Разработка технологии виртуальной реальности для оптимизации психофизиологических состояний спортсменов

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

СПОРТСМЕНОВ

А.Е. ИГОЛКИНА, И.Н. МИТИН, К.С. НАЗАРОВ, А.В. ЖОЛИНСКИЙ, Д.А. КРАВЧУК, М.Г. ОГАННИСЯН, В.С. ФЕЩЕНКО, ФГБУ ФНКЦСМ ФМБА России, Москва; Р.Х. АВДЮХАНОВ, С.А. ВАЦЛОН, А.И. МИТИН,

ИСЗ, Москва

Аннотация

Целью данной работы являлось создание макетного образца аппаратно-программного комплекса, объединяющего в единой среде технологии биоуправления и виртуальной реальности. Для ряда спортивных дисциплин была разработана библиотека сценариев, моделирующих предстартовые условия и стартовую площадку. Также средствами трехмерного моделирования были созданы универсальные объекты с возможностью дальнейшей специализации

контента под конкретную дисциплину.

Ключевые слова: виртуальная реальность, биоуправление, соревновательный процесс, психофизиологическое

состояние спортсмена.

VIRTUAL REALITY SYSTEM DEVELOPMENT DESIGNED FOR OPTIMIZATION OF ATHLETES' PSYCHOPHYSIOLOGICAL STATES

A.E. IGOLKINA, I.N. MITIN, K.S. NAZAROV, A.V. ZHOLINSKY, D.A. KRAVCHUK, M.G. OGANNISYAN, V.S. FESHCHENKO,

FRCCSM FMBA, Moscow R.K. AVDYUKHANOV, S.A. VATSLON, A.I. MITIN

IHS, Moscow

Abstract

The purpose of the study was to produce a prototype of a hardware and software complex, uniting biofeedback technology and virtual reality in a single environment. For a number of sport disciplines, we developed a library of scripts modeling precompetition conditions and competitive playground. Also, with the help of 3D modeling tools, universal objects with the ability of further specialization of content for a specific discipline were designed.

Keywords: virtual reality, competitive process, biofeedback, athlete's psychophysiological state.

Введение

Беспрецедентный уровень конкуренции, близость в результатах в современном спорте высших достижений подводят к необходимости поиска дополнительных резервов организма как во время подготовки к соревнованиям, так и во время выступлений. При относительно равном физическом развитии на передний план выступает психологическая подготовка спортсмена, которая в общем случае позволяет оптимизировать психофизиологическое состояние спортсмена для выполнения соревновательной цели, то есть создать состояние, оптимальное для ее достижения.

В настоящее время технический прогресс позволяет для решения данной задачи использовать современные технологии виртуальной реальности и инструменты моделирования трехмерного пространства для значительного усовершенствования зарекомендовавшей себя в спорте высших достижений технологии биологической обратной связи. Данная работа посвящена разработке аппаратно-программного комплекса, объединяющего в себе эти перспективные направления.

Цель данной работы: разработка макетного образца аппаратно-программного комплекса (далее - АПК), объ-

С*)

единяющего в единой среде технологии биоуправления и виртуальной реальности для решения задачи оптимизации психофизиологических состояний спортсменов.

Методы и организация исследования

Результаты, полученные нами ранее в рамках исследования психофизиологических состояний, опосредующих успешность деятельности высококвалифицированных спортсменов, а также поиска путей контроля и управления их стартовой готовностью (Государственное задание ФГБУ ФНКЦСМ ФМБА России на 2017 год, шифр «Вирт-17»), позволяют утверждать, что наиболее подверженным воздействию стресс-факторов и в то же время определяющим результативность выступления является такое состояние, которое актуализируется во временном диапазоне - от момента прибытия в место проведения стартов до непосредственно выхода на старт [1].

Являясь концептуально близким к бихевиоральным (поведенческим) техникам психологической коррекции предстартовых состояний, метод биоуправления, или биологической обратной связи предполагает задейст-вующую механизмы нейропластичности перестройку функциональных систем, обеспечивающих дезадаптив-ные типы реагирования организма спортсмена на предстартовую обстановку [2, 3, 4]. Эффективность данного направления коррекционных мероприятий во многом зависит от глубины «возврата» в условия, провоцирующие поведенческие, психологические и физиологические проявления дезадаптивного поведения. Придерживаясь методологии теории функциональных систем П.К. Анохина, можно сказать, что для запуска такого поведения (функциональной системы), физиологические компоненты которого являются мишенью для коррекции средствами биоуправления, сенсорная информация, поступающая к спортсмену во время тренинга, должна как можно более полно соответствовать обстановочной афферента-ции в реальных предстартовых условиях, а также содержать пусковые стимулы, т.е. стимулы, инициирующие нежелательные реакции организма [5].

