УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к устройствам оценки психофизиологического состояния организма человека, и может быть использовано для оценки психофизиологического состояния человека в повседневных условиях, при его работе в качестве оператора, а также для сравнительной оценки психофизиологического состояния операторов.
Для оценки психофизиологического состояния человека на практике используют уровень стресса. Под воздействием стресса организм человека испытывает стрессовое напряжение. Стресс, по Г.Селье, это напряженное состояние организма, любое состояние человека считается не лишенным стресса, т.е. это "неспецифический (физиологический) ответ организма на любое предъявленное ему требование" (Селье Г. Стресс без дистресса. - М.: Прогресс, 1979).
Известны устройства, являющиеся реализацией известных способов оценки психофизиологического состояния человека по стрессу (RU 2013990 А 1, МПК А 61 В 5/02, 1994; RU 2073484 А1, МПК А 61 В 5/02, 1997; RU 2133959 А1, МПК G 01 N 33/48, 1999; RU 2147831 А 1, МПК А 61 В 5/02, 2000), имеющие в своем составе блок измерения физиологических параметров, блок вычисления оценки психофизиологического состояния человека и индикатор. В качестве физиологических параметров используются: частота сердечных сокращений, частота дыхания, артериальное давление, кожногальваническое сопротивление, оптический показатель преломления слюны. Использованные в указанных выше патентах оценки уровня стресса являются ненормированными (их значения могут меняться в произвольном диапазоне) и нелинейными, приводящими к гиперчувствительности. Этими оценками можно пользоваться только для контроля динамики состояния конкретного человека и только на коротком промежутке времени. Невозможно сравнение приращений оценок уровня стресса для различных психофизиологических состояний человека, поскольку приращения оценок уровня стресса будут зависеть не только от внешнего воздействия, но и от текущего уровня стресса. Ни одно устройство не позволяет получить
линейность оценок уровня стресса. На эти недостатки оценок психофизиологического состояния обращено внимание в книге (Практическая кардиоритмография. 2-е издание, переработанное и дополненное.: Научно-производственное предприятие "Нео", 1999. С. 106).
Сердечно-сосудистая система является показателем адаптационно-приспособительной деятельности всего организма, поэтому для оценки стрессового состояния организма человека часто используют функциональное состояние сердечно-сосудистой системы.
Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для оценки психофизиологического состояния человека, основанное на измерении физиологического параметра человека - ритма сердца, и реализованное в устройстве оценки операторской деятельности (RU 33495 U1, МПК А 61 В 5/16, 2003), которое выбрано в качестве прототипа.
Устройство-прототип, являющееся частью устройства (RU 33495 U1, МПК А 61 В 5/16, 2003), можно представить в виде последовательно соединенных датчика сигнала сердечного ритма, формирователя динамического ряда кардиоинтервалов, блока спектрального анализа, блока вычисления индекса стресса и индикатора.
С помощью датчика сигнала сердечного ритма осуществляется съем с испытуемого сигнала сердечного ритма, соответствующего сигналам R-зубцов кардиосигнала и измерение длительностей кардиоинтервалов. Формирователь динамического ряда кардиоинтервалов формирует исходный динамический ряд кардиоинтервалов. После чего осуществляет сплайн-интерполяцию динамического ряда кардиоинтервалов. Затем формируется динамический ряд кардиоинтервалов через равные промежутки времени, который поступает на блок спектрального анализа. Блок спектрального анализа осуществляет спектральный анализ динамического ряда кардиоинтервалов. Блок вычисления индекса стресса вычисляет по измеренным значениям мощности низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов индекс стресса S по формуле
где LF - измеренная мощность низкочастотной составляющей спектра динамического ряда кардиоинтервалов,
HF - измеренная мощность высокочастотной составляющей спектра
динамического ряда кардиоинтервалов,
LF+HF - измеренная суммарная мощность высокочастотной и низкочастотной составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов.
Полученный результат расчета отображается на индикаторе.
Недостатком устройства прототипа является нелинейный характер изменений значений индекса стресса, выражающийся в растянутости шкалы значений индекса стресса при высоких индексах стресса (гиперчувствительность). Этими оценками можно пользоваться только для контроля динамики состояния конкретного человека и только на коротком промежутке времени.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в создании устройства для оценки психофизиологического состояния человека, обеспечивающего возможность сравнительной оценки изменчивости психофизиологического состояния как отдельного человека для разных состояний, так и группы людей.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящей полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей устройства для оценки психофизиологического состояния человека за счет обеспечения формирования значений индекса стресса с линейными приращениями при изменении уровня стрессированности организма человека.
Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в устройство для оценки психофизиологического состояния человека, содержащем последовательно соединенные датчик сигнала сердечного ритма, формирователь динамического ряда кардиоинтервалов, блок спектрального анализа, блок вычисления индекса стресса, а также индикатор, дополнительно между блоком вычисления индекса стресса и индикатором введен блок формирования линейной оценки индекса стресса.
Поставленная задача решается также тем, что блок формирования линейной оценки индекса стресса выполнен с возможностью оценки физиологической стоимости деятельности St человека по формуле
где  и  - соответственно измеренные среднее значение индекса стресса до
начала деятельности на интервале наблюдения не менее двух минут и среднее значение индекса стресса за время деятельности.
Совокупность указанных отличительных признаков заявляемой модели является новой.
Возможность формирования значений индекса стресса SS с линейными приращениями при изменении уровня стресса организма человека обеспечивается при постоянном отношении максимального размаха значений индекса стресса Dev к его
среднему значению S на интервале измерения.
Соблюдение этого условия при оценке психофизиологического состояния на основе индекса стресса, вычисляемого по измеренным значениям мощностей низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов, подтверждено экспериментально. Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства для оценки психофизиологического состояния человека;
на фиг.2 приведены экспериментальные данные зависимости максимального
размаха флуктуации индекса стресса Dev от среднего значения индекса стресса S
на интервале измерения(абсцисса - S, ордината - Dev), на фиг.3 приведена зависимость, связывающая линеаризованные значения индекса стресса SS от индекса стресса S в логарифмическом масштабе (абсцисса -S, ордината -SS);
на фиг.4 приведена зависимость, связывающая линеаризованные значения индекса стресса SS и индекса стресса S (абсцисса - S, ордината - SS);
на фиг.5 приведен график полета на вертолетном тренажере, на котором представлены зависимости высоты полета и линейного индекса стресса SS во времени (абсцисса - время [мин.], ордината - высота полета Н [м], индекс стресса SS в масштабе 400:1).
Предлагаемое устройство для оценки психофизиологического состояния содержит последовательно соединенные датчик 1 сигнала сердечного ритма, формирователь 2 динамического ряда кардиоинтервалов, блок 3 спектрального анализа, блок 4
вычисления индекса стресса, блок 5 формирования линейной оценки индекса стресса и индикатор 6.
Блоки 1-4 и 6 не имеют конструктивных особенностей по сравнению с прототипом.
Блок 5 формирования линейной оценки индекса стресса осуществляет преобразование значения индекса стресса S в линеаризованные значения индекса стресса SS.
Устройство может быть реализовано на основе микропроцессоров или персонального компьютера. Объем загрузочного модуля составляет порядка 200 Кб.
Все системы человеческого организма непрерывно флуктуируют (Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: новый диалог с природой. - М.: Прогресс, 1986.-432 с.). Спонтанные флуктуации психофизиологического состояния организма, находящегося в стандартных условиях (покой, положение лежа), когда отсутствует внешнее физическое и информационное воздействие, а внутреннее состояние стабилизировано на уровне покоя, отражают внутренние физиологические сдвиги исходного психофизиологического состояния. Значения оценки психофизиологического состояния испытуемого, в качестве которой используется индекс стресса S, вычисляемый в блоке 4 по формуле (1), оказываются флуктуирующими на интервале измерения. Далее по тексту фраза "флуктуации значений индекса стресса" будет говорить о спонтанных колебаниях психофизиологического состояния человека, находящегося в стандартных условиях, и без воздействия внешних раздражителей.
В общем виде текущее значение индекса стресса S можно записать в таком виде
где: S - постоянная часть значения индекса стресса S, определяющая среднее значение индекса стресса на интервале измерения;
~
S- переменная часть значения индекса стресса S, определяющая флуктуации
уровня стресса. Переменную часть значения индекса стресса S представим в следующем виде
1
где F, - функция с нулевым математическим ожиданием и единичным максимальным размахом, определяющая флуктуации значений индекса стресса,
Dev - максимальный размах флуктуации индекса стресса,
max
min
S, S - соответственно максимальное и минимальное значения индекса стресса на интервале измерения.
