Кинетографический подход к оценке функционального состояния человека

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуревич К.М. Профессиональная пригодность и основные свойства нервной системы. - М., 1970. - 204 с.

2. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: Исследование, проектирование, испытания / А.Н.Адаменко, А.Т.Ашеров, И. Л.Бердников и др. - М.: Машиностроение, 1993. - 528 с.

3. Функциональное состояние человека и методы его исследования // Сб. науч. тр. РАН / Под ред. М.В. Фролова. - М.: Наука, 1992. - 123 с.

4. Айдаралиев А.А., Баевский Р.М., Берсенева А.П., Максимов А.Л. Комплексная оценка функциональных резервов организма. - Фрунзе: Илим, 1988. -197 с.

5. Ротов А.В., Медведев М.А., Пеккер Я.С., Берестнева О.Г. Адаптационные характеристики человека. - Томск: Издательство Том. ун-та, 1997. -137 с.

6. Берестнева О.Г., Пеккер Я.С., Ротов А.В. Оценка функционального состояния организма человека с применением интегральных критериев энтропийного типа// Сибирский психологический журнал. - 1996. - Вып.2. - С. 68-69.

Ротов А.В., Берестнева О.Г., Пеккер Я.С., Моделирование процессов адаптации организма вахтовых рабочих с учетом типа функциональной конституции // Механизмы адаптации организма: Матер. Всеросс. науч.-практ. конф. Томск, 1996. С. 105-107.

КИНЕТОГРАФИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА

В.И.Лукьянов, О.А.Максакова, Е. Л. Машеров

Институт нейрохирургии им. Н.Н.Бурденко РАМН Москва 4-я Тверская-Ямская, 16, тел.095 250 56 26, e-mail: omaksakova@nsi.ru

В сообщении обосновывается выбор кинетографических критериев функционального состояния человека. Инструментальной основой кинетографии является стабилография в положении сидя. Регистрируемый сигнал анализируется как интегральный выход сложной открытой биомеханической системы, реагирующей на многочисленные внешние и внутренние стимулы. Сопоставляются данные, полученные в группе условно здоровых испытуемых. Рассматривается индивидуальная вариабельность выбранных параметров - энергии и информации кинетографического сигнала - при ежедневном воспроизведении тестовых ситуаций. Анализ полученных данных показал чувствительность метода к изменениям психофизиологического состояния человека и индивидуальную устойчивость некоторых расчетных параметров кинетограммы. Метод применим для исследований в области операторской деятельности, нейрореабилитологии, психотерапии, психологии восприятия.

Группа условно здоровых испытуемых состояла из 32 человека (11 мужчин, 21 женщина). Средний возраст испытуемых 34 года.

Исследования проводились с помощью стабилографа (производство фирмы "РИТМ", г. Таганрог). Испытуемый сидел в произвольном положении на стабилографе, размещенном в специальном кресле. Свобода позы ограничивалась инструкцией «не скрещивать ноги». В рамках общего исследования последовательно проводились 30-60сек. записи перемещения общего центра давления испытуемого на стабилоплатформу (ОЦД) при различных тестовых ситуациях. В состоянии

«спокойного бодрствования» (инструкция - сидите спокойно с открытыми глазами) обычно проводилось до трех 30-сек регистраций.

Частота квантования сигнала составляла 50 Гц. Использовалась опция стабилосистемы «динамометрия - стабилография», позволяющая регистрировать три ортогональных координаты ОЦД. В исходных файлах данные центрировались и сглаживались фильтрами до частоты 25 Гц.

Полученные временные ряды не обладали свойствами стационарности и не соответствовали закону нормального распределения. В анализе подобных данных обычно используются первые и более высокого порядка разности. Из временных рядов, отражающих перемещение ОЦД в пространстве, были получены ряды, соответствующие скоростям и ускорениям, которые также сглаживались фильтрами до частоты 25 Гц.

