Основные физиологические показатели оператора

Применение физиологических методов в инженер­ной психологии обусловлено следующими обстоятель­ствами [38]:

■ Физиологические характеристики имеют важное значе­ние для контроля состояния оператора.

■ Любое психологическое проявление имеет физиологи­ческую основу.

■ В клинической практике и физиологии труда накоплен определенный опыт обработки и анализа физиологичес­ких характеристик; имеется также богатый арсенал при­боров для проведения физиологических измерений.

Некоторое представление об используемых в ин­женерно-психологической практике физиологических методах дают данные, представленные в табл. 7.1 и на рис. 7.1, 7.2. Кратко, не останавливаясь на механизмах возникновения и способах получения и обработки, рассмотрим важнейшие из физиологических характе­ристик [38, 173].

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) характеризует спонтанную электрическую активность головного моз­га. В спектре ЭЭГ содержатся различные составляю­щие: дельта-ритм (частота колебаний 0,5 — 4,0 Гц), тета-ритм (5,0 —7,0 Гц), альфа-ритм (8,0—12,0Гц), бета-ритм (15 — 35 Гц), гамма-ритм (35—100 Гц). Преобладание низкочастотных колебаний (дельта- и тета-ритмы) свидетельствует о наступлении тормозного процесса (сон, ослабление бдительности и внимания, утомление и.п.). Наличие альфа-волн характеризует

Рис. 7.1. Физиологические методы, используемые при исследовании деятельности оператора.

состояние нормальной синхронизации основных нервных процес­сов. Они являются доминирующими у здорового, бодр­ствующего человека, находящегося в состоянии опе­ративной готовности к деятельности. Преобладание высокочастотных колебаний указывает на процесс воз­буждения» в коре головного мозга. Это бывает харак­терным при возникновении психофизиологической на­пряженности во время работы, свидетельствует о возникновении эмоциональных состояний.

Помимо ЭЭГ биоэлектрическая активность голов­ного мозга характеризуется также вызванными потен­циалами (ВП), возникающими в ответ на внешнее воз­действие и в относительно строгой связи с ним. Одной из разновидностей ВП является реакция навязывания ритма — следование колебаний биопотенциала за ча­стотой ритмического раздражителя. Метод ВП исполь­зуется при изучении восприятия, внимания, интеллек­та, функциональной асимметрии мозга.

Электромиограмма (ЭМГ) представляет регистра­цию биопотенциалов мышц человека. ЭМГ служит весьма чувствительным объективным показателем включения в динамическую или статическую работу отдельных групп мышц. Такой анализ необходим при изучении рабочей позы и управляющих движений оператора. Суммарная биоэлектрическая активность мышц оценивается показателем где Aj и t, — соответственно амплитуда и длитель­ность i-ro мышечного сокращения; Т — период на­блюдения.

С помощью ЭМГ можно регистрировать также утомление человека. При утомлении уменьшается сум­марная активность мышц и средняя амплитуда колеба­ний [75].

Кожно-гальваническая реакция (КГР) характери­зует изменение электрического сопротивления или разности потенциалов кожи. КГР является одним из наиболее результативных способов регистрации воз­никновения эмоциональной напряженности у опера­тора. При этом наблюдается падение электрического сопротивления кожи или увеличение разности потен­циалов между двумя точками кожной поверхности (от 10 — 30 мВ/см в нормальном состоянии до 100 мВ/см и более при возникновении эмоциональной напряжен­ности).

Электрокардиограмма (ЭКГ) заключается в регис­трации электрических явлений, возникающих в сер­дечной мышце. ЭКГ состоит (см. рис. 7.2, г) из ряда зубцов, характеризующих протекание тех или иных процессов в сердечной мышце, и интервалов между ними. Зубец R соответствует моменту возбуждения желудочков сердца, а зубец Т — моменту выхода их из состояния возбуждения. Интервал R—R характеризу­ет длительность сердечного цикла, а интервал Q —Т соответствует периоду от начала возбуждения желу­дочков сердца до окончания их возбуждения.

