Методы получения и обработки физиологической информации

 

Рассмотренные физиологические показатели об­ладают различными электрическими характеристика­ми, и прежде всего шириной спектра сигналов и ам­плитудой. Примерные значения этих характеристик приведены на рис. 7.1 и в табл. 7.1. Из них видно, что наибольшие трудности в регистрации представляет ЭЭГ. Для ее регистрации требуется наличие экрани­рованного помещения, что существенно затрудняет применение этого метода в реальных условиях. Наименьшие трудности для регистрации вызывает РО, ЭМГ, КГР. Электрические сигналы этих показателей имеют сравнительно большую величину, поэтому съем сигналов и их усиление не представляют особых труд­ностей.

Некоторые сигналы (например, КГР, ЭОГ) медлен­но изменяются во времени и представляют собой ото­бражения напряжения постоянного тока. Поскольку не­посредственное усиление постоянного напряжения затруднительно, эти сигналы необходимо предвари­тельно преобразовать в высокочастотные и вести уси­ление на повышенной частоте, что с точки зрения тех­нической реализации является более простым делом. Принцип измерения одного физиологического показа­теля рассмотрим с помощью обобщенной схемы изоб­раженной на рис. 7.3. Рассмотрим кратко состав и назначение основных элементов этой схемы.

Датчики (электроды) служат для отведения потен­циалов с поверхности тела на человека. К конструк­ции и способу крепления датчиков предъявляются следующие требования: обеспечение надежного и постоянного контакта с кожей человека, отсутствие смещения при движениях испытуемого, возможность быстрой и легкой установки и съема электродов, ис­ключение беспокойства испытуемого или причине­ния ему боли. По способу крепления датчики могут быть накладывающимися (прижимными) или прик­леивающимися. Наиболее хорошо удовлетворяют предъявляемым требованиям накладываемые датчи­ки. Классификация наиболее часто используемых датчиков приведена в табл. 7.2. Более подробное опи­сание их дается в главе X.

Преобразователь служит для преобразования исход­ного сигнала к виду, с которым легко вести дальнейшее усиление сигнала. Основным видом преобразования является преобразование медленно меняющегося напряжения в высокочастотное. В этом случае преобразо­ватель представляет собой амплитудный или частотный модулятор.

 

Рис. 7.3. Структурная схема измерения физиологического показателя.

 

Усилитель биопотенциалов необходим для усиле­ния исходного сигнала до величины, которая может быть легко зафиксирована с помощью регистрирую­щих устройств. Усилители должны удовлетворять сле­дующим требованиям: обеспечить необходимый коэф­фициент усиления, обладать равномерной амплитудной характеристикой во всем диапазоне спектра сигналов, иметь малые нелинейные искажения.

Таблица 7.2

 

 

Физический принцип конструкции датчика	Форма энергии, являющейся носителем физиологической информации
механи­ческая	акусти­ческая	тепло­вая	электри­ческая	хими­ческая
Электрический	СФГ	—	—	ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, КГР	—
Изменение ем­кости конденсатора	АД, ВД, СФГ, ПГ, ФКГ	АД	—	—	—
Изменение ак­тивного сопротивления	АД, СФГ, БКГ, ДКГ	—	АД, ПГ, тм	—	—
Электромагнит­ная индукция	СФГ, ПГ, ДКГ, БКГ	ФКГ, АД	—	—	—
Пьезоэлектричес­кий эффект	АД, СФГ	ФКГ	—	—	—
Механическое перемещение	АД, ВД, АГ, СФГ, ФКГ	—	—	АГ	—
Термоэлектриче­ский эффект	—	тм	—	—	—
Биохимический и химико-электрический	—	—	—	—	Сса, рН

 

Примечание: АД — артериальное давление; ВД — венозное давление; СФГ — сфигмограмма; ПГ — пневмограмма; ФКГ — фонокардиограмма; БКГ — баллистограмма; ДКГ — динамо-кардиограмма; ТМ — термометрия; рН — концентрация водородных ионов; С_са, С_к — содержание соответственно катионов кальция и калия в жидкостях организма; АГ — актограмма.

 

Регистратор служит для визуальной регистрации (записи) исследуемого сигнала в течение необходимо­го времени. Регистрации может предшествовать пред­варительный автоматический анализ сигнала. В каче­стве анализаторов и регистраторов используются: одно- и многоканальные осциллографы, самописцы, печата­ющие устройства, спектроанализаторы и т. п. Во мно­гих случаях помимо регистрации и ручной расшифров­ки информации используют также ее автоматическую обработку, используя специализированные устройства или универсальные ЭВМ, работающие по определен­ной программе. Следует иметь в виду, что в общем случае физиологические процессы, происходящие в организме оператора в процессе его деятельности, опи­сываются в рамках теории случайных нестационарных процессов [96].