Аксиоматически была предложена двумерная модель динамики ОЦД человека как открытой сложной системы. Измерениями в предлагаемой модели являются:

мера связи между движением в трех ортогональных плоскостях;

энергетическая стоимость изменений ОЦД.

Выбор параметра, соответствующего количественной мере связанности процессов, был непростым, что определялось не только инструментальными особенностями метода, но и принципиальной сложностью этой задачи для двух и более переменных. Широко применяемые оценки, такие, как корреляция и когерентность, достаточны лишь для гауссовских процессов, поскольку точное описание этих процессов ограничено моментами 2-го порядка. Использование подобных оценок неявно подразумевает линейность связи между переменными, что противоречит общим представлениям о сущности биологических процессов и приводит к формальным трудностям. Так, для гауссовских процессов бессмысленно рассматривать вопрос о форме сигналов, но прикладные медико-биологические исследования изобилуют указаниями на «правильную синусоидальную», «заостренную», «аркообразную» форму волн, несущими полезную информацию.

Переход к более сложной и теоретически оправданной модели, основанной на использовании моментов более высоких порядков (в спектральном анализе -переход к би-спектрам, три-спектрам и т. д.), приводит к резкому возрастанию количества рассчитываемых по выборке статистических показателей, что ограничивает возможности интерпретации. Так, если спектр, рассчитанный для полосы 0-100 Гц с разрешением около 0.4 Гц, состоит из 256 точек, то би-спектр включает 65536 точек, а три-спектр - более четырех миллионов. Немаловажным фактором является также низкая устойчивость таких оценок к ошибкам, выбросам и артефактам в исходных данных.

Другой недостаток корреляции и производных показателей, таких, как когерентность, проявляется при анализе связи трех и более переменных. Применение таких методов анализа, как множественная регрессия, частная корреляция и т.п., вводит дополнительные ограничения, поскольку требует определения «зависимости» переменных.

Нам представляется, что в качестве меры связи переменных теоретически оправданно и практически эффективно использовать взаимную информацию. Для одной случайной величины информация определяется, как

1(х)= - \р(х) О2р(х) йх

где p(x) есть плотность распределения случайной величины x. Двоичный логарифм выбран для совместимости со стандартами связи и вычислительной техники, так что результат измеряется в битах. Практическое применение этой формулы требует замены интегрирования на суммирование по конечному числу интервалов и плотности распределения на вероятность попадания в определенный

интервал. Эмпирически выбраны равномерно распределенные интервалы, числом, равным десяти.

Информация совместного распределения двух случайных величин выражается, как:

1(х1,х2) = - [р(х1,х2) 1о^2 Р(Х1,Х2) йХ] йХ2

Вычитая из суммы информации, содержащейся в распределении каждой из переменных, информацию, содержащуюся в их взаимном распределении, получим меру взаимной информации.

ЩХЬХ2) = 1

Это выражение легко обобщается на случай трех и более переменных.

Для трех ортогональных координат ОЦД информация рассчитывается, как 1(х,у,ъ)= - \р(х,у,г) ^р(х,у,ъ) йх йу йъ и, соответственно мерой связанности процессов является

Щх,у,ъ)= 1

Нетрудно заметить, что выражение симметрично по отношению к выбору порядка величин и не требует априорного указания порядка причинных связей.

Показатели рассчитывались для взаимной информации трех случайных величин, отражавших значения перемещений, скоростей и ускорений по трем координатам в пространстве. Число интервалов по каждой оси было выбрано равным 10. Временной сдвиг не вводился, рассматривались лишь значения, снимаемые синхронно.

Более очевидным является подход к оценке энергетики изменений ОЦД. Рассчитывался квадрат модуля вектора скорости в пространства:

V2 = ух 2+ уу 2 + у12

На рис. 1 приведен пример полученной функции.

30 сек

Для характеристики полученного ряда использовались среднее значение и дисперсия V2 за эпоху анализа. Энергетика изменения ОЦД оценивалась по среднеквадратичному значению за время наблюдения:

V = V

Исходя из большого разброса показателя ¥, при сопоставлении данных использовался натуральный логарифм этой величины.