В инженерной психологии ЭКГ используется для определения напряженности работы оператора. Для этого измеряются: частота сердечных сокращений (ЧСС), систолический и гистографический показатели: Частота сердечных сокращений определяется величи­ной, обратной продолжительности R— R интервалов.

Систолический показатель определяется процент­ным соотношением времени сокращения желудочков сердца ко всему времени сердечного цикла, т. е.

Для определения гистографического показателя определяется N последовательных значений величин t_rr [38]. Весь диапазон изменения t_RR разбивается на m интервалов одинаковой длины. Если через t_i обо­значить середину i-гo интервала, а через n_i — число значений t_RR, попавших в i-й интервал, то величину гистографического показателя можно вычислить по формуле

При возникновении напряженности в работе опе­ратора рассмотренные показатели ЭКГ, как правило, увеличиваются.

Электроокулограмма (ЭОГ) характеризует электри­ческую активность глазных мышц. Обычно использу­ется раздельная регистрация вертикальных и горизон­тальных движений глаз. При этом знак потенциала ЭОГ указывает направление перемещения взгляда, а его величина — угол перемещения. ЭОГ применяется для анализа работы зрительной системы человека со средствами отображения информации, для анализа распределения и переключения внимания оператора в процессе работы и других целей.

Пневмограмма (ПГ) представляет собой запись внешнего дыхания. Она используется для оценки пси­хофизиологической напряженности. В состоянии воз­буждения или напряжения частота дыхания увеличи­вается до 50 — 60 колебаний в минуту, наблюдается также уменьшение глубины дыхания и укорочение фазы выдоха (t_ВЫД) относительно фазы вдоха (t_BД).

Речевой ответ (РО) изучается по спектральным и временным характеристикам речи оператора. По изме­нению интонации голоса, которая сопровождается изме­нением спектрального состава звуковых колебаний, можно судить о возникновении эмоциональных состояний

оператора, напряженности и утомления в его работе. В последнее время получены данные, свидетельствующие о том, что информация об этих состояниях содержится также во временных параметрах РО. Например, при развитии утомления увеличиваются длительность слов и пауз между ними, а также их дисперсии.

Помимо рассмотренных методов, получивших до­вольно широкое применение в инженерной психологии и не нашедших отражения в табл. 7.1, для исследования деятельности оператора используется в ряде случаев еще ряд методов, показанных на рис. 7.2. Спирометрия (от лат. spirare — дышать, выдыхать) представляет ме­тод исследования жизненной емкости легких путем измерения объема выдыхаемого воздуха; этот метод используется для характеристики непроизвольных сдви­гов уровня активации в ходе, например, суточного цик­ла. Динамометрией определяется мышечное утомление,

Таблица 7.1

Характеристики физиологических процессов человека

Изучаемый процесс	Предмет исследования	Электрические характеристики	Изучаемые показатели (рис. 7.1,7.2)
Амплитуда, МкВ	Частота, Гц
Электроэнце фалограмма (ЭЭГ)	Электрическая активность головного мозга	5-10	0,5-100	Суммарная биоэлектрическая активность ЭЭГ, харак­теристики отдельных ритмов (амплитуда, длительность, число волн ритма, удельный вес ритма в ЭЭГ)
Электромио- грамма (ЭМГ)	Электрическая активность мышц	20-200	20-500	Суммарная биоэлектрическая активность мышц, амплитуда и продолжительность отдельных мышечных сокращений
Кожно-галь-ваническая реакция (КГР)	Электрическое сопротивление кожи	100-200	1-10	Латентный период КГР (t,), амплитуда КГР (А), дли­тельность i-й фазы (t!, 12, t з...), скорость нарастания(а) и скорость спада (Р). Общая площадь под кривой КГР
Электрокар­диограмма (ЭКГ)	Электрическая активность сердца	300-3000	0,15-300	Интервалы ЭКГ (R—R, Q—Т и др.), частота сердечных сокращений, систолический и гистографический показатели
Эдектрооку- лограмма (ЭОГ)	Глазодвига­тельная актив­ность	20-200	0,1-3,5	Количество движений и миганий в единицу времени. Амплитуда и длительность движения (перемещения взгляда). Длительность фиксации взгляда
Пневмограм-ма (ПГ)	Характер дыхания	Зависит от способа измерения	0,8-4	Длительность и глубина вдоха (1вд) и выдоха 0ВЬШ), длительность дыхательного цикла, частота дыхания

статическая выносливость, величина волевого усилия.

