способ непрерывного контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ непрерывного контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом, включающий измерение параметров его сердечной деятельности до начала управления движущимся объектом и в процессе управления с последующим сравнением данных, полученных во время контроля, с данными предварительного контроля и граничными значениями контролируемых параметров, отличающийся тем, что измеряют респирограмму внешнего дыхания оператора как предварительно, так и во время контролируемого процесса, в качестве параметров сердечной деятельности измеряют пульсограмму, полученные данные пульсограммы и респирограммы преобразуют в данные вариационной пульсограммы и вариационной респирограммы, определяют статистические характеристики вариационной пульсограммы и вариационной респирограммы, определяют спектральные характеристики респирограммы и вариационной пульсограммы, после чего определяют когерентность этих спектральных характеристик, осуществляют сравнение данных статистического и спектрального анализа, полученных во время контролируемого процесса, с аналогичными данными предварительного контроля, а также с усредненными и граничными значениями этих данных, затем по усредненным и граничным значениям параметров на основе предшествующих полетов составляют для каждого контролируемого оператора карту его психофизиологического состояния.

2. Система непрерывного контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом, содержащая устройство формирования параметров его сердечной деятельности, выполненное в виде датчика этих параметров и последовательно связанного с ним блока преобразования их в кодовую последовательность импульсов, а также блок хранения данных оператора и блок сравнения данных, полученных в контролируемом процессе с данными этого блока хранения, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены устройство формирования респирограммы внешнего дыхания, радиотелеметрическое устройство, передатчик которого установлен на борту движущегося объекта, а приемник в наземном пункте обработки информации, а также последовательно подключенные к выходам приемника аналого-цифровой преобразователь уравновешивающего типа и программное устройство оценки психофизиологического состояния, при этом датчик устройства формирования параметров сердечной деятельности выполнен в виде фотооптического датчика пульсограммы, установленного на одном из источников звука, расположенных на голове оператора, а само устройство дополнительно снабжено блоком преобразования кодовой последовательности импульсов пульсограммы во временной ряд сигналов вариационной пульсограммы, последовательно подключенной к выходу блока формирования последовательности, устройство для формирования сигналов респирограмм выполнено в виде термоанемометрического датчика, выполненного по мостовой схеме с терморезистором в ее диагонали, вмонтированным в области микрофона и ориентированным на прием воздуха, выдыхаемого через нос, к выходу датчика последовательно подключены первый усилитель постоянного тока, фильтр второй усилитель постоянного тока, к выходу которого параллельно подключены третий усилитель и последовательно связанные между собой блока формирования кодовой последовательности импульсов респирограммы и блок преобразования последовательности импульсов во временной ряд сигналов вариационной респирограммы, а устройство оценки психофизиологического состояния оператора выполнено в виде блока хранения данных предварительного контроля, а также связанных с ним канала оценки статистических и спектральных характеристик вариационной пульсограммы, канала оценки спектральных характеристик респирограммы, канала оценки статистических характеристик вариационной респирограммы с блоками сбора и хранения информации в каждом канале, и канала оценки когерентности спектров респирограммы и вариационной пульсограммы, при этом первые входы каналов оценки характеристик вариационной пульсограммы, респирограммы и вариационной респирограммы подключены к первым, вторым и третьим выходам аналого-цифрового преобразователя соответственно, а вторые входы к первым, вторым, третьим и четвертым выходам блока хранения данных карты психофизиологического состояния, первые и вторые входы канала оценки когерентности спектров вариационной пульсограммы и респирограммы подключены к первым выходам блоков сбора и хранения информации соответствующих каналов, а третьи входы этого канала подключены к пятым выходам блока хранения данных карты психофизиологического состояния.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что блок преобразования сигналов пульсограммы в кодовую последовательность импульсов выполнена в виде последовательно соединенных дифференцирующего элемента и порогового ограничителя.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что блок преобразования сигналов респирограммы в кодовую последовательность импульсов выполнен в виде последовательно соединенных дифференцирующего усилителя и порогового ограничителя.

5. Система по п. 2, отличающаяся тем, что блок преобразования кодовой последовательности импульсов пульсограммы/респирограммы во временной ряд сигналов вариационной пульсограммы/респирограммы выполнен в виде последовательно соединенных генератора стабилизированной частоты и делителя, а также триггера, первого и второго вентилей, первого и второго ждущих мультивибраторов, счетчика, регистра памяти, первого цифроаналогового преобразователя, при этом вход триггера подключен к выходу ограничителя, а его выход к первому входу первого вентиля и входу первого мультивибратора, к второму входу первого вентиля подключен выход делителя, выход первого вентиля подключен к входу счетчика, а его узел считывания к выходу второго мультивибратора, вход которого подключен к выходу первого мультивибратора, выход первого мультивибратора подключен также к первым входам второго вентиля, вторые входы которого подключены к выходам счетчика, к выходам второго вентиля последовательно подключены регистр памяти, первый цифроаналоговый преобразователь и усилитель.

6. Система по п.2, отличающаяся тем, что аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных генератора и блоков синхронизации и управления, а также в виде трех каналов прохождения сигналов вариационной пульсограммы, респирограммы и вариационной респирограммы, каждый из которых состоит из второго счетчика с регистром памяти, второго цифроаналогового преобразователя и первого блока сравнения, при этом первый вход блока сравнения подключен к выходу соответствующего канала приемника станции, а второй вход к выходу второго цифроаналогового преобразователя, выход этого блока подключен к входу второго счетчика, входы пуска, сброса, такта этого счетчика подключены к соответствующим выходам блока синхронизации и управления, первые выходы второго счетчика подключены к входам второго цифроаналогового преобразователя, а вторые выходы этого счетчика к входам регистра памяти, выход регистра памяти подключен к соответствующему каналу устройства оценки психофизиологического состояния оператора.

7. Система по п.2, отличающаяся тем, сто каждый из каналов оценки статистических характеристик вариационной пульсограммы/вариационной респирограммы выполнен в виде блока сбора и хранения информации, блока формирования массивов минимальных и максимальных значений исходных данных блока вычисления их математических ожиданий, блока вычисления массива дисперсии, массива коэффициентов асимметрии и коэффициентов эксцесса, блока построения кривых частотного распределения данных вариационной пульсограммы/респирограммы с заданным интервалом группирования, блока вычисления массива их модальных значений и блока вывода на дисплей результатов вычислений, а также в виде второго пятого блоков сравнения, при этом входы каждого из указанных вычислительных блоков подключены соответственно к первому пятому выходам первого блока сбора и хранения исходной информации, а первые выходы этих блоков подключены соответственно к первому пятому входам блока вывода на дисплей результатов вычисления, вторые выходы блока вычисления минимальных и максимальных значений, блока вычисления математических ожиданий, блока вычисления дисперсий и блока вычисления модальных значений подключены соответственно к первым входам второго, третьего, четвертого и пятого блоков сравнения, вторые входы блоков сравнения подключены к первым/вторым выходам блока хранения данных предварительного контроля оператора в зависимости от канала оценки статистических характеристик сигнала вариационной пульсограммы/вариационной респирограммы, соответственно блок вычисления математических ожиданий и блок вычисления дисперсий подключены к блоку сбора и хранения информации с обратной связью.

8. Система по п.2, отличающаяся тем, что каждый из каналов оценки спектральных характеристик вариационной пульсограммы/респирограммы выполнен в виде блока сбора и хранения информации и последовательно соединенных блока удаления линейного тренда из временного ряда, блока быстрого преобразования Фурье для комплексной последовательности, блока быстрого преобразования Фурье для исходной последовательности, блока расчета спектра мощности, блока сглаживания значений, блока расчета шумовых критериев и блока вывода на дисплей графика спектральной функции, а также блока корректировки "шумовых" критериев и шестого блока сравнения, при этом вход блока удаления тренда подключен к второму выходу блока сбора и хранения информации, вторые выходы блока преобразования Фурье для исходной последовательности, блока сглаживания и блока расчета "шумовых" критериев подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам блока сбора и хранения информации, вторые выходы блока вывода на дисплей графика подключены к первым входам шестого блока сравнения, вторые входы этого блока подключены к третьим/четвертым выходам блока хранения данных карты психофизиологического состояния в зависимости от канала оценки спектральных характеристик вариационной пульсограммы/респирограммы соответственно.

9. Система по п. 2, отличающаяся тем, что канал оценки когерентности спектров респирограммы и вариационной пульсограммы выполнен в виде последовательно соединенных блока расчета взаимного спектра массивов данных респирограммы и вариационной пульсограммы, блока окончательного расчета значений когерентности этих спектров, седьмого блока сравнения полученных значений когерентности с "шумовым" порогом, блока сглаживания функции когерентности, блока выдачи на дисплей графиков функции когерентности, а также восьмого блока сравнения, при этом первые выходы блока сбора и хранения исходных данных вариационной пульсограммы одновременно подключены к первым входам блока расчета взаимного спектра и вторым входам седьмого блока сравнения, первые выходы блока сбора и хранения исходных данных респирограммы одновременно подключены к вторым входам блока расчета взаимного спектра и третьим входам седьмого блока сравнения, первый вход восьмого блока сравнения подключен к выходу блока выдачи на дисплей графиков функции когерентности, а второй вход этого блока сравнения подключен к пятым выходам блока хранения данных карты психофизиологического состояния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и, в частности к средствам оценки психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом. Изобретение может быть использовано для оценки психофизиологического состояния летчика в процессе его управления самолетом.

В настоящее время в гражданской авиации происходят два противоположных процесса: с одной стороны расширение допустимых условий эксплуатации самолетов и сокращение численного состава их экипажа, с другой - усовершенствование самолетов, направленное на оптимизацию условий работы экипажа и связанное с автоматизацией управления и усовершенствованием условий его работы в результате использования вспомогательных средств индикации и сигнализации и т.д.

В частности, отечественный и зарубежный опыт, связанный с развитием этих направлений, свидетельствует о необходимости применения объективных оценок психофизиологического нагружения членов экипажа в целях:

выяснения резервов психофизиологического нагружения членов экипажа вновь создаваемых воздушных судов (ВС), а также выбора способов снижения недопустимых нагрузок путем усовершенствования взаимодействия человека с машиной;

оценки динамики освоения новой техники летным составом в процессе обучения и переучивания;

определения рабочей нагрузки на членов экипажа в процессе массовой эксплуатации ВС, в том числе при фактически возникающих особых ситуациях. На основании массовых оценок должны производиться: уточнение распределения обязанностей, методов и объемов тренировок, норм рабочего времени, оценка эффективности тренировок на тренажерах и особенностей самих тренажеров;

оценки фактической рабочей нагрузки и психофизиологической напряженности при расследовании летных происшествий и предпосылок к ним.

Понятие "рабочей нагрузки" не имеет в настоящее время общепринятого однозначного определения, однако, предполагается, что в него входят нагрузки, связанные с механической деятельностью оператора при воздействиях его на объект управления, а также психофизиологические нагрузки, связанные с восприятием оператором информации, и психофизиологические нагрузки, связанные с его мыслительной деятельностью по анализу информации и принятию решений.

