Применение гетерогенных нечетких моделей для комплексной оценки уровня функционального резерва человека

УДК 615.47.

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕТЕРОГЕННЫХ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО РЕЗЕРВА ЧЕЛОВЕКА А.Н. Коростелев, Н.А. Кореневский

В работе рассматриваются вопросы определения уровня функционального резерва человека по комплексу таких разнородных показателей, как энергетический разбаланс меридианных структур, психоэмоциональное напряжение, умственное и физическое утомление, параметры пульса и артериального давления при воздействии дозированных умственных и физических нагрузок на основе использования гетерогенных нечетких моделей

Ключевые слова: уровень функционального резерва, психоэмоциональное напряжение, умственное утомление, физическое утомление, гетерогенные нечеткие модели

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших характеристик организма человека характеризующих его способность адекватно взаимодействовать с окружающей средой и непосредственно влияющих на состояние здоровья человека является его функциональный резерв.

От того насколько корректно и точно оценивается функциональный резерв организма и (или) его отдельных систем, зависит успешное решение целого ряда практически важных задач человеческой деятельности: от качественного управления информационно-насыщенными системами до эффективной организации медицинской помощи населению [1,3].

Известен целый ряд методических подходов к определению функциональных резервов организма в целом, его функциональных систем и отдельных органов. Однако, несмотря на достигнутые успехи, проблемы адекватной оценки функционального резерва и его связи с практическими задачами психологии и медицины (оценка эффективности работы человеко-машинных систем, прогнозирование и ранняя диагностика заболеваний и т.д.) остается далекой до своего окончательного решения.

МЕТОДЫ

С физиологической точки зрения понятия величина и уровень функционального резерва экспертами точно не определяются. Различные эксперты сравнивают эти понятия со сбалансированностью организма с внешней средой, с готовностью к успешному выполнению трудовой деятельности, с готовностью организма к противостоянию внешним неблагоприятным факторам и т. д.

Учитывая нечеткую природу понятия «Функциональный резерв» и нечеткую природу возможной классификации этого понятия в качестве основного математического аппарата была выбрана-теория нечеткой логики принятия решений. Из этой

Коростелев Андрей Николаевич - ЮЗГУ, аспирант, тел. (4712) 58-70-98

Кореневский Николай Алексеевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4712) 58-70-98

теории нами были выбраны два подхода. Подход, основанный на использовании функций принадлежности к исследуемым классам состояний ю( механизм построения, которых описан в работе Л. Заде [17] и подход использующий коэффициент уверенности в гипотезе юг, механизм получения и расчета которых предложен Е. Шортлифом [14,15] и их модификации [5].

В качестве исходных признаков определяющих классификацию и уровень функционального резерва (ФР) организма и его подсистем на экспертном уровне были выбраны: энергетические характеристики меридианных структур изменяющиеся при изменении уровня ФР; уровень психоэмоционального напряжения (ПЭН); уровень физического утомления (УФУ); уровень умственного утомления (УУУ); частота пульса (ЧП); величина систолического (САД) и диастолического (ДАД) артериального давления.

Естественно этот список может быть расширен с учетом медико-технических возможностей и особенностей решаемых задач.

Согласно рекомендациям [3] выбранные (или другие обосновано вводимые) признаки х/, определяемые непосредственно в ходе измерений или рассчитываемые с помощью соответствующих методик, определяются до и после дозированных физических и (или) умственных нагрузок. После этого определяется отношение измеряемого (или рассчитываемого) показателя до нагрузки (х/0) к значению этого же показателя, измеренного после нагрузочной пробы (хн):

х.0

У. = -/°

1 х.

/н

Вновь полученные показатели У. можно использовать как базовые переменные функций принадлежностей к различным показателям (классам) характеризующим функциональный резерв организма и (или) его подсистем. Например можно выделить такие классы характеризующие ФР организма:

а>0 - оптимальный функциональный резерв здорового человека, позволяющий нормально и

надежно функционировать при разумно повышенных нагрузках.

