СПОСОБ ОЦЕНКИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА
METHOD OF ESTIMATING PERSON'S ACTIVITY AND FUNCTIONAL STATE

Изобретение позволяет разделять во времени и адекватно оценивать процессы регуляции деятельности, связанные с выполнением человеком определенных задач, и процессы регуляции функциональных состояний, связанные с влиянием внешних, в том числе экстремальных условий (стресс, усталость, эмоциональные реакции, физические усилия и т.д.).
Известен способ оценки деятельности и функциональных состояний человека посредством измерения временных интервалов между саккадическими движениями глаз (межсаккадических интервалов - МСИ) и фазовых реакций кожно-гальванического рефлекса (КГР), являющихся индикаторами процессов психической регуляции разных уровней (см. публикацию WO 2006/106408 от 12.10.2006). Известный способ основан на общности механизмов психической регуляции деятельности и функциональных состояний человека, которая выражается в единых временных масштабах протекания процессов регуляции на разных уровнях и позволяет сопоставлять психофизиологические параметры, используемые для оценки деятельности и функциональных состояний, соответственно. Способ включает первоначальную регистрацию движений глаз с помощью электроокулограммы (ЭОГ), измерение МСИ и их сравнение с пятью диапазонами (таксонами) МСИ, которые характеризуют временные масштабы процессов регуляции деятельности различного содержания и сложности на разных уровнях (от организации перцептивной и сенсомоторной активности, осознания ситуации и принятия решений до формирования новых профессиональных норм и принципиально нового знания). Дополнительно способ включает оценку функциональных состояний посредством измерения длительности реакций активации (РА) КГР (быстрых снижений сопротивления кожи, связанных с регуляцией функциональных состояний) и их сравнения с упомянутыми пятью диапазонами (таксонами) МСИ. В последующем производят сопоставление МСИ движений глаз и РА КГР, по результатам которого разделяют во времени процессы регуляции деятельности, связанные с выполнением человеком определенных задач, и регуляции функциональных состояний, связанные с влиянием внешних, в том числе экстремальных условий (стресс, усталость, эмоциональные реакции, физические усилия и т.д.). Деятельность человека оценивают автоматически посредством вычисления количественных критериев сложности и трудоемкости деятельности по данным МСИ, таксоны которых не совпадают с таксонами РА КГР. Функциональные состояния оценивают также автоматически посредством вычисления количественных критериев сложности и трудоемкости регуляции функциональных состояний по данным МСИ, таксоны которых совпадают с таксонами РА КГР.
Задача предлагаемого способа - дальнейшее повышение полноты и точности выделения процессов регуляции деятельности и функциональных состояний. При этом технический результат, который может быть получен при его реализации, заключается в повышении надежности и безопасности управления человеком техническими средствами (объектами), посредством возможности оценки степени профессиональной подготовленности на тренажерах и в реальных условиях, оценки сложности выполняемых человеком задач, оценки влияния внешних экстремальных условий на деятельность и функциональные состояния человека; оценки удобства интерфейсов систем управления и компьютерных программ и т.д.
Для достижения поставленного результата предлагается известный способ оценки деятельности и функциональных состояний человека, включающий регистрацию движений глаз, измерение межсаккадических интервалов (МСИ) и их сравнение с таксонами МСИ, заданными из условия характеристик временных масштабов процессов регуляции деятельности различного содержания и сложности на разных уровнях, а также регистрацию и измерение длительности реакций активации кожно-гальванического рефлекса (РА КГР) и их сравнение с упомянутыми таксонами МСИ, дополнить определением специфических Р-Р интервалов электрокардиограммы (СПИ ЭКГ) и их сравнением с упомянутыми таксонами МСИ, где в качестве специфических Р-Р интервалов выбирать интервалы, длительность каждого из которых меньше длительности предыдущего такого же интервала более чем на определенную относительную величину, при этом деятельность оценивается по данным МСИ, величины таксонов которых более величин таксонов РА КГР и СПИ ЭКГ, соответственно, а функциональные состояния по данным МСИ, величины таксонов которых совпадают с величинами таксонов РА КГР и СПИ ЭКГ, соответственно.
