Физиологические показатели устойчивости человека к воздействию информационного стресса

М. В. Зотов, В. И. Шостак, В. М. Петрукович

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСТОЙЧИВОСТИ ЧЕЛОВЕКА

К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИНФОРМАЦИОННОГО СТРЕССА

Российская прикладная психофизиология накопила богатый опыт практического использования показателей вариабельности сердечного ритма для оценки уровня когнитивной и эмоциональной нагрузки операторов в процессе профессиональной деятельности. Уже в 70-х гг. XX в. в тренажерной подготовке летчиков получили широкое распространение физиологические аппаратно-программные комплексы типа «Физиолог-М», используемые в качестве средств контроля успешности освоения летных навыков на тренажерах. Данные комплексы были предназначены для оценки уровня когнитивной и нервно-эмоциональной нагрузки летчиков (физиологической стоимости деятельности) на определенных этапах полета (взлет, посадка, боевое применение, отказы систем пилотирования и т. д.) на основе анализа комплекса психофизиологических показателей, таких как частота сердечных сокращений, частота дыхания, минутный объем дыхания, качество выполнения дополнительной (вторичной) интеллектуальной задачи на фоне выполнения основного тренажерного задания [4]. Были разработаны различные методы оценки вариабельности сердечного ритма, позволяющие оценить уровень когнитивной и нервно-эмоциональной рабочей нагрузки оператора в процессе труда [1, 2].

Широкое практическое применение получил так называемый индекс напряжения регуляторных систем Баевского (ИН), основанный на анализе характеристик распределения И-И интервалов за трехминутные промежутки времени. Повышение индекса напряжения свидетельствует об увеличении тонуса симпатического отдела автономной нервной системы, что, в свою очередь, говорит об уровне мобилизации системы регуляции физиологических процессов в оцениваемом временном промежутке. В одной из наших работ было показано, что при интенсивных нагрузках, связанных с одновременной переработкой вербальной и пространственной информации, у испытуемых, имевших трудности в выполнении теста показатели индекса напряжения были достоверно выше, по сравнению с более успешными испытуемыми. При этом разница индекса напряжения у различных групп испытуемых значительно возрастала при выполнении теста в условиях помех. Между тем показатель ИН и другие сходные методы анализа вариабельности сердечного ритма не чувствительны к кратковременным изменениям уровня физиологической активации операторов в процессе выполнения когнитивных задач, что затрудняет их использование для разработки систем автоматизированной поддержки когнитивной деятельности операторов.

В связи с этим более перспективным представляется использование показателя ОБ, основанного на оценке изменений вариабельности сердечного ритма за относительно короткие временные промежутки [3]. Наряду с этим был предложен подход, основанный на выделении и анализе «переходных» (нестационарных) фаз в динамике мгновенной ЧСС при изменении интенсивности когнитивной рабочей нагрузки. Под «переходной» фазой понимается период перехода системы регуляции сердечного ритма из одного стационарного состояния в другое. В динамике «мгновенной» ЧСС при повышении

© М. В. Зотов, В. И. Шостак, В. М. Петрукович, 2009

интенсивности рабочей нагрузки выделяется ряд последовательных фаз: «стационарное состояние 1» —исходное состояние регуляции сердечного ритма, отмечающееся до повышения интенсивности рабочей нагрузки; «переходное состояние» — состояние первичной мобилизации, характеризуется нарастающим приростом «мгновенной» ЧСС, вызванным возрастанием интенсивности рабочей нагрузки; «стационарное состояние 2» — состояние регуляции сердечного ритма, характеризующееся стабилизацией показателей ЧСС на новом уровне. Показано, что в процессе тренинга у студентов отмечается уменьшение выраженности и продолжительности «переходных» фаз в динамике «мгновенной» ЧСС, а также снижение физиологической стоимости адаптации к повышенным рабочим нагрузкам [5].

Целью настоящего исследования явилась оценка чувствительности различных показателей регуляции сердечного ритма к изменениям уровня информационной нагрузки операторов в процессе выполнения профессиональных задач на тренажере.

В исследовании приняли участие 40 операторов транспортных систем, из них 20 опытных специалистов и 20 новичков в возрасте от 20 до 43 лет.