(о1 - удовлетворительный функциональный резерв, позволяющий нормально функционировать в обычных условиях без значительных перегрузок (йг - неудовлетворительный функциональный резерв, при котором высоки риски появления и развития заболеваний и (или) непредвиденных сбоев в работе из-за недостатка резервных возможностей организма

В качестве примера на рис 1 показаны графики функций принадлежностей к выбранным классам

Рис. 1. Варианты распределения функций принадлежностей по классам ю( (1 = 0,1,2) с базовой переменной У]

Величина /и™, < 1,0 ограничивающая максимальные значения функций принадлежностей отражает мнение экспертов о том, насколько можно доверять показателю УJ при классификации ФР. Если эксперты считают, что выбранный показатель надежно характеризует такое понятие как функциональный резерв организма, то и = 1,0.

В практических приложениях для оценки функционального резерва и его классификации часто используют несколько показателей определяемых из соотношения (1). При этом доля уверенности в приведенной классификации при использовании одного показателя может быть не велика.

В таком варианте может ставиться и решаться задача поиска таких частных (по каждому из используемых показателей У]) функций принадлежностей и способов их агрегации, которые позволяют получить приемлемое для практики качество классификации.

Если обеспечить выбор показателей и соответствующих функций принадлежностей таким образом, что использование каждой из них не уменьшает уверенность в принимаемом решении о классификации ФС то в соответствии с рекомендациями [14] общая уверенность в исследуемых гипотезах ю( может определяться с помощью «накопительной» итерационной формулы Е. Шортлифа:

КУ^

где КУ (1) - коэффициент уверенности в классификации ю( (1 = 0,1,2 ) после того как проанализировано 1 показателей У. ; (У*/+]) - величина

функции принадлежностей вычисленная для базо-

вой переменной с номером 1+1 в точке У*; КУщ

Среди выделяемых классов состояний и соответствующих им функций принадлежностей особый интерес представляет собой класс оптимального функционального резерва с функцией принадлежностей (У1) . Для этой функции принад-

лежности справедливо заключение о том, что чем «дальше» организм человека находится от понятия оптимальный функциональный резерв, тем меньше (У1) и тем меньше уровень этого резерва. Таким образом, величина (У) может характеризовать уровень функционального резерва организма. Причем в общем виде функция принадлежностей /ищ (У1) построенная для решения классификационных задач может совпадать с функцией принадлежностей ци (У,), строящейся экспертами для определения уровня ФР, но может и не совпадать с ней. Если при этом для оценки уровня ФР используется несколько показателей, каждый из которых позволяет внести свой «положительный» вклад в оценку уровня функционирования исследуемых подсистем или организма в целом, то аналогично (1), можно интегральные уровни ФР оценивать с помощью выражений вида:

иБ

иБ

где ОТ(1) - уровень функционального резерва определенный после привлечения к расчетам 1 показателей; (У *+1) - величина функции принадлеж-

ностей к классу а>0 по показателю с номером 1+1,

определенная в точке У*, при условии, что для оценки уровня ФР используется классификационная функция принадлежности к классу а>0;

Ми(У */+1) - функция принадлежностей к классу а>0 специально определяемая экспериментами для оценки уровня ФР.

Характерной особенностью формул (3) и (4) является их накопительное свойство, заключающееся в том, что при введении в расчеты каждого из используемых показателей У1 обеспечивается увеличение расчетного уровня ФР. В практических исследованиях такой механизм расчета уровня ФР не всегда приемлем.

Возможен вариант, когда нарушения в функционировании хотя бы одной из подсистем приводит к нарушению функционирования целостной системы или подсистемы более высокого уровня, тогда оценку уровня ФР по совокупности измеряемых параметров У1 характеризующих уровень ФР подсистемы с номером 1 следует производить в соответствии с выражениями:

Ш = т/п

Ш = т/п

Анализ поведения исходных признаков при определении параметров У1 (формула 1) показывает, что при проведении нагрузочных проб вначале происходит изменение х1 от х10 до х1н, а затем текущее значение х1 с различным темпом (в зависимо -сти от уровня ФР) вновь стремится возвратиться к значению х10. Такая тенденция в поведении х1 позволила экспертам сделать вывод о целесообразности включения в расчеты по оценке уровня ФР не только отношение вида (1), но и показатели динамики возврата х1 к х10. В предлагаемой работе учет динамики х1 при определении уровня ФР предлагается осуществлять с помощью введения двух нечетких поправок к (У1) или /ии(У1) увеличи-

вающих точность оценки исследуемого уровня.