Анализ существующих методов определения рабочей нагрузки оператора позволяет сгруппировать их по двум основным категориям: субъективные и объективные. Первые предполагают использование субъективных критериев, заранее установленных по оценочным шкалам, вторые используют измерения физических и физиологических параметров. На практике положительные результаты дает комбинация субъективных методов с физиологическими и другими измерениями. В данном изобретении рассматривается одно из направлений в многомерной системе оценки рабочей нагрузки, а именно определение физиологических реакций пилота в процессе его нагружения.

В настоящее время известно до 20 параметров человеческого организма, включая и биохимические показатели, которые в той или иной мере характеризуют его реакцию на выполненную работу.

Наиболее полно рабочую нагрузку могли бы характеризовать процессы, происходящие в мозге исследуемого оператора, а также такие показатели, как частоты моргания глаз, тремор пальцев руки и другие. Реальные возможности измерений многих параметров деятельности человека, особенно в условиях линейных полетов гражданских самолетов, весьма ограничены. В исследовательских или испытательных полетах ВС можно оснастить специальными измерительными средствами, на летчике закрепить соответствующие датчики, но в условиях линейных полетов и при систематических тренировках линейного летного состава на тренажерах сделать это практически невозможно.

Эту проблему можно было бы эффективно решить путем выбора небольшого количества наиболее эффективных показателей, в определенной мере характеризующих уровень рабочей нагрузки с обеспечением средств их регистрации без создания дополнительных нагрузок и неудобств летчику, что и явилось объектом изобретения, сущность которого подробно изложена ниже.

Известен способ определения напряженности пилота, основанный на измерении усилия зажима рукоятки штурвала самолета при его пилотировании, а также на измерении усилия, возникающего при вращении штурвала и продольном перемещении штурвальной колонки. Психофизиологическая напряженность пилота характеризуется разностью усилий между полным усилием зажима рукоятки и суммой усилий, необходимых для обеспечения вращения штурвала и его продольного перемещения (авт. св. N 354447, кл. G 01 E 5/22).

Известно устройств для реализации этого способа. Устройство содержит датчик полного усилия зажима рукоятки штурвала, а также датчики для измерения усилий, возникающих при вращении штурвала и его продольном перемещении.

Недостатком данных способа и устройства является то, что они обеспечивают возможность определения лишь относительной психофизиологической напряженности пилота во время полета. Другими словами, достоверность оценки психофизиологического состояния летчика с помощью этого способа низка.

Известен также способ измерения психофизиологической загрузки пилота самолета во время полета, основанный на измерении физиологических параметров летчика, в частности пульсограммы сердечной деятельности, сигналы которой в виде последовательности кардиологических периодов (интервалов R-R) записываются на магнитную ленту, синхронно с которыми записываются соответствующие им режимы полета. При этом осуществляют определения отклонения интервала R-R относительно средней эталонной величины, т.е. определяют изменения ритма сердцебиения летчика, обусловленные соответствующими режимами полета относительно полета спокойного. По изменению сердечной деятельности судят о психофизиологической загрузке летчика в зависимости от выполняемых режимов полета (патент Франции N 2615641, кл. G 09 B 23/00).

Устройство для реализации этого способа содержит датчик пульсограммы (электрокардиограммы ЭКГ) сердечной деятельности летчика, а также датчики параметров режимов полета.

В качестве датчика для записи ЭКГ летчика используются 2 электрода, один из которых установлен в верхней части его грудной клетки, а второй электрод установлен слева грудной клетки на уровне шестого ребра. Предусмотрены средства (синхронизатор) для синхронной защиты физиологических данных, в частности последовательности кардиологических периодов и данных, касающихся режимов полета самолета. В качестве записывающего устройства использован магнитный кассетный самописец. В качестве измерителя частоты сердечных сокращений использованы кардиограф (патент Франции N 2615641, кл. G 09 B 23/00).

Однако закрепление датчиков для снятия ЭКГ в области грудной клетки летчик в процессе измерений с использованием данных способа и устройства привносит дискомфорт в его деятельность, связанную с длительным процессом закрепления датчиков на теле летчика с ограниченной продолжительностью записи на самописце кардиографа, что ограничивает их использование только исследовательскими целями и вообще исключает это применение в условиях линейных полетов и систематических тренировок. Привлечение только одного параметра (ЭКГ) для оценки психофизиологического состояния летчика при его нагружении обуславливает неполную достоверность измерений с использованием данных способа и устройства (при привлечении нескольких параметров достоверность измерений повышается).

Ближайшим по технической сущности и достигаемому результату прототипом изобретения является способ для контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом, например поездом метрополитена. Способ основан на предрейсовом измерении параметров, характеризующих физиологическое состояние машиниста (температуры, давления, кардиограммы), а также на измерении физиологических параметров (температуры, давления, кардиограммы) машиниста в процессе его управления поездом, сравнении этих параметров с параметрами предрейсового состояния и с корректированными граничными значениями исследуемых параметров. Результаты анализа физиологического состояния машиниста поступают диспетчеру (авт. св. N 1421304, кл. A 61 B 5/16).

Система для реализации данного способа также прототип изобретения - содержит датчики физиологических параметров (температуры, давления, кардиограммы) для оценки предрейсового состояния машиниста и его состояния в процессе управления поездом. Данные, полученные в результате этих оценок после ряда преобразований вводятся в контроллер замеренных и граничных параметров. Контроллер осуществляет анализ замеренных параметров и их соответствие корректированным граничным значениям (авт. св. N 1421304, кл. A 61 B 5/16).

Способ и устройство позволяет отслеживать изменение психофизиологического состояния машиниста во время работы, что особенно важно при установлении резких перепадов физиологических параметров внутри общих граничных значений. Однако, недостатком указанных способа и устройства является то, что установка датчиков физиологических параметров должна осуществляться непосредственно на теле машиниста, что вызывает его дискомфорт в процессе управления поездом. Особенно это касается неинвазивных датчиков давления, устанавливаемых на руке или пальце руки, что ограничивает возможность движения рук оператора при управлении движущимся объектом и вообще недопустимо в условиях управления самолетом. А следовательно, указанные способ и устройство неприменимы не только в условиях линейных полетов и систематических тренировок, но и в условиях несистематических исследовательских полетов.

Решаемая техническая задача повышение достоверности контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом, а также обеспечение комфортности проведения этого контроля.

Задача решается путем выбора небольшого количества наиболее эффективных показателей. В частности, повышение достоверности контроля достигается за счет того, что наряду с измерением данных пульсограммы (ПГ) дополнительно измеряют респирограмму (РГ) оператора. Данные ПГ и РГ преобразуют в данные вариационной пульсограммы (ВПГ) и вариационной респирограммы (ВРГ), определяют статистические характеристики ВПГ и ВРГ, а также спектральные характеристики РГ и ВПГ, после чего определяют когерентность этих спектральных характеристик (РГ и ВПГ).

Сравнение данных статистического и спектрального анализа, полученных во время контролируемого процесса, осуществляют с аналогичными данными предполетного состояния оператора и граничными значениями исследуемых параметров, образующими карту его психофизиологического состояния.

Измерение статистических и спектральных характеристик ВПГ, РГ и ВРГ дистанционно, что помимо достоверности показаний обуславливает применимость заявляемых способа и системы для его реализации в условиях управления самолетом, в том числе в условиях линейных полетов и систематических тренировок, при этом измерения производят без создания дополнительных нагрузок и неудобства для летчика. Повышение же комфортности проведения контроля психофизиологического состояния летчика достигается за счет того, что датчики пульсограммы и респирограммы размещены в штатной гарнитуре пилота, при этом датчик ПГ, в качестве которого в заявляемой системе использованы фотооптический преобразователь, устанавливается на одном из наушников этой гарнитуры, в рабочем положении гарнитуры датчик находится в соприкосновении с участком лица оператора вблизи его ушной раковины. Датчик внешнего дыхания (датчик РГ) оператора выполнен в виде термоанемометрического преобразователя, который в свою очередь выполнен в виде мостовой схемы с терморезистором в ее диагонали, вмонтированным в микрофоне оператора, при этом какие-либо неудобства у оператора не возникают. Во всех известных системах аналогичного назначения датчики физиологических параметров в виде электродов и т.д. монтируются на теле оператора и создают ему дискомфорт и неудобства.

В заявляемой системе предусмотрены конкретные средства для преобразования сигналов ПГ и РГ в сигналы ВПГ и ВРГ, а также средства для формирования статистических и спектральных характеристик сигналов ВПР, РГ и ВРГ и средства для их сравнения с аналогичными данными карты психофизиологического состояния. Эти средства являются отличительными признаками заявляемой системы относительно прототипа (системы по а.с. N 1421304).

Вышеперечисленные признаки отличают заявляемый способ для непрерывного контроля психофизиологического состояния оператора и систему для его реализации от прототипа и обусловливают соответствие этого решения критерию "новизна".

При известности способа и устройства для оценки психофизиологического состояния летчика по патенту Франции N 2615641 существенные отличия, характеризующие изобретательский уровень заявляемых способа и устройства, будут состоять в том, что параметры сердечной деятельности оператора снимаются с помощью фотооптического датчика, а параметры внешнего дыхания с помощью термоанемометрического датчика. Использование указанных датчиков позволило обеспечить их установку в штатной гарнитуре оператора, что исключает необходимость установки датчиков непосредственно на теле пилота в районе грудной клетки, что, как правило, практиковалось в известных системах аналогического назначения. Установка датчиков параметров сердечной деятельности и внешнего дыхания в штатной гарнитуре повышает комфортность пилота при проведении контроля его психофизиологического состояния в процессе его трудовой деятельности, этим самым обеспечивается возможность их широкого использования во время линейных полетов и систематических тренировок (по сравнению со всеми известными системами аналогичного назначения). Существенные отличия заявляемой системы контроля психофизиологического состояния оператора от всех известных систем аналогичного назначения будут также состоять в том, что для контроля указанного состояния использованы такие параметры как когерентность спектральных характеристик РГ и ВПГ, что в совокупности с другими параметрами статистических и спектральных характеристик ВПГ, РГ и ВРГ позволило в значительной степени повысить точность контроля.