Для оценки динамики функциональных состояний используются, наряду с ЭКГ, такие методики исследо­вания сердечно-сосудистой системы, как пульсометрия, плетизмография, сфигмография, различные раз­новидности кардиографии (баллистокардиография, фонокардиография, динамокардиография), измерение кровяного давления (венозного и артериального).

Пульсометрия (от лат. pulsus — удар, толчок) зак­лючается в измерении частоты пульса. Ее измерение интегрально отражает различные стороны психофизи­ологического напряжения: мышечного, терморегуляторного, нервно-эмоционального и др. Поэтому частота пульса при осуществлении той или иной деятельности может использоваться для оценки сложности выпол­няемых трудовых операций. Увеличение частоты пуль­са наблюдается при мышечной работе, эмоциональном возбуждении и в меньшей степени — при напряжен­ной умственной деятельности. В момент выраженного напряжения частота пульса (частота сердечных сокра­щений) может достигать 150—180 ударов в минуту.

Плетизмография (от греч. plethysmos — увеличе­ние) представляет методику регистрации сосудистых реакций организма и заключается в определении из­менения объема органов человека, зависящих от состо­яния кровеносных сосудов; используется как чувствительный индикатор вегетативных сдвигов при раз­личных реакциях организма. Сфигмография (от греч. sphygmos — биение сердца) представляет метод иссле­дования кровяного давления в артериях и ритма сер­дечной деятельности по биению пульса.

В ряде случаев хорошие результаты дает актогра­фия (от лат. actus — действие, движение) — метод ав­томатической регистрации двигательной активности человека во времени. Различают общую и дифферен­цированную актографию. Первая обеспечивает реги­страцию двигательной активности организмд в целом (общая активность), вторая — регистрацию специфи­ческой двигательной активности (например, тремор). Актография осуществляется при помощи специальных устройств — актографов, в которых движение улавли­вается специальными датчиками (например, тензодатчиками), а затем преобразуется в регистрируемые элек­трические или механические сигналы. Актография является хорошим индикатором определения утомле­ния и напряженности оператора, позволяет осуще­ствить в ряде случаев бесконтактный съем информа­ции о его функциональном состоянии.

Заканчивая рассмотрение физиологических мето­дов, следует отметить, что в инженерно-психологичес­ких исследованиях в подавляющем большинстве случа­ев (в отличие, к примеру, от клинической практики) они не имеют самостоятельного значения. Как правило, они используются в сочетании с психологическими и дру­гими методами, в определенной степени дополняя их.

7.2. Методы получения и обработки
физиологической информации

Рассмотренные физиологические показатели об­ладают различными электрическими характеристика­ми, и прежде всего шириной спектра сигналов и ам­плитудой. Примерные значения этих характеристик приведены на рис. 7.1 и в табл. 7.1. Из них видно, что наибольшие трудности в регистрации представляет ЭЭГ. Для ее регистрации требуется наличие экрани­рованного помещения, что существенно затрудняет применение этого метода в реальных условиях. Наименьшие трудности для регистрации вызывает РО, ЭМГ, КГР. Электрические сигналы этих показателей имеют сравнительно большую величину, поэтому съем сигналов и их усиление не представляют особых труд­ностей.

Некоторые сигналы (например, КГР, ЭОГ) медлен­но изменяются во времени и представляют собой ото­бражения напряжения постоянного тока. Поскольку не­посредственное усиление постоянного напряжения затруднительно, эти сигналы необходимо предвари­тельно преобразовать в высокочастотные и вести уси­ление на повышенной частоте, что с точки зрения тех­нической реализации является более простым делом. Принцип измерения одного физиологического показа­теля рассмотрим с помощью обобщенной схемы изоб­раженной на рис. 7.3. Рассмотрим кратко состав и назначение основных элементов этой схемы.

