Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы мониторинга здоровья студентов

О.Г. Берестнева, Л.И. Кабанова, К.А. Шаропин

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЗДОРОВЬЯ

СТУДЕНТОВ*

На сегодняшний день по-прежнему актуальной остается задача мониторинга физического и психического здоровья студентов. Эта задача тесно связана с задачей оценки качества подготовки специалистов с высшим образованием. Согласно принципу ориентации на потребителя (ГОСТ Р ИСО 9000:2001) важным и необходимым элементом в управлении качеством образования являются требования всех заинтересованных сторон, в том числе работодателей, к уровню подготовки специалистов в вузе. Эти требования, прежде всего, представляют собой набор профессиональных характеристик, которыми должен обладать специалист в области своей профессиональной деятельности, чтобы наиболее точно соответствовать специальности и успешно выполнять профессиональные обязанности. Кроме того, работодателей интересуют не только профессиональные характеристики, но также уровень здоровья и показатели физической подготовленности. Таким образом, появляется необходимость количественного определения уровня обладания специалистом требуемыми качествами. Этот требуемый уровень можно обозначить термином «профессиональная психофизическая готовность» (ППФГ) студентов. Среди работ по данной тематике в первую очередь следует отметить исследования, прежде всего, В. А. Коваленко, а также Т.Г. Савкина, О.В. Каравашкина, С.Ю. Тюленькова, С.Н. Зуева, Л.М. Крылова и др. [1, 2].

«Профессиональная психофизическая готовность» (ППФГ) включает в себя следующие компоненты, базирующиеся на физических, психических и духовных возможностях человека [1]:

• достаточную профессиональную работоспособность;

• наличие необходимых резервных физических и функциональных возможностей организма для своевременной адаптации к быстро меняющимся условиям производственной и внешней среды, объему и интенсивности труда;

• способность к полному восстановлению в заданном лимите времени;

• сформированность мотивационной сферы.

Однако на сегодняшний день не разработан эффективный инструментарий для оценки и мониторинга ППФГ студента. Это связано с тем, что непосредственно измерить уровень обладания характеристиками затруднительно, поэтому вместо измерения лучше вести речь об оценке либо о вычислении показателей качества с использованием косвенных показателей.

Для масштабных исследований необходимы современные информационные системы, оснащенные набором программных средств, дающих возможность диагностики актуального состояния и различных свойств личности. Но большинство существующих в настоящее время информационных систем мониторинга здоровья ориентированы, как правило, на решение конкретных практических задач, являются узконаправленными, или сложными и дорогостоящими, что делает их непригодными для массового применения в вузах.

Также большинству подобных систем присущи следующие недостатки:

1. Неудобный интерфейс, ориентированный на специально подготовленного специалиста

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 04-06-80413-а. 40

2. Окончательная оценка осуществляется на основании формального алгоритма, не имеющего математического аппарата, или отсутствие интегрального показателя уровня психофизической готовности.

3. Отсутствие программно-информационных средств оценки динамики профессиональной психофизической готовности.

4. Недостаточно используются эффективные средства когнитивной графики.

В связи с актуальностью разработки систем, позволяющих решать данные проблемы, целью наших исследований была разработка методического, математического, алгоритмического и программного обеспечения информационной системы оценки профессиональной психофизической готовности студентов на базе разработанной нами ранее системы мониторинга здоровья и социальнопсихологической адаптации студентов Томского политехнического университета [3, 4].

На первом этапе работы нами была разработана структурная модель ППФГ студентов [8] в виде системы, включающей 4 основные подсистемы (физическая, психологическая, психофизиологическая готовность и адаптация), рис. 1.

Рис. 1. Модель профессиональной психофизической готовности студентов

В каждой из этих подсистем выделены отдельные компоненты и элементы, т.е. в результате декомпозиции системы мы вышли на уровень измеряемых величин. В табл. показаны способы измерения и типы измерительных шкал для некоторых выделенных нами элементов.

При формировании комплексных оценок психофизиологических состояний человека обычно используют различные интегральные показатели. В системе используется введенный нами ранее интегральный показатель, позволяющий оценивать степень отклонения состояния биосистемы от некоторого «предпочтительного» (эталонного) состояния в любой момент времени [5, 6]. Здесь за эталонное состояние берутся критерии оценки профессиональной готовности по одной из четырех групп специальностей университета [7, 8]. Также одно из основных достоинств данного интегрального показателя - это возможность оценивать состояние как ППФГ в целом, так и состояния ее отдельных подсистем.

