Содержание к диссертации
Список сокращений 4
Введение 6
Глава 1. Биометрические методы и системы контроля физиологических параметров. 13
1.1. Современная аппаратура регистрации ПЭС и методы биометрии 13
1.2. Современные методы математической обработки биометрической информации 30
1.3. Анализ современных проблем биометрии 42
1.4. Выводы по главе 43
Глава 2. Разработка методики диагностики состояния человека с применением
водных датчиков 46
2.1. Эффект регистрации НИБ 46
2.2. Разработка и исследование водноэлектрического датчика 48
2.3. Макет исследовательской установки 66%
2.4. Природа воздействия биологического объекта на воду 68
2.5. Регистрация изменения функционального состояния посредством
водных датчиков 89 •
2.6. Выводы по главе 95
Глава 3. Исследование и разработка диагностической системы 97
3.1. Разработка и исследование аппаратурной части канала «НИБ» 98
3.2. Разработка схемы канала «НИБ» 99
3.3. Канал «КГР». Разработка принципиальной схемы 107
3.4. Канал тремора. Разработка принципиальной схемы 111
3.5. Плата сбора данных. Цепь питания 115
3.6. Выводы по главе 116
Глава 4. Математическая обработка параметров системы 118
4.1. Многомерная обработка выходных параметров измерительной системы По
4.2. Эксперименты по предъявлению обследуемому неожиданного
137
стимула 4.3. Эксперименты по воздействию на обследуемого умственной нагрузки. 156
4.4. Оценка надежности принятых решений 165
4.5. Выводы по главе 174
Заключение 176
Приложение 1 180
Приложение 2 183
Приложение 3 186
Приложение 4 189
Приложение 5 191
Приложение 6 193
Литература 195
Введение к работе
Состояния человека до заступления его на свой рабочий пост. При этом, очевидно, что данный подход не решает задачи постоянного контроля состояния оператора. В современной практике все чаще используется периодический контроль состояния оператора с использованием уже упомянутой аппаратуры. При этом отмеченные выше недостатки такой аппаратуры не позволяют решить задачу диагностики ПЭС в реальном масштабе времени. Ограничения применимости аппаратуры связаны с ограниченными возможностями биометрических методик реализуемых в них. Для достижения требуемого уровня контроля ПЭС в последнее время стали разрабатываться новые и модернизироваться существующие методы биометрии. Однако необходимых результатов в данном направлении достигнуто не было.
В передовых странах ведутся разработки по созданию носимых диагностических комплексов, предназначенных для осуществления непрерывного контроля состояния человека. Однако их возможности пока ограничены принятием объективного решения лишь о физическом состоянии обследуемого и интенсивности процессов метаболизма.
Одни из основных трудностей на пути к созданию требуемой биометрической системы связаны со спецификой регистрируемой информации. Измеряемые параметры с одной стороны слабо коррелированны, а с другой их значения многомодальны и вариабельны от индивидуума к индивидууму. По этой причине возникают сложности при математической обработке и принятии решений. Преодоление проблем связанных с многозначностью сулсдении и их индивидуальностью для каждого из обследуемых является одной из центральных проблем диагностики ПЭС.
Объективность суждения о ПЭС человека в большей степени зависит от используемой стратегии принятия решения по регистрируемым биометрическим параметрам. По своей сути решаемые алгоритмами задачи аналогичны задачам распознавания образов. В этой связи, результаты работы, проводимой в данном направлении, могут иметь практическую значимость не только для биометрии, но и для других областей (радиолокация, радионавигация, обработка информации и др.).
Важно отметить, что система контроля состояния ПЭС может быть использована в учебном процессе, спортивных мероприятиях, для профессионального отбора и многих других отраслях. Изложенное свидетельствует о высокой актуальности темы настоящей работы и востребованности ее результатов.
На основании сказанного определим цель диссертационной работы: разработка и исследование диагностической системы, позволяющей осуществлять непрерывный контроль ПЭС человека в реальном масштабе времени, без отрыва от выполняемой задачи.
Для достижения цели на основании аналитического обзора, выполненного в главе 1, были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать и исследовать новую методику диагностики ПЭС человека, основанную на регистрации надтеплового излучения биологического объекта (НИБ) водным датчиком. Исследовать природу НИБ.
2. Разработать и исследовать датчик канала НИБ.