На наш взгляд, в настоящее время наиболее полный возврат в условия, соответствующие актуализации негативных аспектов психофизиологического состояния, возможен с использованием средств виртуальной реальности.

В отличие от медиа-сценариев в АПК «Вирт-17», где использовались видеозаписи реальных спортивных мероприятий, снятых на специализированную видеокамеру с 360-градусным углом обзора (Samsung Gear 360) [6], в текущей версии АПК виртуальный контент разрабатывался в игровой среде Unity3D.

Смоделированная на игровом движке Unity3D среда позволяет свободно видоизменять как конфигурацию системы, так и уровни сложности, подключать дополнительные игровые модули (например, имитацию тренировок или дополнительные стресс-факторы), изменять параметры созданной среды.

Данный подход позволяет избежать концептуальных недостатков предыдущей схемы создания виртуальной среды, а именно: скорость и направление перемещения

пользователя в среде заданы траекторией и скоростью движения видеооператора, и пользователь не может контролировать важные параметры прохождения тренинга; видео отснято один раз и не может быть изменено. Таким образом, пользователь при повторе тренинга проходит ту же модельную ситуацию в тех же однажды отснятых условиях.

Результаты исследования и их обсуждение

Прежде всего, в рамках подготовки сценариев медиа-контента на игровом движке Unity3D был создан ряд универсальных сцен для технологии виртуальной реальности, направленной на оптимизацию психофизиологических состояний спортсменов, получившей название АПК «Вирт-18» (рис. 1). Среди них:

1. Автобус, подвозящий спортсменов к месту проведения соревнований.

2. Пространство перед входом в спортивный комплекс.

3. Спортивный комплекс, в составе которого:

- холл спорткомплекса,

- переходной коридор к раздевалкам,

- раздевалки,

- переходной коридор к тренировочному залу,

- тренировочный зал,

- переходной коридор к основному залу соревнований,

- основной зал соревнований.

Для регистрации физиологических сигналов в АПК «Вирт-18» были встроены два типа модулей: для регистрации ЭЭГ - модуль "BrainBit", для регистрации остальных сигналов - модули «Колибри».

"BrainBit" - электроэнцефалограф, выполненный в виде гибкой растягивающейся ленты с сухими электродами, встроенной электроникой и съемным аккумулятором [7]. Обеспечивает в реальном времени регистрацию биопотенциалов головного мозга с волосистой части головы (висков и затылка), лба, а также электропотенциалов мышц головы и лица и движений глаз (электроокуло-грамму).

«Колибри SDK» - одноканальный модуль биполярной регистрации физиологических сигналов, выполненный в виде компактного блока с клипсами для подключения одноразовых стандартных ЭКГ-электродов, встроенной электроникой и аккумулятором [8].

Помимо изменения фундаментального принципа создания виртуальной среды, по итогам испытаний текущего макетного образца АПК (по сравнению с предыдущим его вариантом АПК «Вирт-17») были внесены следующие изменения в конфигурацию технической части: для мониторинга текущего психофизиологического состояния использованы датчики ЭКГ и ЭМГ; добавлена компактная нейрогарнитура "BrainBit". Вместо носимого в виде специального рюкзака ВР-совместимого ПК использовано беспроводное подключение ВР-системы к стационарному ПК (ноутбуку) психолога. Таким образом, схема комплекса приобрела вид, представленный на рис. 2.

Информационное обеспечение физической культуры и спорта

Рис. 1. Примеры кадров медиа-контента: 1 - основной зал соревнований; 2 - раздевалки; 3 - автобус; 4 - пространство перед спорткомплексом;

Г:

/Ш\

ЭЭГ БрейнБит

т

Базовая станция

Беспроводной адаптер для шлема BP TPCast

Датчик ЧСС HTC Vive + Датчик ЭМГ

! TP Cast !

Pi т

Контроллер

Контроллер

N

Bluetooth адаптер

Рис. 2. Схема беспроводного комплекса АПК «Вирт-18»

Элемент «ПК» на рис. 2 - это персональный компьютер специалиста (психолога), на котором происходит настройка и мониторинг тренинга. Представляет собой мощный ноутбук или ПК с отвечающими минимальным требованиям характеристиками. Для ноутбука адаптер Bluetooth не требуется, для стационарного ПК требуется

установка дополнительного адаптера (встроенного или внешнего; на рисунке - элемент «Bluetooth - адаптер»).