Датчики (электроды) служат для отведения потен­циалов с поверхности тела на человека. К конструк­ции и способу крепления датчиков предъявляются следующие требования: обеспечение надежного и постоянного контакта с кожей человека, отсутствие смещения при движениях испытуемого, возможность быстрой и легкой установки и съема электродов, ис­ключение беспокойства испытуемого или причине­ния ему боли. По способу крепления датчики могут быть накладывающимися (прижимными) или прик­леивающимися. Наиболее хорошо удовлетворяют предъявляемым требованиям накладываемые датчи­ки. Классификация наиболее часто используемых датчиков приведена в табл. 7.2. Более подробное опи­сание их дается в главе X.

Преобразователь служит для преобразования исход­ного сигнала к виду, с которым легко вести дальнейшее усиление сигнала. Основным видом преобразования является преобразование медленно меняющегося напряжения в высокочастотное. В этом случае преобразо­ватель представляет собой амплитудный или частотный модулятор.

Рис. 7.3. Структурная схема измерения физиологического показателя.

Усилитель биопотенциалов необходим для усиле­ния исходного сигнала до величины, которая может быть легко зафиксирована с помощью регистрирую­щих устройств. Усилители должны удовлетворять сле­дующим требованиям: обеспечить необходимый коэф­фициент усиления, обладать равномерной амплитудной характеристикой во всем диапазоне спектра сигналов, иметь малые нелинейные искажения.

Таблица 7.2

Физический принцип конструкции датчика	Форма энергии, являющейся носителем физиологической информации
механи­ческая	акусти­ческая	тепло­вая	электри­ческая	хими­ческая
Электрический	СФГ	—	—	ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, КГР	—
Изменение ем­кости конденсатора	АД,ВД, СФГ, ПГ, ФКГ	АД	—	—	—
Изменение ак­тивного сопротивления	АД, СФГ, БКГ, ДКГ	—	АД, ПГ, тм	—	—
Электромагнит­ная индукция	СФГ, ПГ, ДКГ, БКГ	ФКГ, АД	—	—	—
Пьезоэлектричес­кий эффект	АД, СФГ	ФКГ	—	—	—
Механическое перемещение	АД,ВД, АГ, СФГ, ФКГ	—	—	АГ	—
Термоэлектриче­ский эффект	—	тм	—	—	—
Биохимический и химико-электрический	—	—	—	—	Сса, рН

Примечание: АД — артериальное давление; ВД — венозное давление; СФГ — сфигмограмма; ПГ — пневмограмма; ФКГ — фонокардиограмма; БКГ — баллистограмма; ДКГ — динамо-кардиограмма; ТМ — термометрия; рН — концентрация водородных ионов; С_са, С_к — содержание соответственно катионов кальция и калия в жидкостях организма; АГ — актограмма.

Регистратор служит для визуальной регистрации (записи) исследуемого сигнала в течение необходимо­го времени. Регистрации может предшествовать пред­варительный автоматический анализ сигнала. В каче­стве анализаторов и регистраторов используются: одно- и многоканальные осциллографы, самописцы, печата­ющие устройства, спектроанализаторы и т. п. Во мно­гих случаях помимо регистрации и ручной расшифров­ки информации используют также ее автоматическую обработку, используя специализированные устройства или универсальные ЭВМ, работающие по определен­ной программе. Следует иметь в виду, что в общем случае физиологические процессы, происходящие в организме оператора в процессе его деятельности, опи­сываются в рамках теории случайных нестационарных процессов [96].

Исследование только одного физиологического показателя, как правило, не может дать однозначного ответа о состоянии оператора. Поэтому в практике инженерно-психологических исследований применя­ется обычно так называемый полиэффекторный метод исследования, заключающийся в одновременной запи­си и анализе целого комплекса показателей, называе­мого симптомокомплексом. По своему назначению полиэффекторный метод в какой-то степени аналоги­чен тестовой батарее в психологических исследовани­ях. Применение полиэффекторной методики позволя­ет значительно повысить надежность и достоверность диагностики состояний оператора при выполнении данной деятельности.