Каждый участник выполнял на компьютерном тренажере шесть пятнадцатиминутных сценариев. В процессе выполнения сценариев имитировалась деятельность оператора транспортного средства по выполнению следующих задач: непрерывный мониторинг визуальных сигналов, поступающих из внекабинного пространства, регуляция скорости движения транспортного средства, ведение переговоров по устройствам связи. Сценарии имели три уровня сложности: легкий, средний, тяжелый. Половина сценариев включала критические стрессовые воздействия, которые были связаны с резким повышением перцептивной и мнемической нагрузки и требовали многозадачной операторской деятельности в условиях дефицита времени.

Одновременно с первичной задачей выполнения тренажерного задания участники выполняли вторичную сенсомоторную задачу: реагировали на визуальные сигналы, появляющиеся на нижней части экрана с частотой раз в 10 сек.

Для каждого сценария оценивались ошибки, совершенные участниками при выполнении первичной задачи, и время реакции для вторичной задачи. Плотность распределения времени сенсомоторных реакций описывалась формулой 1:

где Т0—параметр смещения; А — масштабный множитель; В — параметр нарастания плотности распределения; С и Б — параметры спада плотности распределения.

Для каждого испытуемого в результате аппроксимации вычислялись величины указанных параметров. После этого определялись: (1) мода распределения (наиболее вероятная величина, ТМ) значений времени реакции; (2) полуширина распределения (характеризует разброс величин, ДТ) величин времени реакции. Показатель выполнения вторичной сенсомоторной задачи рассчитывался по формуле 2:

Эксперимент начинался с трехминутной регистрации ЭКГ для оценки исходных показателей вариабельности ритма. После этого участники выполняли три пятнадцатиминутных сценария, затем, после небольшого перерыва, еще три. После завершения последнего сценария осуществлялась трехминутная регистрация сердечного ритма в периоде восстановления.

Р(Т) = А • (Т - Т0)в • ехр (-Є • (Т - Т0)°) .

ЯЯТ = 0.5 • ТМ + 0.5 • ДТ.

Регистрация ЭКГ осуществлялась непрерывно на протяжении всего эксперимента с использованием компьютерного электрокардиографа «Омега-М». Осуществлялся расчет стандартных временных и спектральных показателей вариабельности сердечного ритма. Наряду с этим осуществлялся расчет следующих показателей [1]:

Мода (Мо) — наиболее часто встречающееся значение И-И.

Амплитуда моды (АМо) — отношение количества ИИ-интервалов со значениями, равными Мо, к общему количеству ИИ-интервалов в процентах.

Вариационный размах (ДХ)—вычисляется как разница между максимальным и минимальным значениями И-И. Отражает степень вариабельности или размах колебаний значений ИИ-интервалов.

Индекс вегетативного равновесия (ИВР):

ивр=ДО-

Индекс напряжения регуляторных систем (ИН), отражающий степень централизации управления сердечным ритмом:

ИН = 27ДЖШ0У

Анализ переходных процессов сердечного ритма при повышении интенсивности рабочей нагрузке проводили по методике, предложенной Н. И. Саповой [5]. Осуществлялся расчет амплитудных и временных показателей переходных процессов сердечного ритма.

Для оценки кратковременных изменений вариабельности ритма в процессе выполнения тренажерных сценариев выполнялся расчет ОБ-индекса по формуле 5:

*{ЕЕММ)* •{ББММ)*'

где ДДММ — среднее значение кардиоинтервалов за этап наблюдения; ББЫМ — стандартное отклонение кардиоинтервалов за этап наблюдения; { ) — усреднение по интервалу времени; £ — время наблюдения (положение центра окна); а — исходное состояние (3 мин); п — процедура усреднения по окну, ширина которого составляет п отсчетов. В настоящих расчетах СБп (£) ширина окна (п) составила 11 отсчетов ДД-интервалов.

Результаты исследования

Исследование показало, что профессиональный опыт, а также степень трудности задачи и воздействие факторов стресса влияют на успешность выполнения участниками первичной тренажерной задачи и вторичной сенсомоторной задачи.