На ПК специалиста устанавливается программное обеспечение АПК, подключение датчиков осуществляется непосредственно из меню АПК без дополнительного ПО. Для передачи видеопотока на шлем виртуальной

реальности HTC Vive используются трансмиттер и ресивер TP Cast, подключаемые к ПК и шлему соответственно. Датчики ЧСС И ЭМГ «Колибри», а также ней-рогарнитура «BrainBit» связаны с компьютером через беспроводное соединение Bluetooth.

Элементы рис. 2 «Базовая станция» - устройства, посредством которых происходит позиционирование шлема виртуальной реальности и контроллеров, используемых для передвижения в виртуальной среде и выполнения игровых задач.

Из общей схемы видно, что использование приведенных аппаратных средств в АПК «Вирт-18» позволило полностью отказаться от проводных решений. Пользователь не связан проводами и может перемещаться свободно в пределах предоставленного пространства. В то же время в виртуальной среде пользователь будет видеть ограничительные линии (безопасный периметр), задаваемый при калибровке АПК перед использованием в конкретном помещении.

Полученный в результате комплект усовершенствованного макетного образца АПК может перевозиться

стандартным багажным местом для проведения тренингов в любом месте - на тренировочных базах, учебно-тренировочных мероприятиях, выездных соревновательных мероприятиях и т. д.

Принцип работы АПК «Вирт-18» заключается в следующем. Задача спортсмена состоит в перемещении в виртуальной среде с одновременным контролем физиологических показателей посредством использования обратной связи, реализованной как в виде изменения условий среды, так и с отдельно выведенным на экран блоком интегральных показателей психофизиологического состояния (рис. 3).

Контроль процедуры тренинга производится на ПК специалиста. В ходе тренинговой сессии на его экране продублировано изображение, предъявляемое спортсмену, а также реализована возможность просмотра сигналов, передаваемых модулями регистрации, в режиме реального времени. Специалист может настраивать набор окон режима просмотра хода сессии. Так, на рис. 4 изображен интерфейс с одновременным выводом графиков «сырых» сигналов и изображения, передаваемого на шлем ВР.

Рис. 3. Изображение, получаемое шлемом виртуальной реальности в момент прохождения тренинга

Все сцены имеют настраиваемые уровни освещенности и шумовых эффектов: таким образом могут создаваться различные уровни сложности, определяемые резким изменением (перепадом) окружающего освещения и шума. Первый уровень сложности - перепады освещенности и шума между отдельными сценами и частями минимален, таким образом, воздействие стресс-факторов минимизировано. Второй уровень сложности - уровни освещенности и шума подстраиваются для создания более резкого перехода от одной локации к другой. Третий уровень сложности - контрасты шума и освещенности максимальны.

Поскольку используется полностью смоделированная среда, пользователю предоставляется 3 различных способа перемещения в пространстве:

- "Locomotion" («локомоушн») - пользователь нажимает кнопку на контроллере и перемещается в направлении взгляда. В этом случае физически пользователь стоит на месте, перемещение происходит только в виртуальном пространстве с невысокой (для снижения эффекта укачивания) скоростью;

- Телепорт - пользователь указывает в виртуальной среде точку, в которую хочет переместиться, и "телепор-тируется" в нее нажатием на соответствующую кнопку контроллера;

- "Free roam" (свободное перемещение) - возможно только с использованием какого-либо дополнительного оборудования для имитации ходьбы/бега, например -всенаправленной беговой дорожки.

С*)

Информационное обеспечение физической культуры и спорта

Рис. 4.

Окно мониторинга психофизиологических сигналов и транслируемой в шлем ВР виртуальной среды

В ходе процедуры тренинга используются и могут быть выгружены для последующей обработки следующие психофизиологические параметры: ЧСС в виде последовательности величин (^-зубец ЭКГ) с указанием смещения от нулевой точки (старт тренинга); индекс напряжения Баевского (характеризующий ВСР) в виде интегральной итоговой величины по всему тренингу от начала и до конца; ЭМГ в виде последовательности величин (иными словами, амплитуда) с указанием смещения от нулевой точки (старт тренинга); ЭЭГ в виде интег-

рального показателя возбуждения/торможения, рассчитываемого на основе получаемого физиологического сигнала с применением фильтрации и проприетарных расчетных алгоритмов.

По итогам сессии результаты проведенного тренинга записываются в файл в виде таблицы показателей, привязанных к таймеру прохождения тренинга и переходам между сценами. Получаемый файл в формате «.xml» может быть открыт в программе Microsoft Excel и проанализирован.