Разработанная нами система имеет все компоненты в соответствии с современной моделью информационной системы, такие как: сбор информации; хранение; обработка; передача; выдача информации; защита информации.

Таблица

Способы измерения и типы измерительных шкал__________________

Подсистемы Компоненты Элементы Измерение Тип шкалы

Физические качества Костно-мышечная Сила кисти Динамометр кистевой Отношений

Гибкость Мерный куб

Антропометрия Рост Ростомер

Сердечнососудистая система (ССС) Артериальное давление Тонометр

Частота пульса Секундомер

Психологическая готовность Интеллектуальные способности «Технический» интеллект «Вербальный» интеллект Тест Амт-хауэра

Социально- психологические качества Нормативность Коммуникабельность Тест Кеттел-ла Ранговая

Личностные качества Тип темперамента Тест на тип темперам. Номинал

Адаптация Психофизическая Уровень стресса Вегетативный баланс Тест Люшера Ранговая

Психологическая Эмоциональная устойчивость Самоконтроль Тест Кеттел-ла

Социальная Социальная дезадаптация Тест Вассермана

Психофизиологическая готовность Устойчивость ССС Пульс после нагрузки Время восстановления Секундомер Отношений

Соматические жалобы Истощение Ревматические жалобы Опросник Ранговая

Устойчивость нервной системы Индивидуальная минута Секундомер Отношений

Структурная схема системы представлена на рис. 2.

Система спроектирована как реляционная база данных, реализованная в СУБД MS Access с включением программных модулей на языке Visual Basic for Application. Имеет дублированную структуру блока компьютерного тестирования с возможностью доступа из Internet, реализованную в виде HTML-документов с описанием сценария на языке VBScript.

Блок сбора информации включает в себя методики опросов, осмотров, обследований, основанные на современных информационных технологиях, позволяющих повысить качество и достоверность принимаемых решений. Так в системе реализовано все четыре типа психодиагностических методик:

1) анкеты и опросники закрытого типа;

2) психодиагностических методики на основе ранжирования;

3) психофизиологические методики;

4) проективные методики как однократного, так и последовательного выбора.

Блок обработки

Формирование обобщенных интегральных оценок ППФГ

Диагностика типа адаптационных стратегий и риска дезадаптации

База данных

Блок вывода

Формиро- Блок

вание *—N когни- А—N

паспорта тивной

ППФГ графики

студента :": 1

Формиро-

вание

паспорта

ППФГ

группы

студентов

Выходные отчетные документы

Рис. 2. Структурная схема системы оценки ППФГ

База данных информационной системы состоит как из основных таблиц, иерархически связанных между собой различными видами явных связей, так и вспомогательных с различными типами неявных связей. В структуре имеются попарно связанные таблицы-критерии.

Блок обработки информации включает в себя разработанные нами информационные технологии, основанные на методах и алгоритмах, изложенных в [3, 6, 7, 9].

Для эффективного функционирования в любой информационной системе особое значение приобретают методы визуализации данных и конечных результатов обработки, обеспечивающие единую форму представления текущей и конечной информации в виде отображений, адекватных зрительному восприятию человека и удобных для однозначного толкования полученных результатов.

Так, в нашей системе средствами когнитивной графики реализуется отображение индивидуальных данных в виде лепестковой диаграммы (рис. 3), где текущее состояние студента (темная область) визуально сравнивается с «эталонным» (светлая). Двумерное отображение упорядоченности группы студентов (с соответствующими порядковыми номерами) между «эталонными» объектами с максимальным (А) и минимальным (В) уровнем ППФГ реализовано на основе структурного метода начального упорядочения (рис. 4). Для визуализации результатов статистического анализа и динамики состояния генерируются различного вида гистограммы и диаграммы. Также результаты формируются в отчетные формы как для каждого студента, так и для группы [4].

Для того чтобы обеспечить защиту информации, целостность данных и безотказность системы были проанализированы возможные риски и предложена модель защиты информации (рис. 5).

Рис. 3. Лепестковая диаграмма для отображения индивидуальных данных У2 •> А

зоя*

521

• «23?

23

16„

20 • 4

• 12 •1

^0

1

-0-8-

У1

Рис. 4. Двумерное отображение группы студентов на основе структурного метода начального упорядочения

Структура системы имеет блочную или модульную унификацию. Модули условно можно разделить по трем разным свойствам: по уровню автоматизации, по локализации и уровню доступа.

Преимущества такой унификации в том, что:

• выход из строя одного блока не влияет на работу других (кроме выхода из строя блока управления);

• изменение структуры системы не влияет на целостность данных;

• возможна замена устаревших программ на более современные или их коррекция;

• добавление новых блоков без ущерба для основной концепции комплекса;

• возможно автономное использование отдельных блоков, в частности, блоков компьютерного тестирования.