Поскольку заявляемый способ контроля психофизиологического состояния оператора в процессе управления движущимся объектом обусловлен специально созданной для этих целей системой контроля, а все действия способа непосредственно сопряжены с работой этой системы, пример конкретного выполнения заявляемого способа для большей ясности изложен после описания примера конкретного выполнения системы контроля и ее работы.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы контроля; на фиг. 2 показана блок-схема устройства для преобразования сигналов ПГ в сигналы ВПГ; на фиг. 3 блок-схема устройства для формирования сигналов РГ и одновременного преобразования их в сигнала ВРГ; на фиг. 4 блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) уравновешивающего типа; на фиг. 5 - структурная схема устройства для оценки психофизиологического состояния оператора по сигналам ВПГ, РГ и ВРГ; на фиг. 6 показаны эпюры сигналов, характеризующих работу устройства формирования сигналов ВПГ, РГ и ВРГ; на фиг. 7 приведено графическое изображение сигналов ВПГ, РГ и ВРГ, характеризующих предполетное состояние конкретного оператора (Norma 1), поступающих из АЦП 6 на дисплей устройства 7; на фиг. 8 графическое изображение сигналов ВПГ, РГ и ВРГ, характеризующих состояние нагружения оператора (Norma 2); на фиг. 9 показаны результаты статистического анализа сигналов ВПГ и ВРГ оператора (Norma 1); на фиг. 10 результаты статистического анализа сигналов ВПГ и ВРГ оператора (Norma 2); на фиг. 11 показано изображение спектральной характеристики ВПГ (Norma 1), а на фиг. 12 изображение спектральной характеристики РГ (Norma 1); на фиг. 13 изображение спектральной характеристики ВПГ (Norma 2), а на фиг. 14 изображение спектральной характеристики РГ (Norma 2); на фиг. 15 изображение функций когерентности между спектрами ВПГ и РГ оператора (Morma 1), а на фиг. 16 изображение функции когерентности между спектрами ВПГ и РГ (Norma 2).

Заявляемая система (фиг. 1) содержит устройство 1 для формирования сигналов ВПГ оператора, устройство 2 для формирования сигналов (РГ), а также последовательно подсоединенную к их выходам РТС (3). Устройства 1 и 2 и передатчик 4 РТС (3) установлены на борту самолета (датчики устройства 1 и 2 устанавливаются в штатной гарнитуре оператора-пилота самолета, а приемник 5 РТС (3) с последовательно подсоединенными к его выходам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (6) уравновешивающего типа и устройством 7 для оценки психофизиологического состояния оператора, также входящими в состав заявляемой системы, устанавливаются в пункте наземной обработки информации. Вместо РТС (3) может быть использован регистратор, например магнитный самолетный регистратор параметров МСРП, устанавливаемый на борту самолета, а его наземная стойка воспроизведения информации устанавливается в пункте ее наземной обработки.

Структурные схемы устройств 1 и 2 показаны на фиг. 2, 3 соответственно. Устройство 1 для формирования сигналов ВПГ содержит фотооптический датчик 8 (фиг. 2), установленный на одном из наушников штатной гарнитуры оператора. В качестве штатной гарнитуры может быть использована гарнитура ГСШ-А-18. В рабочем положении гарнитуры датчик 8 находится в соприкосновении с участком лица оператора рядом с ушной раковиной. Фотодатчик 8 на наушнике гарнитуры установлен с помощью платы и резиновой вставки между этой платой и наушником, что обеспечивает надежный контакт датчика 8 с кожной тканью лица оператора. Фотооптический датчик 8 используется в качестве датчика периодов пульсовой волны, несущей информацию о кардиоинтервалах и частоте сердечных сокращений (ЧСС) оператора. Таким образом, датчик 8 предназначен для преобразования параметров пульсовой волны оператора в электрические сигналы его пульсограммы. Датчик 8 состоит из светодиода 9, световой поток которого модулируется потоком крови в сосудах и капиллярах оператора, находящихся в области измерения, и фотодиода 10, сопротивление которого зависит от величины светового потока. Светодиод 9 и фотодиод 10 размещаются в одной плоскости.

В качестве датчика 8 может быть использован фотоплетизмографический датчик в диапазоне оптических волн. К выходу фотодиода 10 датчика 8 последовательно подсоединены усилитель постоянного тока 11, фильтр 12 низкой частоты и усилитель постоянного тока 13. В качестве усилителей 11 и 13 используется усилитель постоянного тока типа УПТ, в качестве фильтра 12 низкой частоты фильтр Чебышева 4-го порядка. Для преобразования сигналов ПГ в сигналы ВПГ к выходу усилителя 13 последовательно подключены блок 14 преобразования сигнала датчика 8 в кодовую последовательность импульсов, соответствующих положительному фронту пульсограммы, и блок 15 для преобразования этой последовательности импульсов в сигналы ВПГ в зависимости от длительности периодов следования этих импульсов, т.е. в зависимости:

U=f (T_{i пульса}).

Блок 14 выполнен в виде дифференциатора 16 и порогового ограничителя 17. К выходу ограничителя 17 подключен блок 15, который выполнен в виде триггера 18, генератора 19 импульсов стабилизированной частоты, последовательно подключенного к нему делителя частоты 20, а также первого вентиля 21, первого ждущего мультивибратора 22, второго ждущего мультивибратора 23, счетчика 24, второго вентиля 25, регистра памяти 26, цифроаналогового преобразователя 27. При этом выход делителя 20 подключен к первому входу вентиля 21. Выход триггера 18 подключен ко 2-му входу вентиля 21 и ко входу мультивибратора 22, к выходу которого параллельно подключены мультивибратор 23 и первый вход вентиля 25. Выход мультивибратора 23 подключен ко входу блока обнуления счетчика 24. Выход вентиля 21 подключен ко входу счетчика 24, выходы считывания которого последовательно подключены ко вторым входам вентиля 25 и далее ко входам регистра памяти 26 и входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (27). Выход ЦАП (27) через усилитель 28 подключен к первому входу передатчика 4 РТС (3), (фиг. 1). Таким образом, блоки 14 и 15 предназначены для преобразования сигналов пульсограммы оператора (на выходе усилителя 13) в сигналы ВПГ на выходе ЦАП (27).

Устройство 2 (фиг. 1, 3) для формирования сигналов РГ и преобразования их в сигналы ВРГ содержит датчик респирограммы 29, к выходу которого последовательно подключены усилитель постоянного тока 30, фильтр 31 и усилитель постоянного тока 32. В качестве усилителей 30, 32 используется усилитель типа УПТ, в качестве фильтра 31 фильтр Баттворта. В качестве датчика 29, предназначенного для преобразования периода волн потока внешнего дыхания в сигналы, несущие информацию о длине этих периодов и частоте внешнего дыхания (ЧВД), использован термоанемометрический преобразователь, выполненный в виде мостовой схемы с терморезистором в ее диагонали, вмонтированным в области микрофона авиационной гарнитуры и ориентированным на прием воздуха, выдыхаемого через нос. На выходе усилителя 32 формируются сигналы РГ оператора сигналы, отражающие характер изменения во времени интенсивности его внешнего дыхания. К выходу усилителя 32 параллельно подключены усилитель 33 (фиг. 1, 3) для вывода сигналов РГ (U=f (G_дых), где G_дых - интенсивность (частота) дыхания для передачи с выхода усилителя 32 на второй канал передатчика 4 РТС (3) и канал преобразования сигналов РГ оператора в сигналы ВРГ. Этот канал составлен из блока 34 формирования последовательности импульсов, соответствующих положительному фронту сигналов РГ, и блока 35 для преобразования этой последовательности импульсов в сигналы ВРГ в зависимости от длительности периодов следования этих импульсов, т.е. в зависимости:

U f (T_i дыхания)

Блок 34 выполнен в виде последовательно соединенных дифференциатора 36, усилителя постоянного тока 37 и ограничителя 38. К выходу ограничителя 38 подключено устройство 35, составленное из блоков 39-49. В случае работы оператора в условиях ветра в блоке 34 устройства 2 может быть предусмотрен специальный фильтр для фильтрации сигналов РГ от сигналов, обусловленных наличием этого ветра. В этом случае фильтр должен быть подключен между дифференциатором 36 и усилителем 37. С этой целью гарнитура РСШ-А-18 дорабатывается (на фиг. 3 фильтр не показан).

Выходы устройства 1, 2 подключены ко входам каналов передатчика 4 РТС (3) (фиг. 1). В качестве РТС (3) может быть использована РТС типа "Орбита".

Зарегистрированная в полете и переданная по каналам РТС (3) информация о психофизиологическом состоянии пилота (сигналы ВПГ, РГ и ВРГ, несущие информацию о его ЧСС и ЧВД) должна быть обработана на ЭВМ в пункте наземной обработки информации. Аппаратуру этого пункта составляют приемник 5 РТС (3), к выходам которого последовательно подключены аналого-цифровой преобразователь (6) уравновешивающего типа, и устройство 7 для оценки психофизиологического состояния оператора по показателям, формируемым при использовании сигналов ВПГ, РГ и ВРГ (фиг. 1).

В качестве АЦП (6) может быть использован интегративный преобразователь. АЦП (6) (фиг. 4) выполнен в виде генератора 50, подключенного через схему 51 синхронизации и управления к трем каналам преобразования аналоговых сигналов ВПГ, РГ и ВРГ, принятых по каналам РТС (3). Канал преобразования сигналов ВПГ в цифровую форму выполнен в виде сравнивающего устройства (СУ) 52, счетчика 53, ЦАП 54 и регистра памяти 55. Первый вход СУ (52) подключен к выходу первого канала приемника 5 РТС (3), а выход ко входу "Стоп" счетчика 53. Входы счетчика "пуска", "сброса", "тактовой частоты" подключены к соответствующим выходам схемы синхронизации и управления 51. Выход ЦАП (54) подключен ко второму входу СУ (52). Выход регистра памяти 55 подключен к первым входам устройства 7 (фиг. 1, 5), для оценки психофизиологического состояния оператора. Каналы преобразования сигналов РГ (блоки 56-59) и сигналов БРГ (блоки 60-63) в цифровую форму выполнены аналогично.

Оцифрованные значения сигналов ВПГ, РГ и ВРГ, несущие информацию о ЧСС и ЧВД исследуемого оператора, с выхода АЦП (6) подаются на вход устройства 7 для оценки психофизиологического состояния оператора по показателям, формируемым при использовании этих сигналов (фиг. 1, 5).

Качественная оценка изменений психофизиологического состояния оператора в условиях нагружения различной степени сложности базируется на методике "биологического портрета", в основе которой заложено сопоставление физиологических параметров оператора, зарегистрированных в момент рабочей (полетной) нагрузки, с двумя опорными (базовыми) величинами:

1) исходными значениями этих физиологических параметром, характеризующих его предполетное состояние;

2) усредненными физиологическими параметрами при выполнении предыдущих полетных режимов, а также с пределами изменений (максимальными изменениями) контролируемых параметров, зарегистрированными ранее в экстремальных летных условиях.

Для хранения указанных данных в устройство 7 введен блок 64 блок хранения данных "биологического портрета".

В устройство 7 входят также:

1) канал оценки статистических и спектральных характеристик ВПГ (блоки 65-86);

2) канал оценки спектральных характеристик РГ (блоки 86-95);

3) канал оценки статистических характеристик ВРГ (блок 96-106);

4) канал оценки когерентности сигналов ВПГ и РГ (блоки 107-112).

Каждый из вышеназванных каналов имеет блочную структуру и сформирован на базе прикладных программ, написанных на языке Си для ЭВМ РС АТ. Каждый из указанных каналов состоит из блока сбора и хранения исходной информации, подключенного к соответствующему выходу АЦП (6), а также блоков с набором функций, с помощью которых осуществляют необходимый расчет статистических и/или спектральных характеристик исследуемых физиологических параметров оператора.

