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

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

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].