Раздел II

Рис. 5. Модель защиты информации

Система позволяет проводить ежегодные обследования функционального состояния студентов, вести базу данных, включающую сведения о динамике физической подготовленности, а также результаты комплексных тестовых испытаний и анамнеза. Данные такого мониторинга предоставляют редкую возможность количественной оценки общего уровня профессиональной психофизической готовности (а также отдельных подсистем: физическую, психологическую, психофизиологическую готовность и адаптацию) не только каждого студента, но всего контингента.

На базе комплекса, начиная с 1996 г., ежегодное обследование проходят порядка двух тысяч студентов 1 курса (юношей и девушек), более полутора тысяч студентов 2 курса и примерно столько же студентов 3 курса. В общей сложности количество ежегодно обследуемых студентов составляет около пяти тысяч человек.

На рис.6 представлены данные о динамике уровня физического здоровья студенток первого курса за три года (2002-2004 гг.), которые отражают тенденцию ухудшения уровня здоровья абитуриентов ТПУ.

Информационная система предусматривает возможность ее использования в различных режимах:

а) полное обследование по всем методикам, реализованным в программном обеспечении комплекса;

б) обследование или тестирование только по одному из блоков (физиологическому, социальному или психологическому);

в) тестирование по всем трем блокам, но не по всем методикам.

Например, при оценке физиологического состояния блок "Анализ сердечного ритма" целесообразно использовать только при обследовании студентов с ослабленным здоровьем для контроля за величиной физической нагрузки и при слежении за динамикой состояния интенсивно тренирующихся спортсменов.

Рис. 6. Диаграмма динамики уровня физического здоровья (УФЗ) первокурсниц за 2002-2004 гг

Целесообразность проведения тестирования студентов по методикам оценки психологической и социальной адаптации одновременно с ежегодным медицинским обследованием студентов на кафедре ФОЦ на базе разработанного комплекса обусловлена:

а) возможностью организовать действительно массовое обследование студентов;

б) возможность получить комплексную оценку адаптационных процессов и отследить динамику изменения каждого студента.

В рамках системы предоставляется возможность определить социальную позицию студента, его здоровье и психологическое состояние, индивидуальные особенности личности студента, влияющие на характер переживаний, отношения и способы поведения в критических и неблагоприятных ситуациях, связанных с повышением психологического напряжения.

Как уже отмечалось выше, возможно автономное использование отдельных блоков системы, в частности, блоков компьютерного психодиагностического тестирования.

Приведем, в качестве примера, результаты решения задачи профотбора студентов для обучения на военной кафедре Томского политехнического университета. Используемые ранее методы отбора кандидатов для зачисления на военную кафедру (анализ степени годности кандидата к военной службе, ранжирование кандидатов по успеваемости на основном факультете (институте), проверка уровня физического развития кандидата, индивидуальное собеседование с кандидатом) не позволяли выявить наличие у кандидата необходимых для военнопрофессиональной деятельности свойств личности и как следствие, определить степень пригодности его к военно-профессиональной деятельности, что являлось причиной высокого процента отчисления студентов с военной кафедры по их собственному желанию и неспособности осваивать программу подготовки офицеров запаса.

Для решения задач отбора кандидатов для зачисления на военную кафедру ТПУ авторами разработана технология, включающая в себя блок поддержки принятия решения о зачислении кандидатов по результатам профессиональнопсихологического тестирования.

Напомним, что профессиональная пригодность - это вероятностная характеристика, отражающая возможности человека в овладении какой-либо профессиональной деятельностью. Она может оцениваться по нескольким критериям [8]:

• медицинским показателям (в том числе по показателям физической подготовленности);

• по данным образовательного ценза или конкурсным экзаменам;

• с помощью психологического обследования (психологический отбор);

• с учетом достигнутого уровня профессиональной адаптации и др.

Для отбора студентов на военную кафедру были использованы следующие критерии [9]:

• степень годности к военной службе;

• уровень физического развития;

• успеваемость;

• характеристика с места учебы;

• результаты профессионально-психологического отбора.

Результаты применения описанной технологии в феврале 2005 года при проведении набора студентов для обучения на военной кафедре показывают значительное снижение количества студентов «случайно» попавших на военную кафедру. О своем желании пройти подготовку по программе подготовки офицеров запаса изначально заявили 524 студента, из которых было отобрано и зачислено для обучения только 156 человек, из которых только 5 заявило о нежелании продолжать обучение, что на 27% ниже количества студентов (18 чел.) отчисленных по этому основанию в феврале-мае 2004 года, когда отбор производился традиционным способом (без применения описанной технологии).