Методический подход был назван кинетографией в связи с особенностями регистрации стабилографических кривых и способа анализа.

В сообщении приводится сравнительный анализ кинетографических показателей информации и энергетики в тестовых ситуациях «глаза открыты» и «глаза закрыты». Рассматриваются результаты, полученные у 8 испытуемых одного

возраста. Условия проведения эксперимента не изменялись.

Кроме того, анализируются результаты повторной регистрации ОЦД у двух испытуемых (не включенных в первую группу), проводившейся в течение пяти рабочих дней в одно и тоже время.

В группе однократных исследований результаты демонстрируют значительную вариабельность расчетных показателей, в особенности, "энергетических", что заставляет предположить наличие «слоистой» структуры группы.

Сопоставление наиболее устойчивых информационных показателей (скоростей и ускорений) и энергетики процесса в виде ln_¥ дает представление о функциональном состоянии человека на данном временном интервале. На рис.2 представлена скатерограмма значений ln_¥ и информации по ускорению.

Большая часть значений информации лежит в узком коридоре и не

4.0

3.5

3.0

2.5

С

.J 2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

-1 01 234567

Ln_psi

коррелирует с энергетикой. Процедура классификации испытуемых с помощью кластерного анализа и построение дендрограмм дали более глубокое представление о взаимных распределения этих показателей. Выявлено наличие, по крайней мере, двух характерных соотношений внутренней связи системы и ее энергетики, что указывает на необходимость дифференцированного подхода к оценке функционального состояния здорового человека.

Динамическое кинетографическое исследование тех же тестовых ситуаций, выполняемых двумя индивидами, близкими по антропометрическим данным, но весьма различающимися по психотипу, выявило следующие особенности.

Ситуации «глаза открыты» и «глаза закрыты» значимо различал информационный показатель перемещения (разница более 0.32 бита при уровне значимости 3%). Остальные информационные параметры, равно как энергетика в этих тестовых ситуациях не отличались

Однако межиндивидуальная разница оказалась статистически достоверной как для информационных, так и для энергетических параметров. Для определения индивидуальной значимости тестовых ситуаций вычислялись межтестовые разности всех расчетных параметров.

Согласно непараметрическому тесту Mann-Whitney достоверно (p<0.05) различались только значения энергетики (ln_¥).

На рис.3 представлена скатерограмма разностей информационного показателя по скорости и ln_¥ для межтестовых разностей показателей.

Scatteгplot

При повторном тестировании обнаруживается различие испытуемых. Для испытуемого Ь закрывание глаз всегда сопровождается снижением энергетики и увеличением информационного показателя. Характеристики остаются в одном квадранте. Для испытуемого М характерна большая неустойчивость: пребывание с закрытыми глазами сопровождается, как правило, увеличением энергетики и незначительным снижением информационного показателя.

Выводы.

1. Получены нормативные значения расчетных кинетографических параметров: скаляра ¥, характеризующего энергетику, и показателей информации, отражающих меру связанности сложной открытой системы, которую представляет сидящий человек

2. Наиболее устойчивой характеристикой внутренней связи кинетограммы у здоровых испытуемых является информационная мера скорости.

3. Положение на плоскости показателей 1п_¥ - информация по

скорости позволяет судить о функциональном состоянии индивида на момент

исследования. Состояние спокойного бодрствования не является однородным для нормы. Встречаются следующие варианты: низкая энергетика - высокая информации; высокая энергетика - низкая информация; низкая энергетика -низкая информация

4. В группе здоровых испытуемых спокойному бодрствованию с

открытыми и закрытыми глазами соответствует сложный и неоднозначный кинетографический паттерн. Снижение потока зрительной информации при

закрывании глаз может актуализировать другие виды внутренней стимуляции непроизвольных движений, формирующей разнообразие функциональных

состояний.