Возможность достижения поставленного результата обусловлена следующим. Длительность МСИ движений глаз являются универсальным индикатором, отражающим процессы регуляции как деятельности, так и функциональных состояний. В то же время разделить эти процессы в реальных условиях при воздействии как факторов профессиональных задач, так и факторов, обусловливающих изменение функциональных состояний, одним методом таксономии МСИ невозможно. Поэтому в качестве дополнительных методов для осуществления такого разделения в заявленном решении и использованы методы таксономии МСИ длительностей реакций активации КГР и специфических Р-Р интервалов ЭКГ. Однако в связи с тем, что указанные параметры связаны только с регуляцией функциональных состояний, их следует считать частными индикаторами циклов регуляции.
Процедуру комплексного анализа осуществляют на основе сопоставления МСИ движений глаз, реакций активации КГР и специфических Р-Р интервалов ЭКГ и их таксонов. Вследствие общности механизмов психической регуляции деятельности и функциональных состояний человека, которая выражается в единых временных масштабах протекания процессов регуляции на разных уровнях, таксоны всех указанных параметров совпадают между собой.
В рамках цикла регуляции функциональных состояний разные его индикаторы (длительности МСИ, реакций активации КГР и специфических Р-Р интервалов ЭКГ) отражают одни и те же процессы, следовательно, они должны быть синхронизированы между собой, а в связи с тем, что МСИ является универсальным индикатором процессов регуляции, а РА КГР и специфические Р-Р интервалы ЭКГ - частными, последние параметры обязательно должны быть внутри соответствующего МСИ.
Нарушение синхронизации разных индикаторов регуляции может происходить в двух случаях:
РА КГР и специфические Р-Р интервалы ЭКГ отражают не процессы регуляции функциональных состояний, а автономные процессы гомеостаза соответствующих физиологических систем;
зарегистрированы артефактные саккады, РА КГР или фазы ЭКГ.
В связи с тем, что МСИ следуют непрерывно, а РА КГР и специфические Р-Р интервалы ЭКГ возникают время от времени, процессы регуляции деятельности чередуются с процессами регуляции функциональных состояний. Разделение этих процессов происходит по следующей логике. Ведущий уровень в цикле регуляции функциональных состояний (который отражают как общий, так и частный индикаторы) оценивают по величинам таксонов и МСИ, и РА КГР, и специфических Р-Р интервалов ЭКГ.
Если величина таксона МСИ совпадает либо с величиной таксона РА КГР, либо с величиной таксона специфического Р-Р интервала ЭКГ, то текущий цикл относится к регуляции функциональных состояний. Если же таксой МСИ больше таксона РА КГР или таксона специфического Р-Р интервала ЭКГ, то этот цикл относится к регуляции деятельности. В данном случае РА КГР или специфический Р-Р интервал ЭКГ будут характеризовать нижележащие уровни регуляции функциональных состояний по отношению к ведущему уровню регуляции деятельности.
При регистрации в течение одного МСИ нескольких РА КГР или специфических Р-Р интервалов ЭКГ для сравнения с таксоном МСИ определяется таксой РА КГР или специфического Р-Р интервала ЭКГ наибольшей длительности.
В предпочтительном варианте реализации заявленного способа движения глаз регистрируются стандартным методом ЭОГ. Электроокулограмма (ЭОГ) измеряется усилителем электрического тока от 4-х электродов, расположенных около глаз. Саккады представляют собой внезапные и быстрые движения глаз, продолжающиеся около 10-120 миллисекунд и перемещающиеся на угол от менее 1 до 40 градусов. Максимальная скорость для 10-ти градусной саккады может достигать 450 градусов в секунду; максимальная скорость для 20-ти градусной саккады может колебаться от 290 до 400 градусов в секунду.
Саккадические движения могут быть произвольными или непроизвольными. Эти скачки перемещают глаза человека между фиксациями или возвращают их к точке фиксации, если они дрейфуют от нее.
Для сенсорно-перцептивных процессов фиксации между двумя саккадами выделяют сравнительно короткий период времени относительной стабильности глаз, в течение которого рассматривается часть внешнего пространства в пределах фовеальной области зрения. В этом случае период фиксации обычно составляет от 300 до 600 миллисекунд. Небольшие корректирующие движения происходят в течение фиксации и эти движения формируются из небольших дрейфов с амплитудами менее 1 градуса, сопровождаемые микросаккадическими коррекциями. Моргания обычно длятся от 20 до 200 миллисекунд и не совпадают с саккадами.