При выборе показателей, входящих в состав симп-томокомплекса, необходимо руководствоваться следу­ющими соображениями:

1. Показатель должен быть информативным, т. е. с его помощью должно быть обеспечено установление интересующего исследователя состояния оператора.

2. Регистрация показателя не должна влиять на ра­боту оператора, не должна мешать ему и стеснять его движений. Этому требованию наиболее полно удовлетворяют бесконтактные методы (например, РО), наименее полно — все контактные методы.

3.Регистрация показателя должна быть легко техни­чески реализуема, не должна требовать громоздкой и сложной аппаратуры, создания для операто­ра специальных условий, при которых возможна регистрация этого показателя. С этой точки зрения наименее удобным является применение ЭЭГ. 4. Должна быть обеспечена возможность непрерыв­ной регистрации показателя в течение всего вре­мени работы оператора.

Для практической реализации полиэффекторной методики создаются специальные системы съема и обработки электрофизиологической информации. Как отмечают Г.А. Сергеев, А.Ф. Романенко и В.Г. Евграфов [164], по принципу построения они делятся на два основных класса: непосредственные (иначе их еще называют контактными) и биорадиотелеметрические. В этих системах предполагается автоматизированный съем и регистрация электрофизиологических показа­телей с возможностью как первичного математическо­го анализа для экспресс-контроля ( от англ. express — усиленный) с помощью АВМ, так и вторичного анализа для выявления тонкой статистической структуры ре­гистрируемой информации с помощью ЦВМ.

В зависимости от уровня требований, предъявля­емых к точности, адекватности и оперативности полу­чения информации о состоянии человека, следует дифференцированно подходить к выбору комплекса контролируемых показателей, по которым оценивает­ся состояние человека. Выбор же алгоритмов первич­ной статистической обработки электрофизиологичес­кой информации должен осуществляться с учетом характера нестационарности исследуемых реали­заций.

С учетом всего сказанного один из возможных вариантов структурной схемы многоканальной систе­мы съема и анализа физиологической информации приведен на рис. 7.4. Принцип работы каждого канала аналогичен тому, который показан на рис. 7.3. Для об­работки и анализа информации используются специ­альные регистрирующие устройства и преобразовате­ли, а также ЭВМ, с помощью которых осуществляется экспресс- и вторичный анализ этой информации. Не­достатками построения рассматриваемой системы являются следующие:

Рис. 7.4. Структурная схема многоканальной системы с непосредственным съемом информации.

■ возникновение большого числа разнообразных по приро­де помех (артефактов), которые в значительной степени затрудняют съем и регистрацию объективной физиологи­ческой информации, а зачастую делают их невозможны­ми, особенно при исследовании ЭЭГ;

■ проводники, связывающие датчики с усилителями и преобразователями, ограничивают движения испытуе­мого, что, естественно, сказывается на качестве его дея­тельности;

■ само наличие большого числа датчиков отрицательно ска­зывается на самочувствии оператора.

Примером практической реализации полиэффек-торной методики с непосредственным съемом инфор­мации является такое широко известное устройство как детектор лжи. Оно позволяет дать оценку эмоциональ­ным реакциям человека на основе анализа таких фи­зиологических характеристик как КГР, ЭОГ, частота пульса, плетизмограмма и др. Точность прогноза мо­жет доходить до 70% [148].

Биорадиотелеметрическая система (рис. 7.5) устра­няет второй из отмеченных выше недостатков и умень­шает первый. Успехи в области микроэлектроники позволяют создавать легкие малогабаритные переда­ющие устройства, позволяющие размещать их непос­редственно на операторе, вблизи датчиков и надежно экранировать. При этом почти полностью будет ликвидировано ограничение свободы действий и переме­щения оператора

Рис. 7.5. Структурная схема многоканальной биорадио-телеметрической системы.

