световые импульсы длительностью 3 мс, разделенные начальным межимпульсным интервалом 150 мс. В качестве минимальной длительности светового импульса принята длительность равная 3 мс, так как при меньших длительностях, согласно закону Блоха-Шерпантье, интенсивность видимого излучения уменьшается, что затрудняет решение зрительно-пространственной задачи [80]. Испытуемым определяется пороговое значение МИИ, согласно разработанному методу оценки лабильности с использованием парных световых импульсов. Затем, испытуемый увеличивает длительность импульса на 3 мс, выставляет соответствующее значение длительности начального межимпульсного интервала и повторяет процедуру определения порогового значения МИИ. Последовательность действий повторяется до нахождения максимального значения лабильности ЗА. Далее данное значение длительности импульса увеличивается на 3 мс и путем уменьшения длительности импульса с шагом 1 мс уточняется максимальное значение лабильности. Серия оценок действительного значения лабильности выполняется при длительности импульса, соответствующей уточненному максимальному значению лабильности.
