Экспертная система врача для оценки психофизиологического состояния оператора

УДК 004.891.3

Е. В. Садыкова, М. В. Семеновская

Экспертная система врача для оценки психофизиологического состояния оператора

Ключевые слова: оценка психофизиологического состояния, экспертная система, гипноз, алкогольное опьянение, эмоциональный подъем, физическая усталость, умственная усталость, электрокардиография, пневмография, фотоплетизмография.

Keywords: evaluation of psychophysiological state, expert system, hypnosis, alcohol intoxication, emotional lift, physical fatigue, mental fatigue, electrocardiography, pneumography, photoplethysmography.

В работе представлены результаты исследования по распознаванию различных психофизиологических состояний человека на основе портативных беспроводных датчиков регистрации биологических сигналов и созданию экспертной системы принятия решений врача. Проведен анализ полученных данных, показавший статистически достоверные различия для моделируемых психофизиологических состояний человека.

Введение

Сегодня в развитых странах мира медицинская модель, предназначенная только для устранения заболевания и восстановления функционирования человеческого организма, постепенно заменяется моделью, ориентированной на психосоциальный подход. Подобная концепция требует не только восстановления биологической функции организма, но и нормализации его психологического и социального функционирования. [1]

Сегодня в России разработаны различные методики, позволяющие контролировать психофизиологическое состояние организма, в том числе узконаправленные методики для оценки состояния человека при определенной деятельности [2]. Согласно данным, приведенным в работах [3, 4], основная проблема большинства подобных исследований состоит в том, что они сфокусированы либо на оценке единичного физиологического показателя, измеряемого с помощью портативных приборов, либо на оценке психоэмоционального состояния, для исследования которого в большинстве случаев используются специальные тестовые опросы. Однако для получения полной и объективной характеристики состояния здоровья необходимо рассматривать все имеющиеся показатели в комплексе. Эту проблему помогут решить экспертные системы.

Таким образом, идея создания экспертной системы поддержки принятия решений врача по оценке функционального здоровья пациентов является перспективной и важной. Предполагается, что разрабатываемая система может быть использована как для индивидуального контроля, так и для исследования функциональных состояний операторов комплексной безопасности, операторов различных транспортных средств, военной техники и т. д. Результаты подобных работ необходимы для оперативного отбора и прогноза качества деятельности человека в системе управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести экспериментальные исследования по выявлению динамики изменения психофизиологического состояния человека;

• проанализировать полученные результаты в целях оценки их адекватности;

• На основании полученных данных спроектировать экспертную систему поддержки принятия решений врача по оценке функционального состояния оператора.

Материалы и методы

В качестве моделей выбраны следующие психофизиологические состояния, оказывающие наибольшее влияние на работу оператора: физическая и умственная усталость, эмоциональный подъем, алкогольное опьянение. Известно, что выше перечисленные состояния сопровождаются изменением аналитических и физиологических показателей испытуемого.

Согласно данным, приведенным в работе [3], под алкогольным опьянением понимают состояние, возникающее вслед за приемом алкоголя, которое сопровождается изменениями психической деятельности, вегетативно-сосудистых реакций, а также двигательными и нервно-мышечными нарушениями. Физическая усталость проявляется

снижением физической работоспособности и изменениями функционального состояния преимущественно сердечно-сосудистой, дыхательной и мышечной систем. В дополнение к физической усталости добавляется умственная усталость. Умственная усталость — это объективное состояние человека, характеризующееся сонливостью, понижением эмоционального тонуса, внимания, интереса к работе, изменениями функционального состояния вегетативной нервной системы.

Постановка эксперимента

Для проведения научных исследований по выявлению динамики изменения психофизиологического состояния человека на основе анализа физиологических показателей разработаны методика и алгоритмы обработки результатов.

Методика проведения экспериментальных исследований заключается в следующем.

1. К испытуемому подключают датчики, регистрирующие электрокардиограмму (ЭКГ), фотопле-тизмограмму (ФПГ) и пневмограмму (ПГ).

2. Каждый эксперимент начинают с фоновой записи активности испытуемого в нормальном состоянии в течение 5—10 мин.

3. Врач вводит испытуемого в состояние гипноза (3—10 мин).

4. У испытуемого поочередно моделируют четыре психофизиологических состояния: физическую усталость, умственную усталость, эмоциональный подъем и алкогольное опьянение.

5. В четырех выше перечисленных состояниях регистрируют показатели ЭКГ, ФПГ, ПГ.

В результате проведенной серии экспериментов были зарегистрированы физиологические показатели для четырех состояний у испытуемых.