Для установления связи между значениями Dev и  при использовании в качестве оценки психофизиологического состояния индекса стресса S, вычисляемого по формуле (1), был проведен эксперимент для сбора статистических данных. Для всех испытуемых (15 женщин и 15 мужчин, возрастом от 10 до 65 лет), которые находились в стандартных условиях: покой, положение лежа, - каждое утро осуществлялась регистрация кардиосигнала для измерения длительности кардиоинтервала. Для получения первого значения индекса стресса накапливались кардиоинтервалы в течение двух минут. Этот интервал является минимальным временным окном для измерения индекса стресса и определяется нижней частотой анализируемого диапазона низкочастотных составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов [0.04-0.15] Гц в соответствии с рекомендациями для этого диапазона из работы (Heart Rate Variability Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use.// European Heart Journal. - 1996. - V. 17.-p. 354-381).
Флуктуации значения индекса стресса измерялись на интервале две минуты и на этом же интервале определялись максимальный размах флуктуации Dev индекса стресса и его среднее значение . Каждому максимальному размаху флуктуации Dev индекса стресса приводилось в соответствие его среднее значение . С группой испытуемых было проведено 1636 экспериментов и было получено 1636 пар значений Dev и , которые представлены на фиг.2. На основе экспериментальных данных видно (см. фиг.2), что существует связь между средним значением индекса стресса S и максимальным размахом флуктуации индекса стресса Dev, которую можно описать с помощью уравнения линейной регрессии вида
Для расчета коэффициента k линейной регрессии с помощью метода наименьших квадратов, границ доверительных интервалов и коэффициента корреляции используется программная среда Microsoft Excel 2002. Обработанные данные эксперимента по всем испытуемым приведены в виде регрессионной статистики в таблице 1, в виде дисперсионного анализа в таблице 2 и статистики коэффициента k в таблице 3.
Проверка значимости рассчитанных данных осуществляется на основе методики, изложенной в книге (Макарова Н.В., Трофимец В.Я.// Статистика в Excel: Учеб. Пособие.- М.: Финансы и статистика, 2002. С. 271-282).
Рассчитанный коэффициент регрессии k равен 0.808.
2
Значение множественного коэффициента детерминации R≈0.81 (таблица 1) показывает, что с 95% уровнем надежности 81 % вариации максимального размаха значений индекса стресса Dev объясняется вариацией значений индекса стресса. Качественная оценка этой связи выявляется на основе шкалы Чеддока в таблице 4 (Макарова Н.В., Трофимец В.Я.// Статистика в Excel: Учеб. Пособие.- М.: Финансы и статистика, 2002. С. 252) и характеризуется как высокая.
ρ
Рассчитанный уровень значимости α=2.11 Е-180.05 (показатель Значимость F в
2
таблице 2) подтверждает значимость R.
ρ
Коэффициент линейной регрессии k является значимым на основе значений показателя Р-Значение в таблице 3, которое меньше заданного уровня значимости α=0.05.
На основе экспериментальных данных выражение (5) можно записать в виде
Выражение (7) показывает, что полученный по результатам экспериментальных данных максимальный размах флуктуации  индекса стресса прямо пропорционален его среднему значению S.
Зависимость максимального размаха флуктуации значений индекса стресса от его среднего значения определяет нелинейность оценки психофизиологического состояния человека. Эта нелинейность выражается в неодинаковых приращений значений индекса стресса для разных уровней стрессированности человека при воздействии одного и того же раздражителя.
Однако, для линейности оценки психофизиологического состояния человека требуется, чтобы максимальный размах флуктуации индекса стресса для человека, находящегося в стандартных условиях и не подверженного воздействиям, не зависел от среднего уровня стресса и был постоянен.
Перейдем к индексу стресса SS вычисляемому согласно выражению
Подставим в выражение (8) выражение (7)
В формуле (9) максимальный размах флуктуации индекса стресса определяется выражением Ln(l+k) и является постоянным, не зависящим от среднего значения индекса стресса .
Очевидно, что логарифмирование, сделав амплитуду флуктуации независимой от уровня индекса стресса, позволяет получить линейность оценки индекса стресса и обеспечить формирование значений индекса стресса с линейным приращением в зависимости от уровня стрессированности организма человека. За счет постоянства отношения максимального размаха флуктуации значений индекса стресса к среднему значению индекса стресса нелинейность оценки индекса стресса скомпенсирована нелинейной процедурой логарифмирования.