Однако для более сложных процессов регуляции, когда человек представляет себе некоторый образ или логическую модель, принимает важное ответственное решение или обдумывает необычную идею, он может отстраниться от происходящей ситуации и погрузиться в свой внутренний мир. В этих случаях глаза могут медленно перемещаться по некоторой извилистой траектории; при этом наблюдается подавление саккад, а интервалы между саккадами (МСИ) могут быть очень длинными до 30 секунд и даже более.
Существует экспериментальное доказательство, что длительность МСИ увеличивается в соответствии со сложностью процессов регуляции разных уровней и изменяется от 0.03 до 30 секунд и более. Выделяют пять уровней регуляции, для каждого из которых длительность МСИ изменяется в некотором диапазоне или таксоне, который соответствует сложности процессов регуляции, определяемой по специфике их психологического содержания и качества. Этот диапазон МСИ одинаков для всех людей вследствие того, что уровни регуляции отражают общие закономерности мыслительной деятельности. Более того, диапазоны изменения МСИ увеличиваются с возрастанием уровней регуляции (от непосредственного взаимодействия до опосредованной координации, программно-целевой организации, личностно-нормативных изменений и мировоззренческих коррекций) в соответствии с увеличением сложности их психологического содержания. Суммарный диапазон таксонов для всех (пяти) уровней регуляции (от 0.03 до 30 секунд и более) образует единую шкалу сложности психических процессов, а границы отдельных диапазонов этой шкалы представляют собой универсальные константы для каждого уровня регуляции и представлены в следующей таблице.
№
Уровень регуляции
Таксоны МСИ (секунды)
мин. граница
макс. граница
1
Непосредственного взаимодействия
0.03
1.0
2
Опосредованной координации
0.9
2.0
3
Программно-целевой организации
1.9
5.0
4
Личностно-нормативных изменений
4.6
11.5
5
Мировоззренческих коррекций
10.7
более 30
В качестве параметра КГР используется величина сопротивление кожи, которое также измеряют усилителем электрического тока с помощью 2-х электродов, располагаемых на пальцах руки человека, между которыми пропускается слабый электрический ток. Считается, что его изменение связано с потовыделением. Величина кожного сопротивления может меняться в широких пределах от 10 кОм до 2 мОм в зависимости от функционального состояния и места расположения датчиков на теле человека.
В сигнале КГР различают реакцию активации и реакцию релаксации. Известно, что регуляция функционального состояния происходит при активации человека, когда под воздействием усиления импульсации в нервных окончаний в верхних слоях кожи наблюдается усиление интенсивности потовыделений в потовых протоках. Это приводит к быстрому снижению величины электрического сопротивления кожи, которое представляет собой импульс длительностью несколько секунд и называется реакцией активации КГР - РА КГР.
При отсутствии регуляции наблюдается реакция релаксации, которая отражается в медленном увеличении электрического сопротивления кожи и может длиться до нескольких десятков секунд.
В связи с тем, что регуляция может происходить на каждом из пяти упомянутых уровней, реакция активации будет отражать активацию психофизиологических, эмоциональных и ментальных (мыслительных) процессов на каждом из этих уровней. Так, на первом уровне непосредственного взаимодействия РА КГР будут связаны с возникновением внутренних физиологических ощущений, обеспечением физических усилий, точности и скорости движений; на втором уровне - опосредованной координации - они будут отражать изменение активности поведения и эмоционального состояния, преодоление усталости и физического дискомфорта, стресса; на третьем уровне - программно-целевой организации - эти реакции будут связаны с активацией ментальных процессов для понимания самочувствия, изменения эмоционального состояния и настроения, формирования целей и программ восстановления или поддержания работоспособности, настроения, самочувствия; на четвертом уровне - личностно-нормативных изменений - РА КГР будут отражать ментальные процессы для формирования и изменения норм восстановления или поддержания работоспособности, настроения, самочувствия; на пятом уровне - мировоззренческих коррекций - данные реакции будут связаны с наиболее сложными ментальными процессами для изменения и трансформации системы знаний и убеждений о резервах, ресурсах человека, о возможностях восстановления или поддержания работоспособности, настроения, самочувствия.
