СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕГЕТАТИВНОГО ИНДЕКСА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR REAL-TIME DETERMINATION OF OPERATOR'S VEGETATION INDEX AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к области эргатических систем и может быть использовано для определения функционального состояния оператора человеко-машинных систем. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышение достоверности определения состояния оператора в режиме реального времени.
Определение вегетативного индекса (индекс Кердо) человека-оператора характеризует степень равновесия симпатического и парасимпатического тонуса вегетативной нервной системы и позволяет оценить процессы адаптации. Положительное значение вегетативного индекса свидетельствует о преобладании симпатического, а отрицательное - парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.
Вегетативный индекс ВИ можно определить по формуле:
<mrow><mi>В</mi><mi>и</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>Д</mi><mi>П</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Д - диастолическое давление, мм рт.ст., П - частота пульса, уд. в мин.
При равновесии симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы (здоровые, адаптированные к условиям среды люди) вегетативный индекс близок к единице, а величина диастолического давления близка к частоте сердечных сокращений.
Симпатический сдвиг сопровождается учащением пульса и понижением диастолического артериального давления; парасимпатический - замедлением пульса и повышением диастолического артериального давления. Преобладание тонуса парасимпатической нервной системы характерно для низкотревожных людей. У высокотревожных доминирует индекс симпатической нервной системы. Наиболее успешную адаптацию к стрессу обеспечивает преобладание симпатических влияний над парасимпатическими.
Получение значения этого показателя позволит сделать вывод о пригодности оператора, необходимости воздействия на оператора или его замене.
Известен способ определения вегетативного индекса по формуле (1), использующий определение частоты пульса по анализу сигнала пульсовой волны [1-2].
Недостатком такого способа является невысокая точность определения частоты пульса по анализу сигнала пульсовой волны вследствие гладкой формы такого сигнала.
Существуют способы определения вегетативного индекса, в которых для определения частоты пульса используется анализ электрокардиосигнала с определением длительностей RR-интервалов (по вершинам R-зубца) [например, 3]. Такие способы являются прототипом изобретения. В них вегетативный индекс рассчитывается по формуле:
cp
где RR - средняя длительность RR-интервалов, с.
Недостатком данного способа является то, что достоверность определения индекса снижается при формах QRS-комплекса, отличных от типовых (расщепленный, низкоамплитудный зубец R).
Предлагаемый способ определения вегетативного индекса человека-оператора в режиме реального времени позволяет устранить указанный недостаток прототипа.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем.
Определяют величину диастолического давления D, фильтруют и дискретизируют электрокардиосигнал. Задают значение n, соответствующее числу отсчетов участка электрокардиосигнала длительностью 0,4-0,5 с. Определяют математическое ожидание следующих друг за другом n отсчетов, дисперсию отсчетов относительно математического ожидания этих n отсчетов, дисперсию отсчетов относительно математических ожиданий совокупностей n отсчетов, предшествующих каждому отсчету. Далее на каждом шаге дискретизации по времени добавляют очередной сформированный отсчет и исключают первый из числа запомненных n отсчетов, вновь определяют математическое ожидание новой совокупности следующих друг за другом n отсчетов, дисперсию отсчетов относительно математического ожидания этих n отсчетов, дисперсию отсчетов относительно математических ожиданий совокупностей n отсчетов, предшествующих каждому отсчету. Определяют два значения коэффициента вариации и находят разность этих значений, полученное значение сравнивают с пороговым уровнем, равным 0,5-1, и считают число превышений порогового уровня n1, каждую единицу времени формируют тактовый импульс и подсчитывают число таких импульсов n2. Далее определяют отношение n1 к n2 и на полученное значение делят D, после чего полученную величину преобразуют в значение вегетативного индекса по формуле:
Частоту тактовых импульсов можно взять равной частоте дискретизации электрокардиосигнала. В частности, она может быть выбрана равной типовой для электрокардиосигнала частоте дискретизации 250 отсчетов в секунду. Данная частота может быть увеличена при повышении требований точности результата анализа.
k
2
Для пояснения предлагаемого способа рассмотрим n отсчетов u флуктуационного шума. Определим основные статистические характеристики такого сигнала: математическое ожидание М, дисперсию S и коэффициент вариации ν [4]:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
,
<mrow><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow>
,
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>S</mi><mi>M</mi></mfrac></mrow>
.
Значение коэффициента вариации для отсчетов шума приобретает достаточно большое значение.
k
2
Сместим на значение а рассматриваемые отсчеты шума u и определим характеристики M, S и ν полученного сигнала. Очевидно, что коэффициент вариации приобретает достаточно большое значение в случае отсутствия смещения сигнала. Чем больше величина смещения а, тем меньше значение ν.
Данный факт может быть положен в основу способа выделения TP-сегмента и, соответственно, подсчета числа кардиоциклов.
k
k
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mn>1</mn><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mn>2</mn><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Рассмотрим электрокардиосигнал u (фиг.1). Для удобства будем считать, что сигнал дискретный по времени. Сформируем окно анализа длительностью 0,4 с, которое перемещается по сигналу с шагом, равным интервалу дискретизации. На каждом шаге будем определять математическое ожидание M, дисперсию относительно математического ожидания в окне (т.е. на этом участке)
, дисперсию относительно математического ожидания каждого шага движения окна (т.е. на соседних участках)
:
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>−</mo><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mn>1</mn><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>−</mo><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>M</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mn>2</mn><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>−</mo><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>M</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В случае использования аналогового сигнала сумму в формулах (3)-(5) необходимо заменить на интегрирование.