В частности, канал оценки статистических и спектральных характеристик ВПГ состоит из двух подканалов:

1) подканала расчета и оценки статистических характеристик сигналов ВПГ (блоки 65-75) с блоком 65 сбора и хранения массива исходных данных, необходимых для расчета этих характеристик;

2) подканал расчета и оценки спектральных характеристик сигналов ВПГ (блоки 76-85) с блоком 76 сбора и хранения массива исходных данных, необходимых для расчета этих характеристик.

Блоки 65, 76 в этом канале по сути составляют один общий блок сбора и хранения массивов исходных данных ВПГ, подсоединенный к выходу канала АЦП (6) прохождения этого сигнала. В целях наглядности представления графических материалов и ясности последующего изложения, в том числе формулы изобретения, этот общий блок разделен на 2 блока 65 и 76.

Ниже рассмотрен подканал расчета и оценки статистических характеристик канала обработки сигнала ВПГ. Блок 65 этого подканала заполняется массивом исходных данных ВПГ, который в рассматриваемой программе обозначен как CURVES[1] len, где len длина выборки обрабатываемого массива данных (программа рассчитана для обработки до 1024 значений, т.е. len=256:1024).

Блоки 66-70 подключены к первым, вторым, третьим, четвертым, пятым выходам блока 65 соответственно. Выходы блоков 66-70 подключены к входам блока 71 (к первым, вторым, третьим, четвертым, пятым его входам соответственно).

Блок 66 предназначен для формирования массива min (1) и max (1) - массивов минимальных и максимальных значений исходных данных ВПГ, поступающих в блок 65 из АЦП (6).

Блок 67 предназначен для расчета математических ожиданий исходных данных ВПГ и формирования массива MEAN (1). Блок 67 подключен к блоку 65 с обратной связью.

Блок 68 предназначен для вычисления массива дисперсий сигналов ВПГ - VAR[1] массива коэффициентов их асимметрии ASYM[1] и массива коэффициента эксцесса CURT[1]

Блок 68 подключен к блоку 65 также с обратной связью.2 Полученные массивы существуют только в течение работы данного режима и только два из них: MEAN[1] и VAR[1] формируют зарезервированные в блоке 65 глобальные массивы. С этой целью вторые выходы блоков 67, 68 подключены ко вторым и третьим входам блока 65 соответственно.

Блок 69 предназначен для построения кривых частотного распределения данных ВПГ с заданным интервалом группирования, определенном в глобальном массиве HIST STAND [1][2]

Блок 70 предназначен для расчета массива MOD[1] максимальных количеств значений частот, попавших при группировке исходных данных в массив HIST[1] [nbox] и массива Gh[1] массив соответствующих модальных интервалов.

Блок 71 предназначен для построения на дисплее изображения гистограмм и всех расчетных статистических показателей для рассматриваемого канала (канала оценки сигналов ВПГ); математического ожидания, дисперсии, модального интервала, минимального и максимального значений данных, коэффициентов асимметрии и эксцесса.

Ко вторым выходам блоков 66, 67, 68, 70 подключены второй, третий, четвертый и пятый блок сравнения 72, 73, 74, 75 (их первые входы) соответственно. Вторые входы этих блоков сравнения подключены к первым выходам блока 64 хранения данных "биологического портрета" оператора. Ко вторым выходам этого блока подключены вторые входы аналогичных блоков сравнения в канале оценки статистических характеристик ВРГ, сведения о котором будут представлены ниже.

Указанные блоки сравнения предназначены для оценки статистических характеристик сигнала ВПГ (ВРГ). Алгоритмы всех вычислительных блоков устройства 7, составляющих суть их конструктивного выполнения, подробно изложены ниже в разделе описания их работы.

Подканал расчета и оценки спектральных характеристик сигнала ВПГ составлен из блоков 76-85 с блоком 76 сбора и хранения исходной информации в этом подканале. Первые входы блока 76, как и первые входы блока 65 подключены к соответствующим выходам первого канала АЦП (6) канала прохождения сигнала ВПГ. К первому выходу блока 76 подключен канал оценки когерентности спектров сигналов ВПГ и РГ. Ко второму выходу блока 76 подключены последовательно связанные между собой блоки 77-84. Вторые выходы блоков 79, 81, 82 подключены ко вторым, третьим и четвертым входам блока 76.

Блоки 77-79 предназначены для подготовки данных ВПГ к последующим расчетам их спектров, а также к расчетам когерентности спектров данных ВПГ со спектрами данных РГ.

Блок 77 предназначен для удаления из временного ряда CURVES[1] [len] линейного тренда и заполнения массивов REX[1][len] и INX[1] [len] очищенными от линейного тренда значениями из массива CURVES[1] [len]

Блоки 78-79 предназначены для реализации алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) для последовательности комплексных чисел (по методу Кули-Тьюки вычисления БПФ). В блоке 78 вычисляют прямое БПФ для комплексной последовательности y(j) _ C(n), а в блоке 79 вычисляют БПФ для исходной последовательности x(K) на основе последовательности c(n). Алгоритмы этих блоков подробно изложены ниже.

Блоки 80-84 предназначены для расчета данных спектров ВПГ. В качестве исходных данных используются глобальные массивы REX[1] [len]IMX[1][len] которые уже сформированы в блоках 78-79.

Блок 80 предназначен для расчета спектра мощности из прямого преобразования Фурье.

Блок 81 предназначен для сглаживания значений данных массива SS[1][len]

Блок 82 предназначен для расчета массива шумовых критериев для рассматриваемого канала.

Блок 83 предназначен для вывода на дисплей графиков спектральной функции с указанием значений величин всех ее локальных максимумов, превышающих "шумовые критерии", и с указанием соответствующих им частот.

К выходу блока 83 подключен блок 84, который предназначен для корректировки шумовых критериев с клавиатуры. С этой целью первый выход блока 84 подключен ко второму входу блока 83. Второй выход блока 84 подключен к пятому входу блока 76. Ко второму выходу блока 83 подключены первые входы шестого блока сравнения 85, вторые входы этого блока подключены к третьим входам блока 64 хранения данных "биологического портрета" оператора. К четвертым выходам блока 64 подключены вторые входы аналогичного блока сравнения в канале оценки спектральных характеристик РГ.

Канал оценки спектральных характеристик сигнала РГ (блоки 86-95) выполнен аналогично рассмотренному подканалу, состоящему из блоков 76-85, а канал оценки статистических характеристик ВРГ (блоки 96-106) выполнен аналогично рассмотренному подканалу ВПГ (блоки 65-75).

В устройство 7 входит также группа блоков 107-111, предназначенных для расчета когерентности спектров сигналов ВПГ и РГ, и блок 112 для оценки результатов этого расчета.

Блоки 107-111 соединены между собой последовательно. Входы указанной группы блоков (первые и вторые блока 107) подключены к первым выходам блока 76 и первым выходам блока 86 соответственно. Сигналы с выходов этих блоков (76 и 86) должны быть также подключены ко второму и третьему входам блока 109.

Блок 107 предназначен для расчета взаимного спектра массива SS[1][len] и SS [2][len]

Блок 108 предназначен для окончательного расчета значений когерентности спектров ВПГ и РГ.

Блок 109 предназначен для сравнения полученных значений когерентности с "шумовым порогом" (седьмой блок сравнения).

Блок 110 предназначен для сглаживания функции когерентности.

Блок 111 предназначен для осуществления выдачи на экран графиков функции когерентности и цифровых значений пиков функции с соответствующей им частотой.

Алгоритмы вычислительных блоков 107-111 подробно изложены в описании их работы.

Оценка когерентности осуществляется восьмым блоком сравнения 112. Первый вход этого блока подключен к выходу блока 111, а второй вход к пятому выходу блока 64 хранения "биологического портрета" оператора.

В случаях, когда время исследования психофизиологического состояния оператора превышает 3 мин, а требования к оценке этого состояния повышены, в устройство 7 может быть введен канал расчета когерентности спектров сигналов ВПГ и ВРГ; этот канал выполнен аналогично рассматриваемому каналу оценки когерентности спектров сигналов ВПГ и РГ (блоки 107-112) и на чертеже не показан.

Система работает следующим образом. Как указывалось выше, показатели оценки психофизиологического состояния оператора в соответствии с данным изобретением формируются по сигналам ВПГ, РГ и ВРГ, несущим информацию о кардиоинтервалах и распироинтервалах (периодах дыхания) оператора, а следовательно информацию о его ЧСС и ЧВД. Формирование же сигналов ВПГ оператора осуществляют с помощью устройства 1 (фиг. 1 и 2). При этом сигналы пульсограммы сердечной деятельности оператора в этом устройстве снимаются с помощью фотооптического датчика 8, который устанавливается в одном из наушников гарнитуры, в рабочем положении соприкасающихся с участком лица оператора (вблизи ушной раковины). Работа схемы устройства 1 показана на фиг. 6. Световой поток, излучаемый светодиодом 9, на длине волны красного цвета при отражении от кожных покровов освещенного участка лица оператора модулируется потоком крови, проходящей в сосудах и капиллярах этого участка. При этом степень модуляции интенсивности светового потока светодиода 9 в каждый момент времени определяется мгновенным количеством (объемом) крови в этих сосудах и капиллярах. Модулированный поток светодиода 9 попадает на фотодиод 10, сопротивление которого зависит от величины интенсивности этого потока. В результате на выходе датчика 8 (выходе фотодиода 10) формируются сигналы пульсограммы напряжение, пропорциональное мгновенному значению объема крови в сосудах и капиллярах, находящихся в области расположения датчика 8. Сигнал датчика 8, несущий информацию о пульсовой волне оператора (сигнал пульсограммы, частота которого определяется ЧСС оператора) после усиления в усилителе 11 поступает в фильтр низкой частоты 12, с помощью которого осуществляют фильтрацию неинформативных высокочастотных составляющих пульсограмм. В качестве фильтра 12 используется фильтр Чебышева 4-го порядка. После усиления в усилителе 13 отфильтрованный сигнал пульсограммы (фиг. 6,а) поступает на вход схемы 14 формирования кодовой последовательности импульсов, соответствующих положительному фронту пульсограммы оператора. В дифференциаторе 16 этой схемы происходит дифференцирование сигналов, поступающих с выхода усилителя 13 (фиг. 6,б), а в пороговом ограничителе 17 выделяются импульсы, соответствующие положительному фронту пульсограмм (фиг. 6,в). Импульсы с выхода ограничителя 17 поступают на вход триггера 18 схемы 15, которая предназначена для преобразования последовательности импульсов пульсограммы операторов в сигнале его ВПГ, получаемых путем преобразования периодов пульсовых волн в вариационный ряд в зависимости от длительности следования этих импульсов, т.е. в зависимости:

U f (T_i пульса).