2
2
2
2
Для сохранения нормированности линейного индекса стресса SS по отношению к индексу стресса S принимаем, что значения индексов стресса S и SS равны на уровне 0.01, и при стандартных условиях измерения (покой, лежа на спине) для среднестатистического человека значения индексов стресса S и SS равны 7. Это единичное значение индекса стресса соответствует экспериментальным данным (LF=1170 [мс], HF=975 [мс]), приведенным в (Heart Rate Variability Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use.// European Heart Journal.-1996.-V. 17.-p. 354-381), и полученных в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине) для большой популяции людей независимо от пола, возраста и других факторов и принимаемых за норму. Значения LF=1170 [мс}, HF=975 [мс], подставленные в выражение (1), дают значение индекса стресса S равное 1. Перепишем выражение (8) в виде
где А и В- введенные нормировочные коэффициенты. Подставим в выражение (10) пары значений (SS=0.01, S=0.01) и (SS=1,S=1)
Выражения (11) и (12) представляют систему уравнений относительно коэффициентов А и В. На основе соотношений (11) и (12) определяем А=0.215, 5=7 и выражение (10) для линейной оценки индекса стресса SS примет вид
На фиг.3 представлен график, иллюстрирующий зависимость линейного индекса стресса SS от индекса стресса S согласно выражению (13) и представляющий собой прямую линию в логарифмическом масштабе.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Датчик 1 сигнала сердечного ритма осуществляет съем с испытуемого сигналов сердечного ритма (например, на основе нагрудного пояса фирмы "POLAR", снимающего сигналы R-зубцов кардиосигнала), и измеряет длительность кардиоинтервалов.
Формирователь 2 динамического ряда кардиоинтервалов формирует исходный динамический ряд кардиоинтервалов. После чего осуществляет в соответствии с методическими рекомендациями из работы (Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем / Баевский P.M. и др.// Вестник аритмологии, №24, 2001, с 65-87) сплайн-интерполяцию динамического ряда кардиоинтервалов для соединения экспериментальных точек значений кардиоинтервалов не ломаной линией, а гладкой кривой. Затем формируется динамический ряд кардиоинтервалов через равные промежутки времени, который поступает на блок 3.
Блок 3 спектрального анализа осуществляет спектральный анализ динамического ряда кардиоинтервалов на основе быстрого преобразования Фурье, измеряет спектральную мощность сигнала раздельно низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) составляющих и суммарную спектральную мощность низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра, например, на основе рекомендаций, приведенных в работе (Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем / Баевский P.M. и др.// Вестник аритмологии, №24, 2001, с 86).
Блок 4 вычисления индекса стресса проводит расчет индекса стресса S по формуле (1).
Блок 5 формирования линейной оценки индекса стресса осуществляет преобразование значения индекса стресса S в линеаризованные значения индекса стресса SS по формуле (13). Блок 5 имеет возможность вычислять среднее значение индекса стресса до начала
деятельности  на интервале наблюдения не менее двух минут, хранить полученный результат в памяти, вычислять среднее значение индекса стресса за время деятельности  и рассчитывать физиологическую стоимость деятельности St по формуле (2)
Индикатор 6 осуществляет отображение текущих значений индекса стресса SS в виде графика временной зависимости (см. фиг.5). Кроме того, на индикатор 6 может выводиться значение физиологическую стоимость деятельности St. Работа устройства проиллюстрирована фиг.4, фиг.5 и таблицей 5. На фиг.4 приведен график зависимости в соответствии с выражением (13) линейного индекса стресса SS от индекса стресса S с экспериментальными данными для двух
испытуемых, имеющих разные средние значения индекса стресса S: 10.0 и 40.0 соответственно, полученные в стандартных условиях. Размах максимальных флуктуации индекса стресса у каждого, соответственно, был равен (S12-S11) и (S22-S21), Очевидно, что (S12-S11)<(S22-S21). При вычислении индекса стресса SS при использовании заявляемого устройства максимальный размах колебаний индекса стресса у каждого испытуемого становится примерно одинаковым: (SS12-SS11) f(SS22-SS21). Операция логарифмирования позволяет обеспечить линейность оценки психофизиологического состояния человека, что дает возможность проводить сравнение приращения оценок психофизиологического состояния человека для разных людей.