Для получения нечетких поправок введем два временных показателя: ^ - время наблюдения ^ -время возврата х1 к х10 после выполнения нагрузочной пробы. Время наблюдения определяется исходя из разумных ограничений на время проведения исследований.

Для получения нечетких поправок для каждого показателя У1 определим функции принадлежностей к понятиям максимальная поправка по выбранной базовой переменной.

В качестве первой базовой переменной выберем время возвращения х1 к х10, если 1в1< 1н1. В качестве второй базовой переменной С1 выберем величину разности между х1 и х10, если 1в1> 1н1. С учетом того, что для различных типов показателей значения У10 может быть как больше, так и меньше У1н , величину базовой переменной С1 будем определять из соотношения:

С =

У10 - У1, если У10 > Уш

У- У,0, если У,0 < У,

Максимальные значения Ит и Ит вводимых функций принадлежностей первой и второй базовой переменной будем определять как мнение экспертов о том насколько максимально могут быть увеличены уровни ФР определяемые через функции принадлежностей /иШо (У ) или Ии (УI ) , если

учитывать динамику возврата х1 к х10.

Если при построении функций принадлежностей к понятием максимальная поправка с базовой переменной 1В1

или ии(У1), то функции принадлежностей определяющие уровень функционального резерва по показателю У1 могут быть скорректированы с использованием выражения для алгебраической суммы функций принадлежностей:

Ии

Ии (У1 ) + и (tв1 ) Ии (У1 )  (tв1 ), если t в < 1н

Ии (У1 ) + ^п (С1 ) — Ии (У1 )  ^п (С1 ), если ^ в > ^н

РЕЗУЛЬТАТЫ В ходе специально проведенных исследований было установлено, что одним из индикаторов функционального резерва (ФР) организма является энергетическая реакция меридианных структур. Например, в работах А.Н. Нечушкина показывается, что низкое сопротивление точки пособника (Р) говорит о гипофункции (дистрофии), а высокое сопротивление - о гиперфункции систем формирующих энергетику меридиана [11].

С учетом этого для каждого из меридианов И показатель У1 определили как отношение:

У * =

К„

где Яр*(0) - сопротивление точки пособника меридиана И измеренная до нагрузки, Яр* (Н) - после нагрузки.

Типовой график функций принадлежностей к понятию оптимальной ФР ии (У *) приведен на рис

2.

Ии

Аналогично корректируется функция принадлежностей Иш (УI ) .

1,0 3,0

Рис. 2. Типовой график функций принадлежностей к понятию оптимальной функциональный резерв по меридиану И.

Нижнее ограничение для меридиана И на уровне и2" определяет тот факт, что для живого организма нет смысла говорить о нулевом уровне функционального резерва, тем более по энергетическому состоянию одного меридиана.

Для всех участвующих в анализе ФР меридиан организма уровень функционального резерва определяется модифицированным выражением

ОТМ

где ОТм(1)= а1  ни(У1) '> а* < 1 - коэффициент определяющий вклад меридиана И в оценку уровня общего ФР организма определяемого по всей меридианной структуре организма.

Введение коэффициента а* позволяет реализовать раздельные механизмы оценки функционального резерва отдельных систем организма «связанных» с одним мередианом в диапазоне [0,.. .,1] и организма в целом в том же диапазоне.

При отсутствии этого коэффициента в выражении (8) будет наблюдаться не естественная (с психофизиологической точки зрения) логика оценки ФР, связанных с тем, что если хотя бы один меридиан сбалансирован так, что соответствующий функциональный резерв близок к единице, то расчеты покажут близость к единице уровня ФР всего

организма, что противоречит естественной логике принятия решений.

Введении а* позволяет экспертам установить «вклад» ФР каждой рассматриваемой системы в общий функциональный резерв организма. При равноправном вкладе всех меридиан в общей ФР организма удобно выбрать

ак = 1 /12 = 0,08

Уровень ФР по измерениям психоэмоционального напряжения (ПЭН) определяется по показателям характеризующим состояние внимания и памяти, а также по энергетической реакции БАТ связанных с психоэмоциональной сферой (точки Я8, УБ20, Р9) в соответствии с методикой приведенной в работе [8].