Исследование только одного физиологического показателя, как правило, не может дать однозначного ответа о состоянии оператора. Поэтому в практике инженерно-психологических исследований применя­ется обычно так называемый полиэффекторный метод исследования, заключающийся в одновременной запи­си и анализе целого комплекса показателей, называе­мого симптомокомплексом. По своему назначению полиэффекторный метод в какой-то степени аналоги­чен тестовой батарее в психологических исследовани­ях. Применение полиэффекторной методики позволя­ет значительно повысить надежность и достоверность диагностики состояний оператора при выполнении данной деятельности.

При выборе показателей, входящих в состав симп-томокомплекса, необходимо руководствоваться следу­ющими соображениями:

1. Показатель должен быть информативным, т. е. с его помощью должно быть обеспечено установление интересующего исследователя состояния оператора.

2. Регистрация показателя не должна влиять на ра­боту оператора, не должна мешать ему и стеснять его движений. Этому требованию наиболее полно удовлетворяют бесконтактные методы (например, РО), наименее полно — все контактные методы.

3.Регистрация показателя должна быть легко техни­чески реализуема, не должна требовать громоздкой и сложной аппаратуры, создания для операто­ра специальных условий, при которых возможна регистрация этого показателя. С этой точки зрения наименее удобным является применение ЭЭГ. 4. Должна быть обеспечена возможность непрерыв­ной регистрации показателя в течение всего вре­мени работы оператора.

Для практической реализации полиэффекторной методики создаются специальные системы съема и обработки электрофизиологической информации. Как отмечают Г.А. Сергеев, А.Ф. Романенко и В.Г. Евграфов [164], по принципу построения они делятся на два основных класса: непосредственные (иначе их еще называют контактными) и биорадиотелеметрические. В этих системах предполагается автоматизированный съем и регистрация электрофизиологических показа­телей с возможностью как первичного математическо­го анализа для экспресс-контроля (от англ. express — усиленный) с помощью АВМ, так и вторичного анализа для выявления тонкой статистической структуры ре­гистрируемой информации с помощью ЦВМ.

В зависимости от уровня требований, предъявля­емых к точности, адекватности и оперативности полу­чения информации о состоянии человека, следует дифференцированно подходить к выбору комплекса контролируемых показателей, по которым оценивает­ся состояние человека. Выбор же алгоритмов первич­ной статистической обработки электрофизиологичес­кой информации должен осуществляться с учетом характера нестационарности исследуемых реали­заций.

С учетом всего сказанного один из возможных вариантов структурной схемы многоканальной систе­мы съема и анализа физиологической информации приведен на рис. 7.4. Принцип работы каждого канала аналогичен тому, который показан на рис. 7.3. Для об­работки и анализа информации используются специ­альные регистрирующие устройства и преобразовате­ли, а также ЭВМ, с помощью которых осуществляется экспресс- и вторичный анализ этой информации. Не­достатками построения рассматриваемой системы являются следующие:

 

Рис. 7.4. Структурная схема многоканальной системы с непосредственным съемом информации.

 

■ возникновение большого числа разнообразных по приро­де помех (артефактов), которые в значительной степени затрудняют съем и регистрацию объективной физиологи­ческой информации, а зачастую делают их невозможны­ми, особенно при исследовании ЭЭГ;

■ проводники, связывающие датчики с усилителями и преобразователями, ограничивают движения испытуе­мого, что, естественно, сказывается на качестве его дея­тельности;

■ само наличие большого числа датчиков отрицательно ска­зывается на самочувствии оператора.

Примером практической реализации полиэффек-торной методики с непосредственным съемом инфор­мации является такое широко известное устройство как детектор лжи. Оно позволяет дать оценку эмоциональ­ным реакциям человека на основе анализа таких фи­зиологических характеристик как КГР, ЭОГ, частота пульса, плетизмограмма и др. Точность прогноза мо­жет доходить до 70% [148].

Биорадиотелеметрическая система (рис. 7.5) устра­няет второй из отмеченных выше недостатков и умень­шает первый. Успехи в области микроэлектроники позволяют создавать легкие малогабаритные переда­ющие устройства, позволяющие размещать их непос­редственно на операторе, вблизи датчиков и надежно экранировать. При этом почти полностью будет ликвидировано ограничение свободы действий и переме­щения оператора

 

Рис. 7.5. Структурная схема многоканальной биорадио-телеметрической системы.