Вычислительная процедура по полученным данным отделяет быстрые реакции активации от медленных реакций релаксации. Начало РА КГР определяют по снижению величины электрокожного сопротивления, а конец - по его увеличению (при этом значимым считается изменение сопротивления более чем на 1% от текущего его значения). В случае если РА КГР обнаружена, то программа определяет моменты ее начала и окончания и сохраняет эти величины в памяти компьютера и рассчитывает длительность РА КГР. Затем эта длительность сравнивается с границами таксонов МСИ, что позволяет определить величину таксона РА КГР.
Электрокардиограмма основана на регистрации характеристик электрического поля сердца и их изменений в процессе сердечных сокращений. При этом измеряется электрическое напряжение (т.е. разность потенциалов) между парами фиксированных точек на поверхности тела человека, которое имеет порядок нескольких милливольт.
ЭКГ представляет собой последовательность сердечных циклов, каждый из которых состоит из пяти фаз (Р, Q, R, S, Т), и отражает основные функции сердечной деятельности: автоматизм, возбуждение и восстановление. В связи с тем, что наибольшую амплитуду имеет зубец R, интервал R-R обычно используется в качестве параметра оценки длительности сердечного цикла, а его обратная величина определяет частоту сердечных сокращений.
Известно, что сердечная деятельность регулируется симпатической и парасимпатической нервными системами. Симпатическая нервная система, обеспечивающая мобилизацию имеющихся у организма ресурсов, стимулирует работу сердца, в частности активируется при стрессовых реакциях. Парасимпатическая нервная система, ответственная за поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаза), уменьшает частоту и силу сердечных сокращений, в частности, при нормализации условий деятельности.
Таким образом, сердечную деятельность можно представить состоящей из процессов обеспечения и восстановления гомеостаза парасимпатической системой, поддерживающей определенную ритмику сердца, и процессов активации (стимуляции, возбуждения) за счет регуляции со стороны симпатической системы, существенно изменяющей сердечную ритмику в сторону учащения. Изменение сердечной ритмики может происходить в течение одного или нескольких сердечных циклов. Тогда в качестве индикатора цикла регуляции функциональных состояний следует рассматривать длительность того сердечного цикла, в ходе которого и происходит значительное учащение сердечной ритмики.
В связи с тем, что сердечный цикл начинается с возбуждения предсердий, которому соответствует фаза Р, для поставленной цели нельзя использовать широко распространенный показатель «R-R интервал», т.к. он фактически захватывает фазы 2-х циклов - текущего (фазы R, S, Т) и последующего (фазы Р, Q), что не позволяет сравнивать их длительности между собой. Следовательно, индикатором цикла регуляции должна быть длительность Р-Р интервала, которая меньше длительности предыдущего такого же интервала более чем на определенную относительную величину. Указанная величина определяется эмпирически на основе статистического анализа длительностей Р-Р интервалов, позволяющая разграничить незначительно отличающиеся интервалы, соответствующие работе парасимпатической системой и поддерживающей заданную ритмику сердца, от существенно отличающихся интервалов при воздействии симпатической системы и существенном учащении сердечной ритмики. Для ясности подчеркнем, что процессы регуляции функциональных состояний будут отражать не все непрерывно следующие Р-Р интервалы, а только некоторые из них - специфические, попадающие под приведенное выше определение -СПИ ЭКГ.
Временные масштабы протекания процессов регуляции функциональных состояний на разных уровнях будут отражать таксоны длительностей СПИ ЭКГ. При этом вследствие общности механизмов психической регуляции деятельности и функциональных состояний временные масштабы их протекания на разных уровнях и для разных психофизиологических методов должны быть одинаковыми. Следовательно, параметры таксонов длительностей СПИ ЭКГ, как и параметры таксонов длительностей реакций активации КГР, должны совпадать с параметрами таксонов МСИ. При этом величина таксона выделенного Р-Р интервала будет определять уровень регуляции функционального состояния.
В связи с тем, что ЧСС обычно находится в диапазоне 50-150 уд./мин, т.е. длительность сердечных циклов меняется примерно от 0.4 до 1.2 секунд, можно полагать, что регуляция функциональных состояний по ЭКГ в основном должна происходить на первом и втором уровнях регуляции - непосредственного взаимодействия и опосредованной координации.