Для этой составляющей показатель Ур определяется выражением:

У = №( 0;

' UP(H) ’

где иР(0) - уровень ПЭН до нагрузки; иР(Н) - уровень ПЭН после нагрузки.

Уровень ФР по признаку ПЭН определяется выражением

=н

Аналогично определяется уровень ФР по признакам умственного иРУУ и физического иРРУ утомления, уровень которых определяется с помощью накопительной формулы Е. Шортлифа в соответствии с выражениями полученными в работах [9,13].

Уровни ФР определяемые по нагрузочной вариации артериального давления (ОТдв) и частоты пульса (ИРщ) определяются по показателям отношения соответствующих признаков получаемых их прямым измерением.

Уровень функционального резерва всего организма определяется модификацией выражения (4):

ОТОа+1)=иГО0)+ вч Ш8[1-ОТО0)],

где иРО(1)=иРм; 8=Р,УУ,РУ,ЛБ,ЧП; Рд - весовой

коэффициент составляющий для определения уровня ФР вводимый аналогично а * .

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ

В ходе проводимых исследований нами изучались информативная ценность показателей характеризующих уровень ФР при решении задач ранней диагностики для таких заболеваний как заболевания нервной системы (класс шН ), системы пищеварения (класс шП), сердечно-сосудистой системы (класс шС).

На рис. 3 приведены графики функций принадлежностей к классам ранняя стадия этих заболеваний.

Анализ приведенных графиков показывает, что только по уровню ФР нельзя судить с достаточной уверенностью о наличии ранних стадий исследуе-

мых классов заболеваний. Однако, как показывают результаты проведенных исследований, в составе с другими информативными признаками может быть обеспечена уверенность в принимаемых решениях на уровне 0,85 и выше, что вполне приемлемо для использования в медицинской практике.

в)

Рис. 3. Функции принадлежностей к классам ранняя стадия заболеваний нервной системы, системы пищеварения и сердечно-сосудистой системы с базовой переменной иР0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работами многочисленных ученых было убедительно показано, что для целого ряда заболеваний, одним из существенных факторов риска является значительное снижение функционального резерва. Этот же фактор оказывает существенное влияние на качество функционирования сложных человеко-машинных систем, где существенную роль играет человеческий фактор.

Существует значительное количество работ по определению уровня ФР с использованием психологических тестов и аппаратуры для контроля физиологических и психофизиологических параметров, однако надёжных общепринятых количественных оценок этого свойства организма человека до сих пор не получено. Нет определённости и в точном определении этого понятия у различных специалистов рассматривающих феномен сущности ФР с различных точек зрения ( физиологи, клиницисты, психологи и др.).

Использование разнородных показателей характеризующих различные уровни функционирования организма позволяет учесть системный характер такого свойства организма человека как его функциональный резерв. Использование аппарата нечёткой логики принятия решений позволяет корректно учитывать неопределённость рассматриваемого параметра в сочетании с нечётким пониманием его свойств специалистами использующими это свойство в своей практической работе. Кроме того

нечёткая оценка уровня ФР позволяет легко встраивать этот показатель в системы нечёткого вывода решающие широкий круг задач в области медицинской и психологической диагностики, профессионального отбора, профессиональной ориентации и т.д.

Работа была выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Государственный контракт №П424.

Литература

1. Анохин, П.К. Очерки по физиологии функциональных систем [Текст] / П.К. Анохин. М.: Наука, 1972. 372 с.

2. Ахутин, В.М., Комплексная оценка функционального состояния человека-оператора в системах управления [Текст] / В.М. Ахутин, А.М. Зингерман, М.М. Кис-лицин и др. Проблемы космической биологии. Т. 34, М., 1977. С. 120-125.

3. Баевский, Р.М. Оценка адаптационных возможностей организма и риск развития заболеваний [Текст] / Р.М. Баевский, А.П. Берсенева. М.: Медицина, 1997. 235с.

4. Гаваа Лувсан. Очерки методов восточной терапии [Текст] / Гаваа Лувсан.-3-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск: Наука. Сиб. От-ние, 1991. 432с.