Для каждого сценария рассчитывался процент ошибок, допущенных испытуемым, на основе чего вычислялся показатель успешности выполнения первичной тренажерной задачи. Использовался ЛМОУЛ с двумя внутригрупповыми факторами: «Трудность задачи» (легкая, средняя, трудная) и «Стресс» (наличие уб., отсутствие стрессового воздействия) и одним межгрупповым фактором «Опыт» (новички уб., опытные операторы). Успешное выполнение сценариев, включающих элементы стрессовых воздействий требовало от испытуемых многозадачной деятельности в условиях дефицита времени и было связано с резким повышением когнитивной рабочей нагрузки, в связи

с чем фактор «Стресс», наряду с фактором «Трудность задачи» мы рассматривали как связанные с высокой информационной нагрузкой. Было установлено, что оба фактора оказывают существенное влияние на успешность выполнения первичной тренажерной задачи. Возрастание трудности тренажерного задания приводит к ухудшению деятельности участников и возрастанию числа ошибок (р < 0,001). При наличии воздействия стресса операторы допускали больше ошибок, чем при их отсутствии (р < 0,001). Выявлены достоверные межгрупповые различия в успешности выполнения задачи управления для стрессовых, но не для простых сценариев. Новички допускали значительно больше ошибок, чем опытные операторы при выполнении стрессовых тренажерных сценариев (р < 0,001).

Показатели выполнения вторичной сенсомоторной задачи были проанализированы сходным образом. Было установлено, что оба фактора, связанные с информационной нагрузкой, оказывают существенное влияние на выполнение вторичной сенсомоторной задачи. Как новички, так и опытные операторы обнаруживали существенное возрастание времени сложной сенсомоторной реакции при выполнении стрессовых сценариев, что свидетельствует о повышенной психологической стоимости адаптации к информационному стрессу (р < 0,001). Также были обнаружены значимые межгрупповые различия (р < 0,01). В процессе выполнения стрессовых, но не простых сценариев, опытные операторы выполняли вторичную сенсомоторною задачу более успешно, чем новички.

Далее исследования показало, что из показателей регуляции сердечного ритма показатель С Б обнаруживает наибольшую чувствительность к воздействию факторов информационной нагрузки. Данный показатель позволяет оценивать изменения вариабельности сердечного ритма за относительно небольшие временные промежутки (7-11 сек.). Пример изменений данного показателя при воздействии фактора стресса представлен на рис. 1. Увеличение значений данного показателя свидетельствует о возрастании уровня физиологической активации оператора.

Время, мин.

Рис. 1. Пример динамики СЯ-индекса при воздействии фактора стресса.

Установлено, что фактор трудности задачи значимо влияет на показатель С Б. При усложнении условий выполняемой тренажерной задачи значения данного показателя существенно возрастают у участников обеих групп (р < 0,001). При выполнении тренажерных задач, связанных с воздействием стресса опытные операторы и новички обнаружили большие значения показателя СБ, чем при выполнении простых тренажерных

задач (р < 0,001). Выявлено достоверное взаимодействие фактора «сложность задачи» и фактора «опыт». Опытные операторы по сравнению с новичками обнаруживают существенно меньший уровень физиологической активации при выполнении сложных тренажерных задач, что свидетельствует о меньшей физиологической «стоимости» их адаптации к повышенным информационным нагрузкам. Результаты анализа представлены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние факторов информационной нагрузки на С'й'-пока-затель у опытных (группа 1) и неопытных (группа 2) операторов.

Далее было установлено, что ряд показателей, предложенных Р. М. Баевским, обнаруживают относительную чувствительность к воздействию факторов нагрузки. Фактор стресса значимо влияет на значения индекса напряжения (ИН) (р < 0,001) и значения показателя адекватности процессов регуляции (ПАПР) (р < 0,001) в обеих группах ис-

Группа 1  Группа 2

140

№

5

X

О»

•€

к

о.

Е

Я

X

Ы

41

С?

X

5

120

100

80

60

40

20

0

/ — г

/ г

.

/

г г /

Нейтральные Стрессовые

Условия

Рис. 3. Средние значения индекса напряжения регуляторных систем (ИН) в процессе выполнения операторами простых и стрессовых тренажерных заданий.

пытуемых. Показатели индекса напряжения при выполнении нейтральных и стрессовых тренажерных заданий представлены на рис. 3. Как видно на рисунке, при выполнении стрессовых тренажерных заданий операторы обнаруживают значительно большие значения индекса напряжения, чем при выполнении простых тренажерных заданий

(р < 0,05).