 

в процессе его деятельности. Для передачи информации от оператора в устройство об­работки используется система многоканальной радио­связи, включающая в себя радиопередающее и радио­приемное устройства, а также устройства уплотнения и разделения каналов. Конкретная реализация радио­биотелеметрической системы, используемой для конт­роля состояния космонавтов на конкретном космичес­ком корабле «Восток—3», приведена на рис. 7.6 [173]. В этой системе, помимо рассмотренной ранее системы радиосвязи, для передачи физиологической информа­ции используется бортовой регистратор (БР) и систе­ма для оперативной передачи частоты пульса с помо­щью передатчика «Сигнал» (С).

Как уже отмечалось, при анализе полученной фи­зиологической информации предпочтение следует от­давать методам обработки, основанным на нестацио­нарной модели случайного процесса, так как такие процессы характеризуют «динамику» функционирования той или иной физиологической системы, в то вре­мя как стационарные случайные процессы характеризуют «статику», или установившееся состояние режи­ма функционирования системы.

В зависимости от вида выходной, получаемой в результате обработки, статистически контролируемой физиологической информации различают следующие методы математического анализа реализаций физио­логических процессов: корреляционный, спектральный, периодопараметрический, структурный, параметри­ческий и метод моментных корреляционных функций.

Рис. 7.6. Схема биотелеметрической системы корабля

«Восток-3»: ЭЭГ, ЭОГ — предусилители для регистрации

электроэнцефалограммы и электроокулограммы;

ЭКГ — усилители для записи электрокардиограммы;

У, У₂ — усилители ЭКГ, используемые для записи ЭЭГ и

ЭОГ; ПГ — усилитель для записи пневмограммы;

КГР — система для регистрации кожно-гальванических

реакций; ЭКФ — электрокардиофон, система для

оперативной передачи частоты пульса с помощью

передатчика «Сигнал» (С); АР — автономный регистратор

для записи частоты пульса и дыхания во время

приземления; БР — бортовой регистратор;

РТС — радиотелеметрическая система;

Р — регистрирующее устройство.

 

Остановимся кратко на двух последних методах, наи­более адекватно описывающих быстроменяющиеся физиологические процессы, в частности, ЭЭГ.

Параметрический анализ нестационарных случай­ных процессов позволяет вести обработку по одному из трех критериев: минимума ошибки смещения, ми­нимума средней квадратической ошибки, максимума вероятности невыхода ошибки за заданные пределы. Для каждого критерия определяется оптимальная ве­совая функция, называемая параметрической. С ее помощью находится центрированная составляющая реализации физиологического процесса, а затем тре­буемые статистические характеристики.

Метод моментных корреляционных функций дает возможность количественного контроля уровня неста­ционарности физиологического процесса. При анали­зе ЭЭГ он характеризует степень возбуждения мозга, вызванную выполнением оператором определенной задачи управления. С этой целью могут быть исполь­зованы три статистических критерия:

информационный

структурный

энергетический

где Х\, Х2, Тз, — корреляционные моменты 1-го, 2-го и 3-го порядка, с2, — дисперсия.

В стационарном случае (невозбужденный мозг, охваченный нейронными связями случайного характе­ра) S=2±∆, где ∆ < 1. Увеличение информационного параметра, как правило, наблюдается во время реше­ния оператором сложных логических задач при интен­сивном возбуждении доминантных очагов.

Радиус нестационарности р_н отражает существен­ные изменения нейронных образований мозга, связан­ных либо со стабилизацией нейронных связей, либо, напротив, с нарушением устойчивости регулятивных механизмов мозга при снижении его функционально­го состояния. Расчет р_н позволяет установить харак­тер межполушарной асимметрии, уровень которой воз­растает по мере увеличения напряжения, связанного с решением сложных задач.

Параметр Z может использоваться для изучения временных характеристик биопотенциалов, отражающих динамику чередования фаз возбуждения и тормо­жения нейронных ансамблей головного мозга опера­тора во время работы. Увеличение Z свидетельствует об изменении (локальной нестационарности) биопотен­циалов, вызванном структурной перестройкой нейрон­ных ансамблей [164].

Более подробно вопросы анализа случайных про­цессов рассмотрены в специальной литературе [50, 96, 177].