в процессе его деятельности. Для передачи информации от оператора в устройство об­работки используется система многоканальной радио­связи, включающая в себя радиопередающее и радио­приемное устройства, а также устройства уплотнения и разделения каналов. Конкретная реализация радио­биотелеметрической системы, используемой для конт­роля состояния космонавтов на конкретном космичес­ком корабле «Восток—3», приведена на рис. 7.6 [173]. В этой системе, помимо рассмотренной ранее системы радиосвязи, для передачи физиологической информа­ции используется бортовой регистратор (БР) и систе­ма для оперативной передачи частоты пульса с помо­щью передатчика «Сигнал» (С).

Как уже отмечалось, при анализе полученной фи­зиологической информации предпочтение следует от­давать методам обработки, основанным на нестацио­нарной модели случайного процесса, так как такие процессы характеризуют «динамику» функционирования той или иной физиологической системы, в то вре­мя как стационарные случайные процессы характеризуют «статику», или установившееся состояние режи­ма функционирования системы.

В зависимости от вида выходной, получаемой в результате обработки, статистически контролируемой физиологической информации различают следующие методы математического анализа реализаций физио­логических процессов: корреляционный, спектральный, периодопараметрический, структурный, параметри­ческий и метод моментных корреляционных функций.

Рис. 7.6. Схема биотелеметрической системы корабля

«Восток-3»: ЭЭГ, ЭОГ— предусилители для регистрации

электроэнцефалограммы и электроокулограммы;

ЭКГ— усилители для записи электрокардиограммы;

У, У₂ — усилители ЭКГ, используемые для записи ЭЭГ и

ЭОГ; ПГ — усилитель для записи пневмограммы;

КГР — система для регистрации кожно-гальванических

реакций; ЭКФ — электрокардиофон, система для

оперативной передачи частоты пульса с помощью

передатчика «Сигнал» (С); АР — автономный регистратор

для записи частоты пульса и дыхания во время

приземления; БР — бортовой регистратор;

РТС — радиотелеметрическая система;

Р — регистрирующее устройство.

Остановимся кратко на двух последних методах, наи­более адекватно описывающих быстроменяющиеся физиологические процессы, в частности, ЭЭГ.

Параметрический анализ нестационарных случай­ных процессов позволяет вести обработку по одному из трех критериев: минимума ошибки смещения, ми­нимума средней квадратической ошибки, максимума вероятности невыхода ошибки за заданные пределы. Для каждого критерия определяется оптимальная ве­совая функция, называемая параметрической. С ее помощью находится центрированная составляющая реализации физиологического процесса, а затем тре­буемые статистические характеристики.

Метод моментных корреляционных функций дает возможность количественного контроля уровня неста­ционарности физиологического процесса. При анали­зе ЭЭГ он характеризует степень возбуждения мозга, вызванную выполнением оператором определенной задачи управления. С этой целью могут быть исполь­зованы три статистических критерия:

информационный

структурный

энергетический

где Х\, Х2, Тз, — корреляционные моменты 1-го, 2-го и 3-го порядка, с2, — дисперсия.

В стационарном случае (невозбужденный мозг, охваченный нейронными связями случайного характе­ра) S=2±∆, где ∆<1. Увеличение информационного параметра, как правило, наблюдается во время реше­ния оператором сложных логических задач при интен­сивном возбуждении доминантных очагов.

Радиус нестационарности р_н отражает существен­ные изменения нейронных образований мозга, связан­ных либо со стабилизацией нейронных связей, либо, напротив, с нарушением устойчивости регулятивных механизмов мозга при снижении его функционально­го состояния. Расчет р_н позволяет установить харак­тер межполушарной асимметрии, уровень которой воз­растает по мере увеличения напряжения, связанного с решением сложных задач.

Параметр Z может использоваться для изучения временных характеристик биопотенциалов, отражающих динамику чередования фаз возбуждения и тормо­жения нейронных ансамблей головного мозга опера­тора во время работы. Увеличение Z свидетельствует об изменении (локальной нестационарности) биопотен­циалов, вызванном структурной перестройкой нейрон­ных ансамблей [164].

Более подробно вопросы анализа случайных про­цессов рассмотрены в специальной литературе [50, 96, 177].

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