3. Разработать основные принципы построения и схемное решение многомодальной диагностической системы, использующей методики диагностики состояния обследуемого посредством анализа параметров кожно-гальванической реакции (КГР), тремора и НИБ.
4. Разработать математическую модель и программное обеспечение для обработки первичных сигналов и формирования системы параметров, характеризующих ПЭС.
5. Разработать стратегию принятия решения о факте изменения состояния обследуемого по результатам диагностики.
6. Исследовать способность системы определять изменение функционального состояния.
По результатам выполнения работы были сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:
1. Биометрическая система контроля ПЭС оператора в реальном масштабе времени, без отрыва-от деятельности с использованием-методик регистрации НИБ посредством водных датчиков, кожно-гальванической реакции (КГР) и физиологического тремора.
2. Аномальное изменение проводимости дистиллированной воды, заключающееся в существенно более сильном ее увеличении при нагреве биологическим объектом по сравнению с использованием нагревателя не биологической природы.
3. Зависимость изменения электропроводности воды от ПЭС человека.
4. Использование водноэлектрического датчика, как первичного преобразователя биометрической информации.
5. Последовательное применение методов групповой обработки данных, а именно факторного, кластерного и дискриминантного анализов, для исследования регистрируемых биометрических показателей позволяет вынести достоверное решение о факте изменения ПЭС человека. Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
• Разработанная биометрическая система не имеет аналогов и позволяет осуществлять объективную диагностику ПЭС человека в реальном масштабе времени, без отрыва от его деятельности. Система может быть использована для исследования психологических особенностей личности.
• Впервые исследован эффект аномального изменения проводимости дистиллированной воды при ее нагреве биологическим объектом. Изучена феноменология эффекта. Установлена связь между дополнительным приростом электропроводности воды и ПЭС человека. Определены параметры, характеризующие интенсивность воздействия.
• Водноэлектрический датчик применен для первичного преобразования биометрической информации. Разработана модель физических процессов, протекающих в датчике. Осуществлен расчет параметров двойных электродных слоев для случая слабого раствора электролита и электродов из инертных металлов.
• Разработана и исследована новая методика диагностики ПЭС человека на основе регистрации НИБ водноэлектрическим датчиком.
• Сформирована и успешно использована система параметров, характеризующих НИБ, КГР и тремор, достоверно описывающая ПЭС человека.
• Разработана стратегия принятия решения о факте изменения функционального состояния обследуемого по составленной системе параметров, на основе адаптированных алгоритмов групповой обработки данных.
Достоверность полученных результатов обеспечивается строгостью и адекватностью используемых математических моделей, корректностью используемых упрощений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, соответствием результатов расчета эксперименту, применением стандартной поверенной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью современных, апробированных методов с использованием ЭВМ и воспроизводимостью результатов экспериментов.
Практическая значимость полученных результатов:
• Новая методика диагностики ПЭС человека посредством НИБ может
применяться в любой биометрической системе. Методика обладает рядом важных особенностей: неинвазивность, результаты анализа объективны и достоверны, время измерительного сеанса составляет менее 1 -й минуты.
• Разработанная диагностическая система может быть использована в любой сфере деятельности человека для непрерывного контроля его ГТЭС (управление транспортных средств, операторская деятельность, военная сфера и т.д.) после проведения соответствующей опытно-конструкторской работы.
• Рассчитаны и измерены параметры приэлектродных слоев для случая слабого электролита (дистиллированная вода) и инертных электродов.
• Разработана стратегия принятия решения о факте изменения ПЭС обследуемого по отработанной системе биометрических параметров (большинство параметров уникальны).
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре теоретической радиотехники Московского авиационного института (государственного технического университета) в 2005-2007гг. Часть диссертационной работы была выполнена в соответствии с проектом, поддержанным РФФИ, «Исследование воздействия сверхнизкочастотных магнитных полей на биообъекты и водосодержащие среды» (2005-2007гг), грант № 05-05-65165-а. Разработанная система применялась при организации учебного процесса в МАИ, ВВИА им. Н.Е. Жуковского, а также для обследования пациентов ГВКГ им. Н.Н. Бурденко. Имеются акты о внедрении результатов диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и 6-й приложений. Общий объем диссертации составляет 200 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 22 таблицы и 94 формулы, имеющих номера. Список литературы содержит 86 наименований и изложен на 6-й страницах.