Для обработки экспериментальных данных ЭКГ выбраны следующие параметры:

• ИК — частота сердечных сокращений;

• — стандартное отклонение К—К-ин-тервалов, мс;

• КМВББ — квадратный корень среднего значения квадратов разностей длительностей соседних К—К-интервалов, мс;

• NN50 — показатель соседних пар К—К-интер-валов, которые различаются более чем на 50 мс;

• СУ — коэффициент вариабельности сердечного ритма; нормированный показатель суммарного эффекта регуляции;

• Мо — мода распределения К—К-интервалов, с;

• АМо — амплитуда моды, процент числа К—К-интервалов, соответствующий максимуму гистограммы распределения по отношению к общему количеству К—К-интервалов;

• НЕ — мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности в процентах от суммарной мощности колебаний (дыхательные волны);

• ЪЕ — мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности в процентах от суммарной мощности колебаний;

• УЪЕ — мощность спектра сверхнизкочастотного компонента вариабельности в процентах от суммарной мощности колебаний.

Общепризнано, что анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) является интегральным методом оценки состояния механизмов регуляции физиологических функций в организме человека. Вегетативный гомеостаз выявляет адаптационные возможности и конституциональное своеобразие, характеризующие типологические особенности организма, и позволяет оценить резервные возможности человека [4].

В случае дыхательной активности для индикации состояний были выбраны такие параметры, как число циклов в минуту, глубина и длительность вдоха и выдоха.

В методе фотоплетизмографии рассчитаны интервал между анакротой и дикротой, амплитуда и время анакроты, коэффициент отражения, амплитуда и время дикроты.

Полученные в ходе экспериментов показатели ПГ, ФПГ, ЭКГ рассмотрены отдельно для каждого испытуемого, затем сгруппированы по четырем состояниям, в которые можно было ввести испытуемого с помощью гипноза, и в дальнейшем рассмотрены в сравнении с показателями в фоновой активности и между собой. Для анализа результатов использованы методы факторного анализа (рис. 1).

Алгоритм отбора наиболее информативных показателей позволяет сократить число переменных и определить взаимосвязи между показателями. Событие А характеризует текущее состояние пациента и представляет непосредственно набор факторов; Н1, ..., Нт — гипотезы возможных диагнозов. В результате вычислений, описанных в блоках алгоритма, происходит выбор диагноза, соответствующего максимальной вероятности Р(И1/Л).

На рис. 2 представлен аппаратно-программный комплекс регистрации и обработки результатов научных исследований, который содержит блок регистрации сигналов и экспертную систему, состоящую из блока отбора и обработки показателей и базы знаний.

На основании регрессионного и компонентного анализа созданы алгоритмы построенных моделей четырех психофизиологических состояний для занесения в базу знаний, позволяющие производить дифференцировку этих четырех состояний оператора.

Результаты исследования и их обсуждение

Несмотря на то что количественные значения параметров электрокардиограммы и ее отдельных элементов меняются от цикла к циклу и от па-

биотехносфера

| № 4(40)/2015

Рис. 1 \ Алгоритм обработки полученных данных

циента к пациенту, при анализе К—К-интервала моделируемых состояний выявлено, что для всех испытуемых средняя длительность кардиоинтер-валов максимально возрастает при непосредственном введении в состояние гипноза и максимально уменьшается при выходе из него.

Для наглядности представим данные оценки ВСР у второго испытуемого (рис. 3).

Как видно из анализа графиков, на гистограмме ассиметричная диаграмма наблюдается при состояниях опьянения, физической усталости и эмоционального подъема, что свидетельствует о переходных процессах в организме и нарушениях стационарного процесса. Многовершинная диаграмма, наиболее четко выраженная в случае физической усталости, свидетельствует о несинусовом ритме (экстрасистолии, мерцательной аритмии).

На скаттерограмме при нормальном состоянии организма эллипс вытянут вдоль биссектрисы, что и наблюдается при состояниях введения в гипноз и выхода из него, а также в случае умственной усталости. Последнее означает, что для данного испытуемого активность симпатической вегетативной нервной системы по отношению к сердцу находится

в умеренных пределах. Рост напряжения можно отследить по динамике разброса скаттерограммы, что наиболее ярко выражено в случае физической усталости. Подобные, но менее выраженные изменения выявлены и в случае алкогольного опьянения.