На фиг.5 представлен график полета на вертолетном тренажере при облете нефтяных платформ с посадкой на платформу. На графике высота полета Н отсчитывается от уровня моря. Значения индекса стресса SS представлены в масштабе 400:1, то есть значение 400 по оси ординат соответствует значению индекса стресса SS равному 1. Наибольший стресс у пилота вызывает посадка на платформу. Набор высоты и последующий полет на высоте характеризуется уменьшением психофизиологической нагрузкой и соответственно уровнем стрессированности пилота. На этом графике явно прослеживается обратная зависимость уровня индекса стресса SS от высота полета Я. Наличие инерционности развития стресса в организме пилота приводит к смещению максимумов значений индекса стресса SS относительно минимумов значений высоты Н полета, что видно на фиг.5. В целом индекс стресса SS успешно характеризует
динамику стрессированности пилота при изменении психофизиологической нагрузки, связанной с параметрами полета, в частности, с изменениями высоты полета при посадке на платформу.
В таблице 5 приведены данные оценки психофизиологического состояния пилотов во время тренировочного полета на вертолетном тренажере и расстановки их по рейтингу. Перед пилотами ставилась тренировочная задача по пилотированию на вертолетном тренажере. Все пилоты справлялись с задачей пилотирования, но одни затрачивали больше психофизиологических усилий, другие меньше. С другой стороны, исходный уровень психофизиологического состояния у всех пилотов перед тренировкой разный. В таблице 5 приведены экспериментальные данные средних значений индекса стресса
SS^ пилотов до тренировки (время измерения 2 минуты) и SS^ за время тренировки на
вертолетном тренажере. В последнем столбце таблицы 5 приведена физиологическая стоимость тренировки St, которая рассчитывалась согласно выражению (2)
Применение предлагаемого устройства позволяет сравнивать между собой результаты изменений психофизиологического состояния не только одного человека в разное время и в разном состоянии, но и разных людей в разных условиях. Все испытуемые представлены в таблице 5 в соответствии с рейтингом, за основу которого было взято значение St. Кроме того, появляется возможность рассчитать среднюю оценку состояния для группы людей и осуществлять все расчетные действия с изменениями психофизиологического состояния группы людей в целом. Ранее это было невозможно из-за нелинейности характера оценки психофизиологического состояния. Средние значения индекса стресса до и за время тренировки для испытуемых пилотов приведены в последней строке таблицы 5.
Из анализа таблицы 5 видно, что физиологическая стоимость тренировки наименьшая у первого испытуемого, хотя его психофизиологическое состояние до тренировки было не самым лучшим. Благодаря хорошей летной подготовке первого испытуемого решение задач в тренировочном процессе далось ему гораздо легче, чем остальным пилотам. Испытуемый под пятым номером имел наилучшие психофизиологические показатели до тренировки, но из-за плохой летно-технической подготовки тренировка на тренажере явилась для него большой нагрузкой.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает возможность сравнительной оценки изменчивости психофизиологического состояния организма человека как отдельного индивидуума для разных состояний, так и группы людей.
Таблица 1
Регрессионная статистика
Коэффициент корреляции R
0.805588
Коэффициент детерминации R<sup>2</sup>
0.648972
Нормированный R<sup>2</sup>
0.635459
Стандартная ошибка
0.635459
Таблица 2
Дисперсионный анализ
df
SS
MS
F
ЗначимостьF
Регрессия
1
572.1862
572.1862
136.8094
2.11Е-18
Остаток
74
309.4947
Итого
75
881.6809
Таблица 3
Статистика коэффициента К
Коэффициент
Стандартная ошибка
t-статистика
Р-Значение
Нижние 95%
Верхние 95%
0.807987
0.054143
14.92322
5.15Е-24
0.700105
0.915869
Таблица 4
Теснота связи
Значение коэффициента корреляции при наличии:
прямой связи
Обратной связи
Слабая
0.1-0.3
(-0.1)-(0.3)
Умеренная
0.3-0.5
(-0.3)-(-0.5)
Заметная
0.5-0.7
(-0.5)-(-0.7)
Высокая
0.7-0.9
(-0.7)-(-0.9)
Весьма высокая
0.9-0.99
(-0.9)-(-0.99)
Таблица 5
Испытуемый
Средний индекс стресса до тренировки <img he="6" wi="9" file="00000023.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Средний индекс стресса за тренировку <img he="6" wi="9" file="00000024.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Физиологическая стоимость тренировки (St)
№1
1.6529
1.7943
0.1414
№2
1.0454
1.1990
0.1536
№3
1.9087
2.0876
0.1789
№4
1.0876
1.3482
0.2606
№5
0.5213
0.8974
0.3761
Среднее по группе
1.2432
1.4653
0.2221