Применение физиологических методов в инженерной психологии обусловлено следующими обстоятельствами:

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. Кратко, не останавливаясь на механизмах возникновения и способах получения и обработки, рассмотрим важнейшие из физиологических характеристик.

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 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.

Рис. 1. Физиологические методы, используемые при исследовании деятельности оператора.

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.

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. 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, статическая выносливость, величина волевого усилия.

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

Таблица 7.1. Характеристики физиологических процессов человека

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.

Методы получения и обработки физиологической информации.

Рассмотренные физиологические показатели обладают различными электрическими характеристиками, и прежде всего шириной спектра сигналов и амплитудой. 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.

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:

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

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.

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, 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. 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%.

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 в процессе его деятельности.

Рис. 7.5 Структурная схема многоканальной биорадио-телеметрической системы.

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 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 Х1, 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.

Заключение