На выходе триггера 18 формируются импульсы открытия вентиля 21 схемы 15 для прохода импульсов стабилизированной частоты с генератора 13 и делителя 20. Импульсы генератора 19 с выхода вентиля 21 поступают на счетчик 24, который осуществляет счет импульсов генератора 19 в промежутке между импульсами ограничителя 17. Сигнал триггера 18, поступающий на вход мультивибратора 22 предназначен для формирования импульса открытия вентиля 25 для переноса информации счетчика в регистр памяти 26 (фиг. 6,г). Сигнал с выхода мультивибратора 22 подается также на вход мультивибратора 23, где формируется сигнал, направляемый на схему счетчика 24 для его обнуления (фиг. 6,д). После преобразования цифровой информации блока памяти 26 (фиг. 6,е) в ЦАП (27), на его выходе формируется аналоговый сигнал ВПГ оператора. С приходом следующего импульса с выхода триггера 18 на вход вентиля 21 цикл повторяется.

После усиления в усилителе 28 аналоговый сигнал ВПГ оператора на выходе схемы 15 устройства 1 поступает на вход первого канала передатчика 4 PTC (3) и после передачи по этому каналу направляется в пункт наземной обработки информации (на вход первого канала приемника 5 РТС (3)) и далее на вход первого канала АЦП 6 уравновешивающего типа, и на вход устройства 7 оценки психофизиологического состояния оператора (фиг. 1, 5).

Формирование сигналов РГ оператора осуществляют с помощью устройства 2 (фиг. 2, 3). В качестве датчика сигналов воздушного потока внешнего дыхания (сигнала, частота которого определяется частотой внешнего дыхания ЧВД и несущего информацию о респироинтервалах оператора) использован термоанемометрический преобразователь 29, выполненный в виде мостовой схемы с терморезистором в ее диагонали, размещенным в микрофоне гарнитуры оператора.

Изменение сопротивления терморезистора при обдувании его переменным по скорости потоком воздуха во время дыхания оператора приводит к возникновению напряжения на выходе преобразователя 29. Т.е. на выходе преобразователя 29 формируется сигнал РГ оператора, отражающий характер изменения во времени интенсивности его внешнего дыхания. Сигнал РГ оператора [U=f(G дых)] после усиления в усилителе 30, фильтрации в фильтре 31 и усиления в усилителе 32, с одной стороны, поступает на вход усилителя 33 (фиг. 3), после усиления в котором направляется на вход второго канала передатчика 4 РТС (3), а после передачи по этому каналу в наземный пункт обработки информации на вход второго канала приемника 5 РТС (3) и далее на второй вход АЦП (6) с последующей передачей на вход программного устройства 7 оценки психофизиологического состояния оператора;

С другой стороны, сигнал РГ с выхода усилителя 32 направляется в канал преобразования этого сигнала в сигнал ВРГ. Схема 34 этого канала формирует кодовую последовательность импульсов, соответствующих положительному фронту сигналов РГ, а схема 35 преобразует эту последовательность импульсов в сигнал ВРГ в зависимости от длительности периодов следования этих импульсов, т. е. в зависимости:

U f (T_i дыхания)

Схема 34 формирования кодовой последовательности импульсов работает аналогично схеме 14 устройства 1 этого же назначения с той лишь разницей, что выходной сигнал дифференциатора 36 перед поступлением на вход порогового ограничителя 38 должен быть усилен в усилителе 37. Схема 35 для преобразования последовательности импульсов схемы 34 в сигналы ВРГ в зависимости от длительности периодов следования этих импульсов работает аналогично схеме 15 устройства 1. Отличие состоит только в том, что для заполнения интервалов импульсов схемы 34 используется генератор 40 стабилизированной частоты с периодом 10 мс, а для заполнения интервалов импульсов схемы 14 генератор 19 стабилизированной частоты с периодом 1 мс.

Таким образом, на выходе устройства 1, 2 предварительной обработки и сжатия информации формируются три сигнала примерно одинаковой спектральной плотности в частотном диапазоне 0-5 Гц:

U f(T_i пульса) сигнал вариационной пульсограммы (ВПГ);

U f(G дых) сигнал респирограммы (РГ);

U f(T_i дых) сигнал вариационной респирограммы (ВРГ).

Указанные сигналы по каналам РТС (3) (передатчик 4, фиг. 1) передаются в пункт наземной обработки, в состав которого входят приемник 5 РТС (3), АЦП (6) уравновешивающего типа, в качестве которого может быть использован интегративный преобразователь, и программное устройство 7 оценки психофизического состояния оператора по показателям, формируемым сигналами ВПГ, РГ и ВРГ.

Использование РТС (3) дает возможность регистрации психофизиологического состояния оператора непосредственно в полете, осуществляемой в наземном пункте.

Вместо РТС (3) в системе может быть использован магнитный самолетный регистратор параметров полета типа МСРП. В этом случае в полете осуществляют запись данных, характеризующих психофизиологическое состояние оператора, считывание этих данных с магнитной ленты осуществляют в наземных условиях. Эти данные могут заноситься также в так называемый "черный ящик", используемый для регистрации полетных данных на случай аварии самолета. В случае возникновения аварийной ситуации данные могут использоваться при установлении психофизиологической нагрузки экипажа в период времени перед аварией.

В материалах заявки рассмотрен случай использования РТС для передачи данных психофизиологического состояния оператора на земле. Как указывалось выше, прием этих данных на наземном пункте осуществляют с помощью приемника 5, после чего они направляются в АЦП (6) уравновешивающего типа. Блок-схема АЦП (6) показана на фиг. 4. АЦП (6) содержит 3 канала:

1) канал прохождения сигналов ВПГ;

2) канал прохождения сигналов РГ;

3) канал прохождения сигналов ВРГ.

В частности, напряжение, пропорциональное сигналу ВПГ оператора, после приема приемником 5 РТС (3) поступает на вход первого канала АЦП (6). Это напряжение уравновешивается до порога чувствительности блока сравнения 52 посредством ЦАП 54, который управляется счетчиком 53, заполняемым стабилизированной частотой от генератора 50 по сигналу рассогласования (U_вых-U_обр) блока сравнения 52. Накопление данных происходит в регистре памяти 55, в стеке которого формируются массивы данных одинаковой соразмерности с данными двух остальных каналов АЦП (6) для дальнейшей математической обработки. Преобразование сигналов РГ и ВРГ в АЦП (6) происходит аналогично. После преобразования в АЦП (6) оцифрованные значения сигналов ВПГ, РГ и ВРГ с его регистров памяти 55, 59, 63 соответственно подаются на вход программного устройства 7 для определения их статистических и спектральных характеристик, а также когерентности спектров сигналов ВПГ и РГ, в совокупности определяющих психофизиологическое состояние оператора.

Как указывалось выше, качественная оценка изменений психофизиологического состояния оператора в условиях полета различной степени сложности базируется на методологии "биологического портрета", в основе которой заложено сопоставление физиологических параметров оператора, зарегистрированных в момент рабочей нагрузки, с физиологическими параметрами его "биологического портрета". Для составления "биологического портрета" конкретного оператора используются следующие данные:

1) исходные значения физиологических параметров, характеризующих его предполетное состояние (состояние после того, как оператор занял место в кабине самолета, включил данную систему для оценки своего физиологического состояния, после чего начал запуск двигателей и т.д.).

2) Усредненные физиологические параметры, зарегистрированные при выполнении предыдущих полетных режимов различной степени сложности, при этом дополнительно формируют массив данных, характеризующих изменения физиологических процессов оператора в случае экстремальных ситуаций. Эти изменения должны быть представлены в виде предельных изменений контролируемых физиологических реакций, т.е. максимальных изменений этих параметров, зарегистрированных ранее. Во время последующих полетов эти данные уточняются.

В качестве указанных данных в соответствии с заявленным изобретением использованы статистические и спектральные характеристики временных рядов кардиоинтервалов и периодов дыхания (респироинтервалов). При этом в число исследуемых статистических характеристик входят их средняя величина, дисперсия, медиана, мода. В число исследуемых спектральных характеристик входят:

а) амплитуда пиков спектров в определенных частотных окнах (0,01-0,1 Гц; 0,1-0,2 Гц; 0,2-0,4 Гц); частотные окна установлены в процессе экспериментов по изучению аналогичных физиологических процессов;

б) изменение частоты спектральных пиков;

в) нормированная спектральная мощность (по площади) в соответствующих спектральных окнах по отношению к суммарной спектральной мощности.

Таким образом, оценку изменений психофизиологического состояния оператора (оценку устойчивости и вариабельности сердечной деятельности и дыхания) в условиях реального нагружения в полете осуществляют в сопоставлении вышеуказанных статистических и спектральных характеристик временных рядов кардио и респироинтервалов с аналогичными данными "биологического портрета".

При этом первичные статистические характеристики отражают состояние регуляции сердечно-сосудистой и дыхательной системы на момент анализа и являются критериями сопоставления с аналогичными данными в другой момент времени (при других психофизиологических нагрузках).

Как указывалось выше, устройство оценки психофизиологического состояния оператора содержит блок 64 хранения данных "биологического портрета" оператора, а также:

1. Канал расчета и оценки статистических и спектральных характеристик ВПГ (блоки 65-85);

2. Канал расчета спектральных характеристик РГ (блоки 86-95);

3. Канал расчета и оценки статистических характеристик ВРГ (блоки 96-106);

4. Канал расчета и оценки когерентности спектров сигналов РГ и ВПГ (блоки 107-112).

Указанные каналы сформированы на базе прикладных программ, программы написаны на языке Си для ЭВМ РС АТ. Каждый из каналов имеет блочную структуру и состоит из основного блока блока сбора и хранения исходной информации, и набора функций, включающихся в работу по мере необходимости.

Основной блок программы осуществляет также последовательный вызов необходимых функций.

Все глобальные переменные и массивы, т.е. данные, необходимые для работы функций, вынесены в главную часть программы. Они сохраняют свои значения в течение всей работы программы, и к ним имеют доступ все функции. Однако, следует отметить, что не все глобальные переменные и массивы в начале своей работы имеют реальные значения. Часть из них заполняется нулями, а реальные значения они получают по окончании работы соответствующих функций; часть имеет определенные, заранее заданные (по умолчанию) значения, но в зависимости от реальных условий исследования эти переменные и массивы переопределяются. Указанные переменные и массивы заполняются реальными значениями до их использования в качестве исходных данных для обработки.

Ниже приведен список глобальных переменных и массивов с указанием их параметров и этапностью заполнения исходными значениями. Необходимо отметить, что резервируемые массивы, как правило, (за редкими исключениями, которые будут пояснены отдельно) имеют размерность Nlen, где N количество вводимых сигналов (в заявляемом устройстве N=3), а len длина выборки (программа рассчитана до 1024 значений).

1. Список переменных и массивов, имеющих постоянные значения, т.е. не зависящие от реальных значений принимаемых вышеуказанных физиологических сигналов HIST STAND [N] [2] (400, 40, 1000, 400, 0,5). Элементами первого столбца матрицы HIST STAND [N][1] являются минимально допустимые значения физиологических сигналов. А второй столбец матрицы HIST STAND [N][2] включает массив задаваемых интервалов группирования для построения гистограмм частотного распределения.

2. Список переменных и массивов, имеющих определенные (заранее заданные по умолчанию) значения (в зависимости от реальных условий эксперимента эти значения могут переопределяться):

N 3 количество обрабатываемых каналов (массивов данных);

len длина обрабатываемого массива;

TKVANT 200 мс частота квантования сигнала.