Для анализа ВСР также используются спектральные характеристики, которые позволяют

Рис. 2

Структура аппаратно-программного комплекса регистрации и обработки физиологических показателей операторов

Гистограмма

Скаттерограмма

Спектрограмма

- размах=0.153 с ритм= 107 удар

ЕГО тт= 0.5045 с РР тах=0.6575 с

- А М 0=43.662 М о=0.55 ИИ=259.4294

" В И Керд 0=13.0841 Б ОМЫ=0.030258

- мг\150=0единиц рГ^50=0 %

РР Средний=0.56116 с Овыб.РР(*1000)=0.91127 Ов./^ ср.(*1000)=1.6239 ЭТ Средний=0.039946 с Овыб.8Т(*1000)=0.22106 Овыб./8Тср/(*ЮОО)=5.5341

ТР=577 т2 УУГ=193 те2 1_Р=184 тэ2 НР=200 те2 % У1_Р=33 % % 1_Р=32 % % №=35%

(НР+1_Р)Л/1_Р=1.9896 еру 1_РЛ/1_Р=0.95337 единиц НР/1_Р=1.087 единиц

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5

размах=0.1535 с ритм=112удар

гпп=0.4865 с РР тах=0.64 с

АМо= 69.8198 М о=0.55 ИН=413.502 ВИ Керд0=16.9643 ЭОЖ=0.027357 ЫМ50=221единиц р NN50=100 %

РК Средни й=0.53711 с Овыб. РН(*1000)=0.74504 Ов./РУ? ср. (*1000)=1.3871 8ТСредний= 0.044243 с Овыб.8Т(*1000)=0.12989 Овыб./8Тср/(*1000)=2 9358

ТР=491 т2 V 1_Я= 167 гге2 1_Р=201 тэ2 НР=123 тэ2 % У1_Р=34 % % 1_Р=41 % % НР=25 %

(НР+1_Р)/\/15=1.9401 еду \Я\/1-Р-1.2036 единиц НР/ЬР=0.61194 единиц

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

размах=0.3835 с ритм=88 удар РР*гпп=0.532с РР тах=0.9155 с

А М 0=27.2727 М о=0.65 ИН= 54.7041 ВИ Керд 0=-5.6818 Э NN=0.071407 NN50=175eдиниц pNN50=100 %

ТР=3963 т2 V 1_Р=549 тэ2 1_Р=836 тэ2 НР=2578 тэ2 % У1_Р=14%

РР Средний=0.68002 с Овыб. РЯ(*1000)=5.07 0в./р«ср.(*1000)=7.4558 ЭТ Средний=-0.53757 с Овыб. 8Т{Ч000)=59214.4б: Овыб./8Тср/(*ЮОО)=-110152.4807% 15=21 % % №=65 %

(НР+ЬР)/Уиг=6.2186 еду 1*141?=1.5228 единиц НР/1_Р=3.0837 единиц

0.2 0.3 0.4 0.5

- dRR размах=0.525 с ритм=93 удар

РР п1п= 0.4005 с РР тах=0.9255 с

г А М 0=19.8925 М о=0.7 ИН=27.0646 ВИ Керд0=0 Э NN=0.11054

- NN50=185eдиниц pNN50=100 %

Средний= 0.64313 с Овыб. га*(*1000)=121527 Ов./^ ср.(*1000)=18.896 8ТСредний=-0.43942 с Овыб. ЭТП 000)=43456.6474 Овыб./БТср/Г1000)=-98895.0101

ТР=5399 т2 V 1_Р= 1664 тэ2 1_Р=881 гте2 НР=2854 тэ2 % У1_Р=31 % % 1_Р=16 % % НР=53%

(№45)^15=2.2446 еру и=1Ч1?=0.52945 единиц №/15=3.2395 единиц

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5

размах=0.3205с ритм=98 удар Р?Р*п1п=0.4615с РРтах=0.782с

АМо= 36.4103 М о=0.65 ИН=87.3881 В И Керд 0=5.102 Б 0^=0.060182 NN50=0eдиниц pNN50=0 %

Средний=0.61322 с Овыб. И^(*1000)=3.6033 Ов./^ ср.(*1000)=5.876 ЭТ Средний= 0.045567 с Овыб. 8Т(*1000)=0.10432 Овыб./8Тср/(*ЮОО)=22893

ТР=1505 т* V 15=513 тс2 1_Р=417 те2 НР=575 гте2 % У1_Р=34 % % 15=28 % % НР=38 %

(НР +1_Р)Л/ 1_Р=1.9337 еду 1_РЛ/1_Р=0.81287 единиц №№=-1.3789 единиц

1 0 0.2 0.4 0.6 0

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5

Рис. 3

Методы оценки ВСР у второго испытуемого: а — введение в гипноз; б — умственная усталость; в — алкогольное опьянение; г — физическая усталость; д — эмоциональный подъем

выявить нормальные и патологические процессы, обеспечиваемые морфофункциональной иерархией центральных и периферических структурных компонент нервной системы.

Компонента ИГ связана с дыхательными движениями и отражает влияние на работу сердца блуждающего нерва. В случае умственной усталости данная составляющая была неразличима с состоянием нормы и незначительно возрастала при эмоциональном подъеме и алкогольном опьянении.