Заключение

Создан макетный образец аппаратно-программного комплекса «Вирт-18», объединяющий в единой среде технологии биоуправления и виртуальной реальности. В состав текущей версии АПК включены модули регистрации следующего набора психофизиологических параметров: ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ. Компактный размер и беспроводной протокол передачи данных используемых модулей регистрации указанных показателей обеспечивают как возможность диагностики предстартовых состояний

спортсменов, так и проведение тренингов по биоуправлению без значительного отрыва от тренировочной и соревновательной деятельности. Значительной доработке подверглась концепция применения виртуальной реальности. Для ряда спортивных дисциплин была разработана библиотека сценариев, моделирующих предстартовые условия и стартовую площадку, также были смоделированы универсальные объекты с возможностью дальнейшей специализации контента под конкретную дисциплину.

Литература

1. Горовая, А.Е. Процессы нейропластичности у профессиональных спортсменов / А.Е. Горовая, К.С. Назаров, И.Н. Митин, А.В. Жолинский, А.И. Кузнецов // Лечебная физкультура и спортивная медицина. - 2018. - № 1 (145). - С. 48-58.

2. Назаров, К.С. Разработка и адаптация методики стимуляции нейропластичности мозга высококвалифицированных спортсменов / К.С. Назаров, А.Е. Горовая, И.Н. Митин, А.В. Жолинский // Вестник спортивной науки. - 2018. - № 4. - С. 30-35.

3. Митин, И.Н. Особенности психосоматических нарушений высококвалифицированных спортсменов / И.Н. Митин, А.Е. Горовая, Д.А. Кравчук, О.Р. Добрушина, А.В. Жолинский // Спортивная медицина: наука и практика. - 2018. - Т. 8. - № 2. - С. 54-61.

4. Разумец, Е.И. Психосоматические нарушения и их распространенность в спорте высших достижений / Е.И. Разумец, И.Н. Митин, О.Р. Добрушина, А.В. Жолинский // Медицина экстремальных ситуаций. - 2017. -Т. 61. - № 3. - С. 175-182.

5. Анохин, П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. - М.: Медицина, 1975. - 448 с.

6. Иголкина, А.Е. Применение технологии виртуальной реальности для тренинга стартовой готовности спортсменов сборных команд Российской Федерации / А.Е. Иголкина, И.Н. Митин, А.И. Митин, К.С. Назаров, Е.А. Тарасов, Д.И. Тишакин, Б.С. Мазурок, О.А. Джафа-

рова // Лечебная физкультура и спортивная медицина. -2018. - № 4 (148). - С. 37-43.

7. BrainBit - EEG wearable headband. - URL: // https://brainbit.com (дата обращения - 06.03.2019).

8. «КОЛИБРИ» SDK. Научно-медицинская фирма «Нейротех», г. Таганрог. - URL: // https://neurotech.ru/ sensors_callibri/sdk (дата обращения -06.03.2019).

References

1. Gorovaya, A.E., Nazarov, K.S., Mitin, I.N., Zholinsky, A.V. and Kuznetsov, A.I. (2018), Neuroplacticity processes of professional athletes, Lechebnaya fizkul'tura i Sportivnaya Medicina, no. 1 (145), pp. 48-58.

2. Nazarov, K.S., Gorovaya, A.E., Mitin, I.N. and Zholinsky, A.V. (2018), Development and adaptation of neuro-plasticity stimulation technology for high-level athletes, Vestnik sportivnoy nauki, no. 4, pp. 30-35.

3. Mitin, I.N., Gorovaya, A.E., Kravchuk, D.A., Dobru-shina, O.R. and Zholinsky, A.V. (2018), Aspects of psychosomatic disorders in highly qualified athletes, Sportivnaya medicina: nauka i praktika, vol. 8, no. 2, pp. 5461.

4. Razumets, E.I., Mitin, I.N., Dobrushina, O.R. and Zho-linsky, A.V. (2017), Psychosomatic disorders and its spread

in higher achievements sports, Medicina ehkstremal'nyh situaciy, vol. 61, no. 3, pp. 175-182.

5. Anohin, P.K. (1975), Essays on the physiology of functional systems, Moscow, Medicine, 448 p.

6. Igolkina, A.E., Mitin, I.N., Mitin, A.I., Nazarov, K.S., Tarasov, E.A., Tishakin, D.I., Mazurok, B.S. and Dzhafarova, O.A. (2018), Use of virtual reality technology that allows to optimize athlete's psychophysiological state during significant stages of the competitive process, Lechebnaya fizkul'tura i Sportivnaya Medicina, no. 4 (148), pp. 37-43.

7. BrainBit - EEG wearable headband. - URL: // https://brainbit.com (date of access - 06.03.2019).

8. "KOLIBRI" SDK. Scientific and medical firm "Nejrotekh", Taganrog, URL: // https://neurotech.ru/ sensors_callibri/sdk (date of access - 06.03.2019).