3. Список переменных и массивов в начале работы программы, имеющих нулевые значения и заполняемых реальными данными в результате работы соответствующих функций:

CURVES [N][len] массив исходных данных;

MEAN [N] массив средних значений по каждому каналу;

VAR [N] массив дисперсий каждого канала;

MAX [N] массив максимальных значений исходных данных по каждому каналу;

REX [N][len] массив действительных значений, получаемых методом быстрого преобразования Фурье;

IMX [N] [len] массив мнимых значений, получаемых методом быстрого преобразования Фурье;

SS [N][len] массив значений спектров мощности;

KOSF [N] массив шумовых критериев.

Все прочие переменные и массивы используются в программе как локальные. Они существуют в момент работы функций, имеют свои временные значения и уничтожаются по окончании соответствующего режима обработки.

Ниже работа всех каналов устройства 7 рассмотрена на примере работы канала (блоки 65-85), состоящего из двух подканалов;

1) подканала расчета и оценки статистических характеристик ВПГ (блоки 65-75) и

2) подканала расчета и оценки спектральных характеристик (блоки 76-85).

Приведено описание режимов математических обработок, существующих в программе и краткое описание работы этих программных блоков.

Вначале рассмотрена работа подканала оценки статистических характеристик ВПГ (блоки 65-75).

Блок 65 блок сбора данных сигналов ВПГ. В блоке 65 осуществляют заполнение из АЦП (6) массива CURVES [1][len] необходимых для расчета статистических характеристик сигналов ВПГ, где:

len длина обрабатываемого массива данных.

len 256, 512 или 1024.

Блок 65 (фиг. 1, 4) осуществляет сбор данных по рассматриваемому подканалу, а также отображение полученных значений на дисплее, в частности отображение на экране и просмотр полученных кривых ВПГ. Кривая ВПГ представляет собой графическое отображение мгновенных изменений частоты пульса. Визуальный анализ кривой ВПГ позволяет выявить патологические нарушения ритма сердца различного происхождения и удалить фрагмент записи с артефактом (изменениями характеристик изучаемого процесса, связанными с различными факторами техническими, биологическими и т.д. не отражающими действительный характер исследуемого физиологического процесса).

Таким образом, блок 65 обеспечивает возможность выделения необходимых отрезков кривых ВПГ для последующей обработки. Затем массив исходных данных CURVES [1] [len] характеризующий эти выбранные отрезки кривых, поступает в режим расчета статистических характеристик и построения гистограмм (блоки 65-70).

В режиме расчета статистических характеристик и построения гистограмм в качестве исходных данных используется массив CURVES [1][len] Режим рассчитывает нижеприведенные статистические характеристики и строит гистограмму частотного распределения данных с заданным интервалом группирования; для дальнейших расчетов используются массивы:

MEAN [1] средних значений исходных данных для рассматриваемого канала (подканала);

VAR [1] массив дисперсий;

MAX [1] массив максимальных значений данных;

MIN [1] массив минимальных значений данных.

Итак, массив CURVES [1][len] поступает в каждый из блоков 66-70 в качестве исходных данных.

Блок 66 формирует массив минимальных и максимальных значений исходных данных для рассматриваемого канала (подканала) данных ВПГ.

Блок 67 осуществляет расчет математических ожиданий для исходных данных ВПГ и занесение в массив MEAN [1]



где j номер текущей точки.

Блок 68 осуществляет вычисления:

а) массива дисперсий VAR [1] для рассматриваемого канала:



б) массива коэффициентов асимметрии ASYM [1]



в) массива коэффициентов эксцесса CURI [1]



Полученные массивы существуют только в течение работы данного режима и только два из них (MEAN [1] и VAR [1]) формируют зарезервированные в блоке 60 глобальные массивы.

Блок 69 осуществляет построение частотного распределения вышеуказанных данных (вычисленных в блоках 66-68) с заданным интервалом группирования, определенном в глобальном массиве HISTSTAD [1] [2]

Локальная переменная n_box=40 определяет число интервалов группирования; в локальный массив HIST [1][n_box] заносится количество данных, соответствующих данному временному интервалу.

Эта операция является предварительной для последующего построения гистограмм вышеуказанных данных.

Блок 70 осуществляет расчет массива MOD [1] величин мод для рассматриваемого канала, то есть максимальных количеств значений частот, попавших при группировке исходных данных в массив HIST (1) (n_box) для рассматриваемого канала и массива Ch (1) массива соответствующих модальных интервалов.

Блок 71 осуществляет построение гистограмм частотного распределения статистических характеристик ВПГ на дисплее (характеристик кардиоинтервалов), которые включают в себя определение математического ожидания, дисперсии, моды, модального интервала, минимального и максимального количества значений данных, коэффициентов асимметрии и эксцесса, являющихся основными показателями стабильности и изменчивости сердечного ритма.

Таким образом, блок 71 дает возможность вывода на средства регистрации полученных гистограмм и данных расчетов.

Результаты расчетов статистических характеристик ВПГ, произведенных в блоках 66, 67, 68, 70, направляются в блоки сравнения 72-75, соответственно, для последующего анализа этих расчетов.

Сравнение проводится по статистическим характеристикам временных рядов (средние величины ЧСС и ЧВД, их дисперсия, мода, медиана) и предполагает использование традиционных критериев параметрической статистики по каждому из контролируемых параметров. В случае анализа экстремальных ситуаций изменения физиологических процессов сопоставляются только с пределами изменений исследуемых физиологических реакций, т.е. с максимальными изменениями этих процессов, зарегистрированными ранее. При этом алгоритмы блоков сравнения формируются на базе ЭВМ известным способом в зависимости от исходных значений контролируемых параметров (предполетного состояния), а также в зависимости от наличия/отсутствия усредненных значений этих параметров и их предельных значений (в случае исследования экстремальных ситуаций).

Результаты анализа статистических характеристик ВПГ для конкретного оператора приведены ниже.

Далее рассмотрена работа подканала оценки спектральных характеристик сигнала ВПГ (блоки 76-85) в канале обработки этого сигнала. Блок 76 этого подканала заполняется массивом исходных данных ВПГ, необходимых для расчета спектральных характеристик и когерентности, который также обозначен как CURVES [1][len]

Блоки 77-79 предназначены для подготовки (преобразования) необходимых данных к расчетам спектров сигналов ВПГ и их последующему анализу. Исходными данными для работы служит частота квантования исходного сигнала tkvant, массив исходных данных CURVES [1][len] и массив уже рассчитанных к текущему моменту дисперсий VAR [1] по рассматриваемому каналу.

Массивы REX [1] [len] и IMX [1][len] зарезервированы в главной части программы и являются глобальными. К текущему моменту они заполнены нулями.

Блок 77 производит удаление из временного ряда CURVES [1][len] линейного тренда и заполняет массивы REX [1][len] и IMX [1][len] очищенными от линейного тренда значениями из массива CURVES [1][len]

Для элементов yt массива CURVES [1][len] рассматриваемых как значения функции в моменты времени t=0,1. len-1, вычисляются коэффициенты линейной регрессии y=at+b, где



и рассчитывает очищенные от тренда значения

t=0,1. len-1.

Для дальнейшей обработки (для БПФ) значения с четными индексами j= 0,1. len/2 размещаются в массиве REX (1) (len), а значения _t нечетными индексами j=0,1. len/2 в массиве IMX (1) (len) рассматриваемого канала. То есть, в блоке 77 по исходной последовательности x(k), K=0,1, N-1-2^m-1. составляется комплексная последовательность:



Блоки 78-79 реализуют алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ) для последовательности комплексных чисел x(j), j=0,1, len-1, где длина последовательности len равна степени числа 2:

len 2^m (метод Кули-Тьюки вычисления БПФ).

Исходными данными для блоков 78-79 являются:

inv признак прямого (=0) или обратного (< >) БПФ;

t kvant интервал квантования;

REX [1] [len] массив действительных частей элементов последовательности x(j);

IMX [1][len] массив мнимых частей элементов последовательности x(j);

m= log₂len показатель степени числа 2, определяющий длину последовательности x(j);

Если inv= 0, система переходит к блоку 78 и вычисления производятся по формуле:



где W_len= exp(2/len) комплексная экспонента i=SQR(-1).

Значения a(n) вычисляются на месте x(j), т.е. в массиве REX [1][len] действительные части a(n), а в массиве IMX [1][len] мнимые части a(n). То есть, в блоке 78 вычисляется прямые БПФ для комплексной последовательности

y(j) ____ c(n), j, n 0,1, len

В блоке 79 на основе последовательности c(n) вычисляется БПФ для исходной последовательности x(K):

x(к) ----L a(n)

по формулам:



То шесть, заданием inV 0 система переходит к блоку 79, и массивы REX [1] [len] и IMX [1] [len] задают действительную и мнимые части последовательности a(n), а вычисления производятся по формуле:



Результаты вычислений помещаются в тех же массивах; последовательность x(j) вычисляется на месте последовательности a(n), то есть в массивах REX [1][len] и IMX [1][len]

В блоке 79 на основе блока 78 для комплексной последовательности вычисляют БПФ для исходной действительной последовательности.

На этом же принципе вычисляют компоненты БПФ a(n), n=0,1, len, а значения для n > len, если потребуется, могут быть вычислены, так как последовательность a(n), четная по сопряжению.

Режим расчета спектров осуществлен в блоках 80-84.

В качестве исходных данных используют глобальные массивы REX [1][len] IMX [1][len] которые уже сформированы в блоках 78-79.

В блоке 80 осуществляют расчет спектра мощности из прямого преобразования Фурье по формуле:



где j номер текущей точки.

Знаком ~ ~ обозначена "несглаженная оценка спектра", то есть в массиве SS [1] [len] первоначально заносятся "несглаженные" значения спектров по рассматриваемому каналу.

В блоке 81, куда поступает массив SS [1] [len] с "несглаженными" значениями спектров по рассматриваемому каналу, производится "сглаживание" этих значений, и в тот же массив помещаются "сглаженные" значения. То есть, в результате глобальный массив SS [1][len] содержит "сглаженные" значения спектров по исследуемому каналу. "Сглаживание" производится усреднением шесть раз по три точки с весовыми функциями: 1/2, 1/4, 1-2.

В блоке 82 рассчитывают массив шумовых критериев для рассматриваемого канала. Эти данные помещают в глобальный массив KOSF [1] для последующего расчета функции когерентности в блоке 112. Ниже приведена формула автоматического расчета шумового критерия для данного канала (используемые переменные m и m₁ определяются в функции как локальные):

m 60000/ max (1);

m m-1;

m₁ 60000/m;

m m₁ max (1);

KOSF (1) m.

В блоке 83, куда поступает массив SS [1][len] и KOSF [1] на его дисплей выводят графику спектральной функции (спектр амплитуд ВПГ) с указанием значений величин всех ее локальных максимумов, превышающих шумовые критерии, и указанием соответствующих им частот.