Определим коэффициенты вариации при расчете дисперсий разными способами:
<mrow><mi>ν</mi><msub><mn>1</mn><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><msub><mn>1</mn><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>M</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и
<mrow><mi>ν</mi><msub><mn>2</mn><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><msub><mn>2</mn><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>M</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и найдем разность полученных значений:
<mrow><msub><mi>ν</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>ν</mi><msub><mn>1</mn><mi>k</mi></msub><mo>−</mo><mi>ν</mi><msub><mn>2</mn><mi>k</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
Полученный сигнал ν представляет собой нулевой уровень, относительно которого в области TP-сегмента образуются пики. Используя этот сигнал и соответствующий пороговый уровень Δ=0,5-1, можно определить факт появления TP-сегмента и осуществить счет таких сегментов, т.е. числа кардиоциклов.
Предложенный способ позволяет по сравнению с известным способом (прототипом) более достоверно определять значение вегетативного индекса при формах кардиокомплексов QRS, отличных от типовых (малая амплитуда, расщепленные).
Сущность изобретения и возможный вариант реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:
- фиг.1 - анализ электрокардиосигнала;
- фиг.2 - функциональная схема устройства.
Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности определения вегетативного индекса в режиме реального времени, в устройство определения вегетативного индекса человека-оператора в реальном времени, содержащее блок определения величины диастолического давления, вход которого является первым входом устройства, фильтр, вход которого является вторым входом устройства, дополнительно введены генератор тактовых импульсов, два счетчика, два блока определения дисперсий, блок определения математического ожидания, два блока определения коэффициентов вариаций, вычитатель, формирователь порогового уровня, компаратор, два делителя, формирователь значения вегетативного индекса, причем выход фильтра соединен со входами первого и второго блока определения дисперсии и блока определения математического ожидания, выходы блоков определения дисперсий подключены к первым входам соответствующих блоков определения коэффициентов вариаций, выход блока определения математического ожидания соединен со вторыми входами блоков определения коэффициентов вариаций, выходы блоков определения коэффициентов вариаций подключены к входам вычитателя, выход которого соединен с первым входом компаратора, выход формирователя порогового уровня подключен ко второму входу компаратора, выход компаратора соединен с входом первого счетчика, выход генератора тактовых импульсов соединен со входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчика подключены к первому и второму входам первого делителя соответственно, выход блока определения величины диастолического давления соединен с первым входом второго делителя, выход первого делителя соединен со вторым входом второго делителя, выход второго делителя подключен к входу формирователя значения вегетативного индекса, выход последнего является выходом устройства.
Устройство состоит (фиг.2) из блока 1 определения величины диастолического давления, генератора тактовых импульсов 2, счетчиков 3, 13, фильтра 4, блоков 5 и 6 определения дисперсий, блока 7 определения математического ожидания, блоков 8, 9 определения коэффициентов вариаций, вычитателя 10, формирователя 11 порогового уровня, компаратора 12, делителей 14, 15, формирователя 16 значения вегетативного индекса.
Первым входом устройства является вход блока 1 определения величины диастолического давления. Вторым входом устройства является вход фильтра 4. Выход генератора тактовых импульсов 2 соединен с входом счетчика 2.
Выход фильтра 4 соединен со входами первого 5 и второго 6 блока определения дисперсии и блока 7 определения математического ожидания. Выходы блоков 5 и 6 определения дисперсий подключены к первым входам соответствующих блоков 8 и 9 определения коэффициентов вариаций, выход блока 7 определения математического ожидания соединен со вторыми входами блоков 8 и 9 определения коэффициентов вариаций. Выходы блоков 8 и 9 определения коэффициентов вариаций подключены к входам вычитателя 10, выход которого соединен с первым входом компаратора 12. Выход формирователя порогового уровня 11 подключен ко второму входу компаратора 12, выход компаратора 12 соединен с входом счетчика 13.
Выходы счетчиков 3 и 13 подключены к первому и второму входам первого делителя 14 соответственно, выход блока 1 определения величины диастолического давления соединен с первым входом второго делителя 15, выход первого делителя 14 соединен со вторым входом второго делителя 15, выход второго делителя 15 подключен к входу формирователя 16 значения вегетативного индекса, выход последнего является выходом устройства.
k
<mrow><mfrac><mrow><mi>n</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mrow><mi>n</mi><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>n</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac></mrow>
Блок 5 реализует преобразование (4), блок 6 - (5), блок 7 - (3), блок 8 - (6), блок 9 - (7), блок 10 - (8). Блок 13 осуществляет счет числа переходов из 0 в 1 на выходе компаратора 12. Этот переход возникает в момент ν>Δ. Блок 14 реализует определение значения
, блок 15 -
. Блок 16 осуществляет вычисление вегетативного индекса по формуле (2).
Реализация устройств может быть легко осуществлена на стандартной элементной базе. Вариант устройства с цифровой обработкой сигнала может быть реализован на основе любого персонального компьютера, а также с использованием любого микроконтроллера или однокристальной микро-ЭВМ. Связь измерительной части и устройства обработки сигнала (как аналоговой, так и цифровой) может быть осуществлена любым из известных способов, как по проводному каналу, так и беспроводным способом, например по радиоканалу или ИК-каналу.
Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении достоверности и точности определения вегетативного индекса человека-оператора в режиме реального времени и функционального состояния на его основе при формах QRS-комплекса, отличных от стандартной (низкоамплитудные, расщепленные).
Литература
1. Панченко Л.Л. Диагностика стресса: учеб. пособие. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2005. С.10.
2. Патент РФ №2461353. Способ определения уровня физиологического восстановления организма человека.
3. Патент РФ №2082464. Способ определения оптимального времени экспозиции при низкоэнергетическом лазерном облучении.
4. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. шк. 1998. 479 с.