5. Riad Taha Al-Kasasbeh, Korenevskii N. A., Ionescu F., Kuzmin A.A. “Synthesis of the Combined Fuzzy Rules for Medical Applications with Using Tools of Exploration Analysis”. Proc. 4th IAFA Intern. Conference Interdisciplinary Approaches in Fractal Analysis, Bucharest, Romania, May 26-29, 2009 ISSN 2066-4451, pp. 71-78.

6. Korenevskii N. A,,Krupchatnikov R. A,P.Seregin Theoretical fundamentals biophysics acupuncture with applications in biology and medicine and ecology using fuzzy logic : monograph [in Russian]. Kursk: Kursk State Technical University press,2010. p 521.ISBN 978-5-7277-0530-8.

7. Jing Zhao; Lei Zheng; Tiange Zhuang; Zhenguo Yan; Riemer, M.; Tiede, U.; Hohne, K.H.; Represention of acupoints based on the the visible Human. Engineering in Medicine and Biology Society, 2003. Proceedings of the 25th An-

nual International Conference of the IEEE, Year: 2003 , pp. 525 - 528 Vol.18.

8. Кореневский, Н.А. Комплексная оценка уровня психоэмоционального напряжения [Текст] / Н.А. Кореневский, О.И. Филатова, М.И. Лукашов, Р.А. Крупчатни-ков // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2009. - №5. -с. 4-9.

9. Лукашов, М.И. Определение уровня длительного физического утомления как фактора риска рецидива хронических заболеваний [Текст] / М.И. Лукашов, Н.А. Кореневский, Еремин А.В., Филатова О.И. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2009. - №5. - с. 10-15.

10. Оценка динамики функциональных состояний механизаторов в условиях монотонной результативной деятельности. Методические рекомендации / Под ред. К.П. Судакова. ВНИИОТ Госагропрома СССР. М.: 1990. - 51 с.

11. Определение функционального состояния канала по изменению электрокожного сопротивления в одной точке / А.И. Нечушкин, Г.В. Мысов, Е.Б. Новикова, С.С. Усанов // Иглорефлексотерапия. Горьки, 1974. - С. 22-25.

12. N. А. Korenevsky, D. E. Skopin, R. T. Al Kasasbeh, A. A. Kuz’min, System for Studying Specific Features of Attention and Memory,Biomedical Engineering Journal , Springer, New York ,Vol. 44, No. 1, 2010, pp. 32-35..

13. Сергиенко, С.К. Практикум по инженерной психологии и эргономики: учеб. пособие для студ. Высш. учеб. заведений / под ред. Ю.К. Стрелкова [Текст] / С.К. Сергиенко, В.А. Бодров, Ю.Э Писаренко и др. М.: Издат. Центр «Академия», 2003. 400 с.

14. Bruce G. Buchanan, Edward H. Shortliffe. Rule-Based Expert Systems: The MYCIN Experiments of the Stanford Heuristic Programming Project. Addison-Wesley Publishing Company. Reading, Massachusetts, 1984, ISBN 0-201-10172-6.

15. Shortliffe E.H. Computer - Based medical Consultations: MYCIN, New York: American Elseviver, 1976.

16. Voll R. Geloste und ungeloste Probleme den E-lektroakupunctur- Schriftenreihe des Zentralrerbandes der Aryte fur Naturheilverfahren, S. Sonderheft. P. 148-152.

17. Zadeh, L.A. Advances in Fuzzy Mathematics and Engineering  Fuzzy Sets and Fuzzy Information-Granulation Theory. Beijing. Beijing Normal University Press. 2005. ISBN 7-303-05324-7.

Юго-Западный государственный университет

APPLICATION OF HETEROGENEOUS INDISTINCT MODELS FOR THE COMPLEX ESTIMATION OF LEVEL OF THE FUNCTIONAL RESERVE OF THE PERSON A.N. Korostelev, N.A. Korenevskiy

In work questions of definition of level of a functional reserve of the person on a complex of such diverse indicators as power meridian structures, a psychoemotional pressure, intellectual and physical exhaustion, parameters of pulse and arterial pressure are considered at intellectual and physical activities on the basis of use of heterogeneous indistinct models

Key words: level of a functional reserve, a psychoemotional pressure, intellectual exhaustion, physical exhaustion, heterogeneous indistinct models