Спектр ВПГ позволяет выявить выраженность недоступных визуальному анализу временных процессов ВПГ. По выраженности амплитуды низкочастотной части спектра (до 0,01 Гц) и высокочастотной части спектра (от 0,2 до 0,4 Гц) можно судить об индивидуальных особенностях регуляции различными структурами мозга при разных психофизиологических нагрузках. Изменение соотношения амплитуд низкочастотной и высокочастотной области спектра формирует временной паттерн (рисунок) регуляции сердечного ритма.

Однако в реальном эксперименте полученные автоматически шумовые критерии не всегда эффективны. Поэтому, в блоке 84 заложена возможность коррекции этих критериев с клавиатуры. То есть в блоке 84 шумовой критерий, рассчитанный автоматически, заменен на любой другой, в том числе и в массиве KOSF [N]

Работа программы возвращается к блоку 83. При этом на дисплее отображается таблица значений локальных спектральных максимумов и их частот, скорректированная на основании "нового" значения шумового критерия.

Результаты расчетов спектральных характеристик ВПГ (из блока 83) направляются в блок сравнения 85, для последующего анализа этих расчетов. Сравнение данных спектрального анализа ВПГ в условиях нагружения оператора с базовыми (данными биологического портрета конкретного оператора) предполагает следующую процедуру:

а) сопоставление амплитуды (S₀) пиков спектра в определенных частотных окнах (0,01-0,1 Гц); (0,1-0,2 Гц), (0,2-0,4 Гц);

б) сопоставление () частоты () спектральных пиков;

в) сопоставление нормированной спектральной мощности (по площади) в соответствующих спектральных окнах по отношению к суммарной спектральной мощности.

Данные анализа представляются в виде ранжированных экспертных оценок:

I. < 50% лимитов (граничных значений параметров) физиологических процессов слабая реакция;

II. 50-70% лимитов реакция средней интенсивности;

III. 75-100% лимитов интенсивная реакция;

IV. до 150% лимитов реакция напряжения функциональных систем организма;

V. Свыше 150% лимитов реакция истощения функциональных резервов.

Результаты анализа спектральных характеристик ВПГ для конкретного оператора приведены ниже.

Работа канала оценки статистических характеристик ВРГ (блоки 96-106) аналогична работе группы блоков (65-75) рассмотренного канала по оценке характеристик временного ряда ВПГ. Сравнение данных статистического анализа ВРГ в условиях нагружения с базовыми данными "биологического портрета" аналогично сравнению данных анализа статистических характеристик ВПГ.

Необходимо отметить, что итогом вычислений в блоках 66-70 и блоках 17-101 программы являются гистограммы распределения ВПГ и БРГ и представление их первичных статистических характеристик (на дисплеях блоков 71 и 102 - соответственно). Статистические характеристики кардио и респироинтервалов включают определение среднего значения (MEAN [1] и MEAN [3]) длительности кардиоинтервалов и периода дыхания, а также перевод этих значений в обратную величину частоты пульса и дыхания в минуту. Определяются минимальная и максимальная (min [1] max [1] и min [3] max [3] длительности кардиоинтервала и периода дыхания за исследуемый период, их среднее квадратическое отклонение (VAR [1] ) и вариационный размах (ASYM [1] CURT [1]) и (ASYM [2] CURT [2]), являющиеся показателями изменчивости сердечного ритма и дыхания.

Работа канала оценки спектральных характеристик РГ (блоки 86-95) аналогична работе группы блоков (76-85) рассмотренного подканала по оценке спектральных характеристик ВПГ. Сравнение данных спектрального анализа РГ в условиях нагружения с базовыми данными "биологического портрета" аналогично сравнению данных анализа спектральных характеристик ВПГ.

Необходимо отметить, что итогом работы блоков 86-95 является построение спектров амплитуд РГ (реального дыхания), необходимых для детекции дыхательного компонента спектра ВПГ.

Результаты анализа спектральных характеристик РГ и статистических характеристик ВРГ для конкретного оператора приведены ниже.

В блоках 107-112 отображения расчет когерентности спектров сигналов ВПГ и РГ (четвертый канал устройства 7). Необходимо отметить, что к текущему моменту все необходимые массивы для расчета когерентности: массивы (REXC[1] [len] IMX[1]len] SS[1][len] KOS[1] а также массивы REXI[2][len] IMX[2][len] SS[2][len] KOSF[2] уже сформированы.

Вышеуказанные массивы данных поступают на входы блока 107 и 109. Расчет производят следующим образом:



где значения "сглаженных" спектров SS₁(K) и SS₂(K) по первому и второму каналам уже известны, следовательно необходимо рассчитать только величину взаимного спектра (S_ik(K)²) и сгладить ее.

Расчет взаимного спектра производят с помощью локально определенных внутри блока 107 массивов c[len] и C₁[len] где

C(K)=REX[1][K] REX[2][K] + INX[1][K] + IMX[2][K]

C₁(K) IMX[1] REX[2][K] REX[2][K] IMX [2][K]

В блоке 108 осуществляют окончательный расчет значений когерентности.

В блоке 109 полученные значения когерентности сравнивают с "шумовым" порогом, и в случае, если текущее значение когерентности меньше шумового порога, то оно приравнивается нулю.

В блоке 110 осуществляют "сглаживание" функции когерентности.

Сглаживание значений функции когерентности производят аналогично сглаживанию обычных спектров, то есть шестикратным усреднением по трем точкам с весовыми функциями 1/2, 1/4, 1-2.

Блок 111 осуществляет выдачу на экран графиков функции когерентности и цифровых значений пиков функции с соответствующей им частотой.

Результаты расчетов когерентности спектров сигналов ВПГ и РГ, произведенных в блоках 107-111, из блока 111 направляются в блок сравнения 112 для последующего анализа этих расчетов.

Определение временной согласованности (сочетанности) протекания процесса изменения сердечного ритма и частоты дыхания, характеризуемой когерентностью их спектров, осуществляют в блоках 107-112 программы. В большом количестве клинико-экспериментальных работ установлено, что адекватное управление мозгом различных физиологических процессов организует взаимную сочетанность временного протекания ВПГ и РГ. Согласованность изменений этих сигналов при вычислении их когерентности составляет в среднем 0,65-0,75. При переходе на режим автоматизма сердечной деятельности при резком ослаблении центральных механизмов регуляции сердечного ритма и дыхания когерентность стремится к 0.

Напротив, при усилении центральных механизмов регуляции этих физиологических процессов (сознательный контроль частоты и ритмичности дыхания и т. д. ) когерентность стремится к 1. Характеристика изменений всех разобранных выше показателей при различных экспериментальных нагрузках применительно к конкретному оператору изложена ниже.

Предварительно перед проведением анализа расчетов статистических и спектральных характеристик сигналов ВПГ, РТ и ВРГ необходимо отметить физиологическую значимость статистических и спектральных характеристик этих сигналов.

В частности, статистические характеристики временного ряда кардиоинтервалов (сигналов ВПГ) и временного ряда периода дыхания (сигналов ВРГ), как уже отмечалось выше включают:

определение минимальной и максимальной (min и max) длительности кардиоинтервалов и интервалов дыхания за исследуемый период (блоки 66, 97);

определение среднего значения длительности кардиоинтервалов и периодов дыхания (математическое ожидание MEAN блоки 67, 98);

определение среднего квадратического отклонения (массива дисперсий этих сигналов VAE блоки 68, 99);

определение вариационного размаха (коэффициента асимметрии ASVM и коэффициента эксцесса CURT блоки 68, 99).

По физиологической значимости среднеквадратическое отклонение VAR и вариационный размах являются показателями изменчивости сердечного ритма и дыхания и в достаточно большой степени отражают состояние парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.

Мода диапазон наиболее часто встречающейся длительности кардиоинтервала и периода дыхания (MOD максимальное количество значений частот, попавших при группировке исходных данных в массив HIST и GL массив соответствующих модульных интервалов) блоки 70, 101.

При достаточно стабилизированном процессе мода совпадает с математическим ожиданием. При переходных процессах различие между модой и математическим ожиданием служит условной мерой нестационарности процессов, что известно и широко используется при аналогичных измерениях.

Для оценки временного ряда ВПГ и РГ применялся также спектральный анализ с использованием алгоритмов БПФ (Кули-Тьюки). Нормальный спектр ВПГ имеет 3 наиболее постоянных пика (0,04-0,05) Гц; 0,1 Гц; (0,2-0,4) Гц. Амплитуда и частота этих пиков могут меняться в зависимости от вида нагрузки.

Исследования измерений сердечного ритма и частоты дыхания, а также сочетанности их изменений в соответствии с заявляемым изобретением проведены во время стендового моделирования различных режимов полета. Исследование проводилось на тренажере ЛИИ (летно-исследовательского института) им. М.М. Громова. Проведено 20 серий исследования. Оценка степени трудности выполняемой работы проводилась в соответствии со шкалой оценок рабочей нагрузки летчика по 6-балльной шкале: 2 балла легкая нагрузка; 3 умеренная, 4 средняя, 5 - высокая, 6 тяжелая, 7 чрезвычайно тяжелая. Исследование физиологических параметров проводилось на серийном медицинском мониторе (1264 ESAOTEBiomedica, Италия), предназначенном для регистрация электрокардиограмм и респирограммы по стандартной методике. Обработка данных исследования осуществлялось с помощью программы Вагус 11, разработанной в институте нейрохирургии. Изучали статистические характеристики динамического ряда кардиоинтервалов (средняя частота сердечных сокращений, мода, медиана, дисперсия вариационного ряда) за трехминутную эпоху (период) анализа. Для оценки временной вариабельности динамического ряда 1024 R-R интервалов и респирограммы применялся спектральный анализ с использованием дублирующего алгоритма БПФ Кули-Тьюки. Для изучения взаимной зависимости спектров ВПГ и РГ определяли квадрат функции когерентности.

Результаты приведенных исследований выявили статистически значимые изменения частоты сердечных сокращений и дыхания. При регистрации фоновых (исходных) значений у испытуемых наблюдались нормокардия и нормальная частота дыхания, средние величины которых составляли ЧСС 67,55,6 уд/мин, ЧВД - 14,53,4 дых.волн. в мин.

Отмечены индивидуальные колебания ЧСС и ЧВД в зависимости от различных факторов (занятия спортом, возраст, генетические особенности, перенесенные заболевания) Norma 1 условия предполетного медицинского осмотра.

Анализ вариационной пульсограммы (ВПГ) позволяет выделить относительно более устойчивые для всей группы испытуемых характеристики сердечного ритма. При спектральном анализе ВПГ выявлялись 3 постоянных компонента, соответствующих колебаниям с частотой от 0,02 до 0,08 Гц (амплитуда до 125,53,4 мс); 0,09-0,1 Гц (амплитуда 80,54,5 мс) и (0,2-0,35) Гц, совпадающих с частотой дыхания и описанных в литературе как "дыхательные волны" ВПГ. Наличие в области этих частот двух дыхательных пиков (при времени анализа, превышающем две минуты) соответствовало неустойчивости ритма дыхания. В этих наблюдениях доминирующей частоте дыхания соответствовал более высокоамплитудный дыхательный пик на спектрах ВПГ. Временная сочетанность сердечного ритма и дыхания была наиболее высокой на частоте основного ритма дыхания (K²= 0,910,02) и несколько менее выражена на дополнительных частотах ритма дыхания (K²=0,800,03).