Определение СПИ ЭКГ прежде всего связано с выделением фазы Р сердечного цикла, форма которой существенно зависит от места крепления (отведения) электродов ЭКГ. В предпочтительном варианте реализации заявленного способа для регистрации ЭКГ электроды (по одному) лучше всего крепить на внутренней стороне предплечий рук вблизи локтевых суставов (аналог первого стандартного отведения). В этом случае, как показали эксперименты, фаза Р имеет форму острого пика, скорость нарастания и убывания которого является наивысшей по отношению к остальным фазам сердечного цикла. Тогда соответствующая вычислительная процедура заключается в выделении наиболее скоростной фазы сигнала ЭКГ путем сравнения приращения его величины в цикле измерения с некоторым эмпирическим пороговым значением, зависящим от индивидуальных особенностей человека. При превышении указанного порога программа фиксирует время начала фазы Р и сохраняет его в памяти компьютера. Затем вычисляется длительность текущего Р-Р интервала как разность между временами начала текущей и предыдущей фаз Р. Далее происходит сравнение текущего и предыдущего Р-Р интервалов. Если длительность текущего Р-Р интервала меньше длительности предыдущего более чем на определенную относительную величину, то текущий Р-Р интервал считается специфическим, т.е. СПИ ЭКГ. После этого длительность СПИ ЭКГ сравнивается с границами таксонов МСИ, что позволяет определить величину таксона текущего СПИ ЭКГ.
Таким образом, комплексный, совместный анализ таксонов МСИ, РА КГР и специфических Р-Р интервалы ЭКГ позволит преодолеть ограничения метода таксономии МСИ движений глаз и разделить процессы регуляции, относящиеся к деятельности и к функциональным состояниям.
Ниже представлен пример расчета для обоснованности назначения заявленного способа при оценке деятельности и функциональных состояний.
Введем следующие условные обозначения: Tc - длительность интервалов МСИ в секундах; Тк - длительность РА КГР в секундах; Тэ - длительность Р-Р интервалов ЭКГ в секундах; Тах(Тс) - номер таксона МСИ; Тах(Тк) - номер таксона РА КГР; Тах(Тэ) - номер таксона СПИ ЭКГ.
Рассмотрим следующие три типичных случая осуществления деятельности человеком.
1. Простая деятельность в нормальных, комфортных условиях. Указанную деятельность можно характеризовать как несвязанную с особыми трудностями, отсутствием заметных эмоциональных реакций и существенных усилий.
Как показали проведенные нами многолетние эксперименты, в такой деятельности обычно возникают короткие МСИ величиной Тс=0.1-1.5 секунды, которые относятся к 1-му и 2-му таксонам (см. таблицу в тексте заявки). РА КГР здесь возникают достаточно редко, имеют небольшую амплитуду величиной 5-20 кОм и длительностью Тк=0.2-1.0 секунда, которая относится к тем же таксонам.
Анализ литературных данных (см., например, Кулаичев А.И. Компьютерная электрофизиология в клинической и исследовательской практике. - М.: Информатика и компьютеры, 1999) показал, у здорового человека в обычных условиях наблюдается нормальная синусовая аритмия, пульс характеризуется величиной 60-80 уд/мин, т.е. Тэ=0.7-1.0 секунда. Следовательно, вариативность Тэ относительно среднего значения 0.85 секунды составит примерно 0.15 секунды или 18%. На основании этих данных можно полагать, что пороговое значение для выделения специфических Р-Р интервалов ЭКГ для предварительных расчетов можно выбрать 20%. Ее более точное значение может быть определено в процессе дальнейших экспериментальных исследований и не является принципиальным.
Учащение сердечной ритмики в рассматриваемом случае происходит за несколько (4-7) циклов, после чего наступает ее урежение, занимающее 1-3 цикла. При этом существенное урежение Р-Р интервалов ЭКГ более порогового значения, т.е. собственно специфические интервалы составят 1-2 цикла суммарной длительностью примерно 0.6-1.2 секунды. Тем самым и они относятся к 1-му и 2-му таксонам.