Максимальное значение достигалось в случае физической усталости.

Подобные результаты получены и для компоненты ЬГ, характеризующей влияние на сердечный ритм как симпатического, так и парасимпатического отдела. Однако в данном параметре максимум наблюдался при состоянии введения и выхода из гипноза.

Наибольшие изменения в случае моделирования алкогольного опьянения и физической устало-

биотехносфера

I № 4(403/2015

Таблица Значения факторных нагрузок у параметров дыхания для второго испытуемого

Состояние 1-й фактор 2-й фактор

Вхождение в гипноз 2,026 -2,351

Умственная усталость -0,154 1,905

Эмоциональный подъем -1,166 1,059

Алкогольное опьянение -0,558 0,234

Физическая усталость 0,772 2,461

Гипноз -0,764 -6,593

Выход -0,156 0,285

сти происходили с компонентой УЪЕ, отражающей действие различных факторов, к которым относят сосудистый тонус, систему терморегуляции и др.

Для третьего испытуемого максимальные значения ИГ, ЪЕ и УЪЕ были характерны при состоянии радости, минимальные — при состоянии нормы. В остальных случаях происходили лишь незначительные изменения компонент, за исключением роста значения НЕ при выходе из гипноза. Для четвертого испытуемого при введении в состояние опьянения все показатели возрастали, а при физической усталости — уменьшались. Характерных различий при состояниях гипноза и выхода из него не выявлено.

Наряду с ЭКГ показательными для оценки функционального состояния являлись и параметры ПГ. Так, у всех испытуемых при моделировании того или иного состояния можно было отметить тенденцию к следующим изменениям параметров дыхания.

В случае моделирования состояний алкогольного опьянения и эмоционального подъема значения длительностей вдоха и выдоха, а также их отношение, влияющее на среднее давление в дыхательных путях в период дыхательного цикла, незначительно возрастали. Более существенное возрастание наблюдалось для значений глубины вдоха и выдоха. При моделировании физической и умственной усталости наблюдалось менее выраженное увеличение значений, однако по параметрам дыхания эти два состояния практически не различались.

На основе полученных с помощью факторного анализа оценки параметров дыхания можно сделать вывод, что наибольшее влияние при диффе-ренцировке состояний оказывали такие показатели, как длительность и глубина вдоха и выдоха (таблица).

При этом первый фактор, определенный как длительность вдоха и выдоха, важен при индикации состояний эмоционального подъема и вхожде-

ния в гипноз. Второй фактор, обозначенный как глубина вдоха и выдоха, имеет более выраженное влияние при дифференцировке умственной и физической усталости.

Как было сказано ранее, для двух других испытуемых оцениваемые состояния варьировались. Однако для третьего испытуемого при дифферен-цировке эмоционального подъема и состояния гипноза был также важен первый фактор.

Однако при исследовании алкогольного опьянения и физической усталости для четвертого испытуемого было отмечено, что в его случае параметры дыхания не играют существенно выраженной роли. Тем не менее увеличение значения глубины вдоха и выдоха наблюдалось при физической усталости.

Заключение

Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о возможности распознавания у оператора одного из четырех перечисленных выше состояний по его индивидуальным показателям ЭКГ, ФПГ, ПГ. Разрабатываемая экспертная система позволит повысить информированность врача при принятии решения о состоянии пациента и уменьшить количество ошибок оператора.

Исследование выполнено в рамках государственной работы «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок)» базовой части государственного задания Минобрнауки России, код проекта 2548.

Литература

1. Садыкова Н. А., Болсунов К. Н. Концептуальная модель процесса коррекции психофизиологического состояния спортсменов-парашютистов в предсоревновательный период // Биотехносфера. 2012. № 4. С. 98-101.

2. Пустозеров Е. А. Разработка метода обработки и анализа результатов эксперимента для выявления устойчивых признаков психофизиологического состояния оператора ПЭВМ по параметрам, характеризующим его работу с клавиатурой // Технологии товароведческой, таможенной и криминалистической экспертизы: сб. науч. тр. № 5 в 2 ч. СПб., 2014. С. 174-183.

3. Thayer J. F. Psychosomatics and psychopathology: looking up and down from the brain / J. F. Brosschot // Psychoneuroendocrinology. 2005. Vol. 30, N 10. P. 10501058.

4. Stemmler G. Methodological considerations in the psychophysiological study of emotion // Handbook of affective sciences. 2003. Vol 37. P. 225-255.

5. Садыкова Е. В. Управление процессом постановки диагноза при помощи системы поддержки принятия решений врачом-клиницистом // Биомедицинская радиоэлектроника. 2010. № 11. С. 16-20.