В условиях реального нагружения (Norma 2) отмечались наибольшие изменения изучаемых параметров ритма сердца и дыхания. Выявлено достоверное увеличение ЧСС (85,64,2 уд/мин), а от фоновых показателей 17,95,4 уд/мин, вариабельность A у отдельных испытуемых составила от 15,4 до 23,4 уд/мин), учащение дыхания (20,23,2 дых. волн. в мин, от фона 6,42,3 дых. волн. в мин).

В изучаемых отрезках ВПГ и дыхания существенно снижались дисперсия мгновенных значений ЧСС, одновременно увеличилась дисперсия мгновенных значений ЧВД. На спектрах ВПГ отмечались исчезновения дыхательного пика при умеренном увеличении амплитуды волн в частотном диапазоне до 0,1 Гц. На спектрах респирограмм часто выявлялось два доминирующих пика, соответствующих возросшей вариабельности частоты дыхания. Наблюдалось значительное снижение когерентности указанных дыхательных частот ВПГ до 0,453,5.

Приведенные ниже графические изображения сигналов (сигнал ВПГ), (ВРГ и РГ), а также графические изображения их последующей обработки (при рассмотрении работы устройства 7) относятся к конкретному оператору из числа испытуемых.

Испытуемый соответствовал медицинским требованиям, предъявляемым для допуска в летной работе. Исследование психофизиологического состояния этого оператора выполнено в стендовых условиях. Регистрация физиологических параметров в рассматриваемом конкретном случае производилась на мониторе 1265 "ОТЕ Биомедика Италия" с трех прикрепленных к коже хлорсеребряных электродов. Положение активных электродов по среднемышечным линиям, референтного электрода у мечевидного отростка грудины. Положение электродов осталось неизменным в ходе всего исследования.

В качестве исходных значений физиологических параметров, характеризующих его "предполетное" состояние, использовались данные этих параметров в состоянии активного бодрствования на земле; во время данной нагрузки испытуемый должен был следить за цифровой индикацией приборов, в качестве шумового фона использовался пульсирующий звуковой сигнал тревоги одного из приборов. Данные "биологического портрета" оператора в условиях "летного нагружения" также формировались и уточнялись в процессе стендовых измерений. При этом регистрировали пульсограмму и кривую дыхания (реоплетизмографический метод).

Связь устройств 1 и 2 с АЦП (6) и устройством 7 (фиг. 1) в процессе стендовых измерений происходила посредством регистрирующего устройства МСРП.

Сигналы ВПГ, РГ и ВРГ, снятые в состоянии активного бодрствования оператора (фиг. 7), направлялись на вход блоков 65, 76, 86, 96 для последующего анализа статистических и спектральных характеристик временных рядов этих сигналов в блоках 64-112.

Сигналы ВПГ, РГ и ВРГ, характеризующие "предполетное состояние", (Norma 1) и поступающие на вход блоков 65, 76, 86, 96 сбора и хранения информации, показаны на фиг. 7.

Аналогичные сигналы ВПГ, РГ и ВРГ, полученные на моделирующем стенде, характеризующие летное нагружение и поступающие на вход тех же блоков (65, 76, 86, 96) показаны на фиг. 8 Norma 2.

Указанные блоки сбора и хранения информации (65, 76, 86, 96) устройства 7 обеспечивают отображение на дисплеях полученных кривых ВПГ, РГ и ВРГ и их просмотр.

В частности, кривая ВПГ представляет собой графическое отображение мгновенных изменений частоты пульса оператора. Уже визуальный анализ этой кривой позволяет выявить патологические феномены нарушения работы сердца различного генеза. В рассматриваемом случае таких нарушений не обнаружено. Блоки 86, 96 также обеспечивают возможность выделения определенного отрезка кривых для последующей обработки. Далее эти выделенные отрезки кривых ВПГ, РГ и ВРГ подвергаются статистическому и/или спектральному анализу в блоках 64-112 устройства 7.

Результаты статистического и спектрального анализов указанных сигналов, характеризующих "биологический портрет" для каждого испытуемого оператора, должны быть получены предварительно перед исследованием. Поскольку материалы заявки составляются на стадии разработки макетного образца заявляемой системы контроля и ее испытания в стендовых условиях, данные "биологического портрета" оператора при изложении примера конкретного выполнения способа ограничиваются только данными его предполетного состояния Norma 1 (в случае реальных полетов эти данные будут постепенно пополняться данными усредненных значений контролируемых параметров и данными их предельных изменений в случае экстремальных ситуаций).

В целях упрощения изложения последующий анализ данных "биологического портрета" и данных летного нагружения оператора будет проведен параллельно.

Сигналы ВПГ, РГ и ВРГ оператора, характеризующие его "биологический портрет" Norma 1 (фиг. 7) и состояние "летного нагружения" -Norma 2 (фиг. 8), в блоках устройства 7 подвергаются анализу их статистических и/или спектральных характеристик.

Анализ статистических и спектральных характеристик ВПГ проведен в блоках 65-85, в блоках 86-95 анализ спектральных характеристик РГ, в блоках 96-106 анализ статистических характеристик ВРГ и в блоках 107-112 анализ когерентности спектров ВПГ и РГ.

Результаты анализа статистических характеристик ВПГ и ВРГ контролируемого оператора, проведенного в блоках 66-70 и в блоках 97-101 соответственно для случая оценки его предполетного состояния (Norma 1), после вывода их на дисплеи блоков 71 и 102 соответственно, показаны на фиг. 9.

Изучение статистических характеристик ВПГ и ВРГ у контролируемого оператора показало:

1) исходные значения: ЧСС 67 уд/мин; вариабельность сердечного ритма (min и max значения длительности кардиоинтервала) от 0,710 до 1,100 мс, ЧВД 8,7 дых. волн/мин.

2) изменения указанных параметров в ходе нагружения: ЧСС 91,4 уд/мин (D 24,4 уд/мин); вариабельность сердечного ритма от 0,560 до 0,870 мс; ЧВД 9,3 дых. волн/мин.

Спектральный анализ характеристик ВПГ и РГ контролируемого оператора был проведен в блоках 76-85 и блоках 86-95 соответственно, а анализ их когерентности в блоках 107-112. Изображение спектральной характеристики временного ряда ВПГ, расчет и построение которой проведены в блоках 76-84 показано на дисплее блока 83 (фиг. 11), а изображение спектральной характеристики РГ оператора в этом же случае (Norma 1), формируемой в блоках 86-94 показано на дисплее блока 93 (фиг. 12).

Изображение спектральной характеристики временного ряда ВПГ в случае формирования данных (Norma 2) оператора, а также спектральной характеристики РГ в этом же случае показано на фиг. 13 и фиг. 14 соответственно.

Изображение функций когерентности между спектрами ВПГ и РГ при формировании данных (Norma 1) оператора показано на фиг. 15, а при формировании данных (Norma 2) этих функций на фиг. 16.

Необходимо отметить, что на дисплее блоков 83, 93 отображается скорректированная на основании "нового" значения шумового критерия таблица значений локальных спектральных максимумов и их частот. Таким образом, итогом работы блоков 83 и 93 является построение спектра амплитуд ВПГ и РГ (соответственно), который позволяет выявить наличие недоступных визуальному анализу временных процессов ВПГ.

Результаты анализа спектральных функций ВПГ и РГ и их когерентности показали следующее. Спектр ВПГ оператора, характеризующий его исходное состояние (Norma 1) имеет 4 пика (компонента) со следующими значениями:

1-й компонент A (амплитуда) 568 мс, f (частота) 0,05 Гц

2-й компонент A 148 мс; f 0,12 Гц;

3-й компонент A 93 мс; f 0,2 Гц;

4-й компонент A 89 мс; f 0,25 Гц;

После нагружения оператора выявлен двухкомпонентный спектр его ВПГ:

1-й компонент A 120 мс; f 0,14 Гц;

2-й компонент A 32 мс; f 0,27 Гц.

После нагружения отсутствовал дыхательный компонент спектра ВПГ, снижалась суммарная площадь спектра ВПГ.

Сопоставление данных спектров когерентности ВПГ и РГ показало снижение значений когерентности после нагрузки (исходное значение 0,86, в результате нагружения 0,49, D 0,37).

Таким образом, сопоставление статистических характеристик физиологических параметров, полученных в ходе эксперимента по измерению их исходных значений и значений в результате нагружения показывает возрастание уровня психофизиологической напряженности испытуемого. В соответствии с представленной таблицей данный уровень напряженности оценивается как реакция средней интенсивности.

Проведенные исследования позволили подтвердить информативность изученных параметров ВПГ для оценки объективного уровня рабочей нагрузки пилота, создаваемой на тренажере. Полученные регресионные модели свидетельствуют о возможности соотношения объективных параметров физиологических с субъективной экспертной оценкой уровня трудности полетного режима. Слабая выраженность изменений ЧСС, а также отсутствие статистически значимых изменений взаимосвязи ВПГ и частотных характеристик РГ свидетельствуют о слабом уровне реальной нагрузки, предъявленной испытуемому.

Проведенные исследования показали:

1. При возрастании степени сложности задания на летном тренажере отмечается усиление частоты сердечных сокращений, мощности низкочастотной области спектра ВПГ и периода низкочастотных колебаний ВПГ;

2. Существует зависимость между изменениями параметров ВПГ и субъективными величинами оценки рабочей нагрузки пилота, моделируемой на тренажере, построены регресионные модели этих зависимостей;

3. Выраженность изменений параметров ВПГ является объективным критерием уровня рабочей нагрузки и может быть использована для оценки реальной степени сложности работы на тренажере, а также в условиях реального полета.

Учитывая то обстоятельство, что исследования проводились в лабораторных условиях и предъявляемые нагрузки были достаточно простыми, не вызывающими, по субъективным оценкам испытуемых, затруднений при их выполнении, можно сделать вывод о высокой чувствительности предлагаемого способа для оценки психофизиологического состояния оператора. Существенно увеличивает чувствительность способа сопоставление динамики вариабельности ритма сердца и дыхания у отдельно взятого испытуемого. Выявлено, что при близких по интенсивности нагрузках ряд временных показателей ЧСС и ЧВД оказывается достаточно стабильным, отражая индивидуальную специфичность динамики ритма сердца и дыхания.

Выраженность и специфичность изменений временной вариабельности ЧСС и ЧВД не зависит от субъективной оценки предъявляемой нагрузки, являясь объективными критерием ее интенсивности.

Вторым достоинством использованного методологического подхода является быстрое выявление патологических нарушений регуляции ритма сердца и дыхания, возникающих или усиливающихся при возрастании интенсивности психофизиологического напряжения.

Источники информации:

1. Авт. св. N 354447, кл. G 01 E 5/22

2. Патент Франции N 2615641, кл. G 09 B 23/00

3. Авт.св. N 1421304, кл. A 61 B 5/16 прототипи