Следовательно, в рассматриваемом случае может наблюдаться совпадение номеров таксонов МСИ, КГР и ЭКГ, т.е. Тах(Тс)=Тах(Тк)=Тах(Тэ) и равен 1 или 2. Тогда регуляция деятельности и функциональных состояний будет осуществляться на двух нижних уровнях.
2. Деятельность в случае возникновении некоторого существенного события, приводящего к возникновению ситуативных затруднений, определенных усилий или эмоциональных реакций. После возникновения такого события обычно возникают 1-2 МСИ, длительностью 2-5 секунд, относящиеся к 3-му таксону.
Возникающие эмоции или физические усилия могут сопровождаться как короткими (как в первом случае), так и одной или несколькими РА КГР с амплитудой 20-100 кОм и длительностью Тк=1-3 секунды. Тем самым РА КГР могут относиться как к 1-2-му, так и к 3-му таксону.
Учащение сердечной ритмики в рассматриваемом случае будет более существенное, чем в первом случае. Например, при кратковременном повышении пульса до 80-100 уд./мин, специфические интервалы Р-Р интервалы ЭКГ будут иметь величину Тэ=0.6-0.75 секунды в серии из 3-5 циклов. Их суммарная длительность может составить примерно 1.8-3.8 секунд и они будут относиться ко 2-му или 3-му таксонам.
Следовательно, в рассматриваемом случае может наблюдаться как совпадение величин таксонов МСИ, КГР и ЭКГ, так и их несовпадение. В случае их совпадения регуляция деятельности и функциональных состояний будет осуществляться на 2-м или 3-м уровнях, т.е. Тах(Тс)=Тах(Тк)=Тах(Тэ) и равен 2 или 3.
В случае же несовпадения ведущий уровень регуляции деятельности будет определяться номером таксона МСИ, равный 3. При этом таксоны РА КГР и СПИ ЭКГ от 1-го до 3-х будут определять нижележащие уровни регуляции функциональных состояний по отношению к ведущему уровню регуляции деятельности, т.е. Тах(Тс)>Тах(Тк) и Тах(Тс)>Тах(Тэ). Например, при Тах(Тс)=3, Тах(Тк)=2, Тах(Тэ)=1 ведущим уровнем регуляции деятельности будет 3-й уровень, а регуляция функциональных состояний будет осуществляться на 2-м и 1-м уровнях,
3. Деятельность в случае возникновении серьезного, необычного, чрезвычайного события, приводящего к возникновению долгосрочных затруднений, определенных усилий или эмоциональных реакций.
В этом случае обычно возникают 1-2 МСИ длительностью 5-15 секунд (возможно и более), относящиеся к 4-му и 5-му таксонам. Если при этом возникают сильные эмоции, они могут сопровождаться значительными РА КГР с амплитудой 100-300 кОм и длительностью Тк=3-5 секунд, т.е. они могут относиться ко 2-му или 3-му таксону. Если сильные эмоции отсутствуют, то РА КГР будут включать и первый таксон.
Значительного учащения сердечной ритмики в рассматриваемом случае маловероятно, т.к. доминанта психических процессов приходится на ментальные, а не физические усилия. Поэтому специфические интервалы Р-Р интервалы ЭКГ останутся такими же, как во втором случае, т.е. они будут относиться ко 2-му или 3-му таксонам.
Следовательно, в рассматриваемом случае будет наблюдаться несовпадение величин таксонов МСИ, КГР и ЭКГ. Тогда ведущий уровень регуляции деятельности будет определяться номером таксона МСИ, равным 4 или 5, а таксоны РА КГР и СПИ ЭКГ от 2-х до 3-х будут определять нижележащие уровни регуляции функциональных состояний, т.е. Тах(Тс)>Тах(Тк) и Тах(Тс)>Тах(Тэ). Например, при Тах(Тс)=4, Тах(Тк)=3, Тах(Тэ)=2 ведущим уровнем регуляции деятельности будет 4-й уровень, а регуляция функциональных состояний будет осуществляться на 3-м и 2-м уровнях.
Представленные расчеты дают основания полагать, что использование предложенного способа, основанного на таксономии МСИ, КГР и ЭКГ, должно позволить разделять во времени и адекватно оценивать многоуровневые процессы регуляции деятельности и функциональных состояний человека.