Таким образом, опыт эксплуатации системы показал, что она предназначена для широкого круга пользователей. Результаты востребованы как студентами, так и преподавателями и администрацией университета.

Для администрации - знание психофизиологических возможностей студентов позволяет с меньшими для здоровья студентов перегрузками формировать учебное расписание, распределять учебную нагрузку.

Для кураторов - предоставленная информация дает возможность иметь представление о микроклимате внутри группы, формировать актив группы, оказывать поддержку студентам, зная их ограничения.

Для студентов - знание своих возможностей, ограничений, а также предоставление выбора способов деятельности для повышения собственной успеваемости. В рамках комплекса для каждого студента формируется так называемый "паспорт здоровья" - выходной документ, содержащий в себе все основные параметры с их оценкой относительно критериев "норма-патология", а также интегральные оценки уровня адаптированности по каждому блоку и необходимые рекомендации при наличии отклонений каких-либо параметров.

Таким образом, на базе разработанной авторами информационной системы решается задача комплексной оценки состояния здоровья и, главное, прогнозирования адаптации студентов, а также организация оздоровительных мероприятий с учетом будущей профессиональной деятельности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Физическая культура / Под ред. В.А. Коваленко. - М.: АСВ, 2000. - 224 с.

2. Тюленьков С.Ю., Зуев С.Н., Крылова Л.М. Технология преподавания физической культуры в вузах // Университетское управление. - 2004. - № 1(30). - С. 48-56.

3. Информационная система мониторинга здоровья студентов / О.Г. Берестнева, В.Т. Иванов, Л.И. Иванкина, К.А. Шаропин, Е.А. Муратова // Вестник Томского государственного университета. - 2002. - № 1(П). - С. 196-201.

4. Иванов В.Т., Берестнева О.Г., Иванкина Л.И., Шаропин К.А. Использование оздоровительных технологий в педагогическом процессе со студентами ТПУ. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 30 с.

5. Ротов А.В., Медведев М.А., Пеккер Я.С., Берестнева О.Г. Адаптационные характеристики человека. - Томск: Изд-во ТГУ, 1997. - 137 с.

6. Берестнева О.Г., Шаропин К.А. Построение моделей адаптации студентов к обучению в вузе // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. - № 5. - С. 131-135.

7. Берестнева О.Г. Качество обучения в техническом университете: Методы оценки и результаты исследований. - Томск: Изд-во ТПУ. - 192 с.

8. Фрумкин А.А. Психологический отбор в профессиональной и образовательной деятельности. - СПб, 2004

9. Берестнева О.Г., Ленский В.Н. Разработка технологии профессионального отбора студентов для обучения на военной кафедре//Лингвистические и культурологические традиции образования: Материалы международной конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005.

М.В. Биматов, И.Ф. Нам, С.А. Рябков

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА И БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ АРСЕНИД ГАЛЛИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ МАММОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ СКАНИРУЮЩЕГО ТИПА

Самым информативным методом выявления рака молочной железы до сих пор считается маммография - рентгенологическое исследование. В настоящее время на рынке медицинского оборудования появляются системы для прямой цифровой маммографии, в которых кассетоприемник заменен на цифровой детектор. Это связано с тем, что необходимо снизить лучевую нагрузку для получения изображения с таким же качеством, как на пленке. Использование арсенид галлиевых детекторов позволяет решить эту задачу. Это происходит из-за их высокой чувствительности к рентгеновскому излучению.

В данной статье приведены основные результаты моделирования молочной железы и блока детектирования на основе твердотельных арсенид галлиевых детекторов для маммографических систем сканирующего типа.

В основе принципов построения любой системы радиографии лежит выявление неоднородностей по плотности внутри различных, непрозрачных в видимом диапазоне объектов. Одним из методов решения этой задачи является определение пространственной неоднородности в распределении интенсивности рентгеновского или гамма излучения, прошедшего через исследуемый объект.

Пусть мы имеем однородный объект (в данном случае - это молочная железа) с небольшой неоднородностью (в дальнейшем - зона интереса), которую необходимо обнаружить.

Молочная железа с зоной интереса смоделирована при помощи формулы (1). Пусть молочная железа состоит в определенных пропорциях из жировой и железистой тканей и составляет толщину I, эти ткани покрыты кожей толщиной 5. Зона интереса может представлять собой как опухоль, так и кальцификаты толщиной й,