Достоверного влияния фактора «Трудность задачи» на значения показателей ИН и ПАПР не выявлено (р > 0,05).

В ходе исследования не было обнаружено значимого влияния факторов информационной нагрузки на спектральные показатели вариабельности сердечного ритма.

Далее для стрессовых тренажерных заданий были проанализированы характеристики переходных процессов сердечного ритма в моменты появления стрессовых воздействий. Были выявлены значимые межгрупповые различия в показателях длительности переходных процессов сердечного ритма (р < 0,001). Опытные операторы по сравнению с новичками обнаруживают значительно меньшую длительность переходных фаз сердечного ритма в процессе адаптации к высоким когнитивным нагрузкам, вызванным воздействием стресса. Влияние фактора трудности задачи на показатели переходных процессов сердечного ритма оказалось не значимым (р > 0,05).

Обсуждение результатов

Российскими психофизиологами было разработано большое число физиологических методов оценки эффективности адаптации операторов к высоким информационным нагрузкам. При этом наибольшее практическое применение получили показатели регуляции сердечного ритма, такие как индекс напряжения регуляторных систем, показатель адекватности процессов регуляции, индекс вегетативного равновесия и другие (Баевский Р.М., 1970, 2001).

Основной недостаток данных методов состоит в том, что они оценивают уровень рабочей нагрузки за относительно большой промежуток времени (3 мин. и более) и не позволяют давать моментальную оценку рабочей нагрузки в процессе деятельности, что затрудняет использование данных методов, например, при построении автоматизированных систем мониторинга и поддержки когнитивной деятельности операторов. В связи с этим более перспективным представляется использование метода оценки вариабельности сердечного ритма, получившего название СБ-индекс, разработанного С. В. Божокиным [3]. Для решения задач оптимизации тренажерной подготовки специалистов представляется перспективным также использование подхода, основанного на анализе характеристик переходных процессов сердечного ритма, позволяющего оценить успешность адаптации операторов к специфическим видам рабочих нагрузок.

Настоящее исследование было направлено на изучение способности различных методов оценки вариабельности сердечного ритма выявлять кратковременные изменения уровня информационной нагрузки операторов.

Было обнаружено, что при выполнении тренажерных сценариев, включающих элементы воздействия факторов стресса, операторы обнаруживают значительно большие значения показателя индекса напряжения регуляторных систем (ИН), чем при выполнении не связанных со стрессом сценариев. Это подтверждает данные многочисленных исследований, свидетельствующие о том, что индекс напряжения является надежным признаком степени эмоционального напряжения, переживаемого оператором в процессе работы [1].

Было установлено, что СБ-индекс обнаруживает наибольшую чувствительность к воздействию обоих факторов нагрузки. Возрастание сложности тренажерного задания,

а также предъявление стрессовых воздействий привело к существенному возрастанию средних значений Сй'-индекса у обеих групп испытуемых.

Проведенное исследование подтвердило также информативность динамических показателей, таких как длительность переходных процессов сердечного ритма при изменении рабочей нагрузки. Установлено, что у опытных операторов показатели длительности переходных процессов значимо меньше, чем у новичков, что свидетельствует об их более успешной адаптации к воздействию высоких информационных нагрузок.

Литература

1. Баевский Р. М., Кириллов О. И., Клецкин С. 3. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М., 1984. 225 с.

2. Богомолов А. В., Гридин Л. А., Кукушкин Ю. А., Ушаков И. Б. Диагностика состояния человека: математические подходы. М., 2003, 464 с.

3. Божокин С. В., Негруша Н.А., Иноземцев С. А. Вегетативная модуляция сердечного ритма при психофизиологической нагрузке // Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2007. Приложение 1 (17). С. 332.

4. Жернавков В. Ф., Козловский Э. А. Психофизиологическая оценка подготовленности летчика на пилотажных тренажерах. М., 1981. 55 с.

5. Сапова Н. И. Комплексная оценка регуляции сердечного ритма при дозированных функциональных нагрузках // Физиол. журн. им. Сеченова. 1982. 68, 8, С. 1159-1164.