Способ оценки психофизиологического состояния человека по сердечному ритму

Изобретение относится к медицине, кардиологии. У обследуемых регистрируют ритмокардиограмму. Измеряют текущую суммарную мощность в низкочастотной и высокочастотной областях динамического ряда кардиоинтервалов. Оценку психофизиологического состояния человека проводят по значению индекса стресса S, вычисляемому по оригинальной математической формуле с учетом мощности низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов. При стандартных условиях измерения - покой, лежа на спине, значение индекса стресса S считают равным 1. Способ позволяет быстро и неинвазивно определить и проранжировать психофизиологическое состояние человека. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к способам оценки психофизиологического состояния организма человека по сердечному ритму, и может быть использовано для оценки психофизиологического состояния человека в повседневных условиях, при его работе в качестве оператора, а также для сравнительной оценки психофизиологического состояния операторов.

Для оценки психофизиологического состояния организма на практике используют уровень стресса. Под воздействием стресса организм человека испытывает стрессовое напряжение. Стресс по Г. Селье - это напряженное состояние организма, любое состояние человека считается не лишенным стресса, т.е. это "неспецифический (физиологический) ответ организма на любое предъявленное ему требование" (Селье Г. Стресс без дистресса. - М.: Прогресс, 1979). Сердечно-сосудистая система является показателем адаптационно-приспособительной деятельности всего организма. Следует отметить, что изменения из-за нагрузки в параметрах сердечно-сосудистой системы являются адаптационными к нагрузке, то есть вторичными. Их изменение коррелирует с изменениями процессов торможения. В настоящее время накоплен опыт вероятностно-статистического метода анализа сердечного ритма для оценки адаптационных способностей к различного рода нагрузкам на сердечно-сосудистую систему и организма в целом. Высокая степень корреляции получаемых сведений о ритме сердца с функциональным состоянием позволяет по некоторым из показателей ритма оценивать работоспособность, прогнозировать состояние человека. Под воздействием рабочей нагрузки (физическая, интеллектуальная, эмоциональная) в связи с усилением тонуса симпатической нервной системы сердечно-сосудистые реакции организма, как правило, изменяются в сторону повышения стационарности процесса. Напротив, в послерабочий период, характеризующийся преобладанием ваготонии, отмечается ослабление влияния центральной нервной системы на сердечный ритм, уменьшение стационарности. Измерение частоты сердечных сокращений в реальных условиях достаточно просто реализуется и является наиболее эффективным средством получения информации о психофизиологическом состоянии человека. Для оценки состояния организма наиболее часто используют статистический анализ динамического ряда кардиоинтервалов, включая анализ гистограмм - кривых распределения кардиоинтервалов и спектральный анализ.

Известен способ оценки степени напряжения регуляторных систем человека по стресс-индексу, который определяют по анализу гистограмм как отношение высоты гистограммы к ее ширине (Лившиц М.Е. Статистические исследования показателей регуляции сердечного ритма. //Физиология человека. - 1987. - Т. 13, №6. - С.965). Невысокая достоверность этого показателя основана на его недостатках: ненормированность (значения могут меняться в произвольном диапазоне), нелинейный характер изменения и гиперчувствительность.

Известны способы оценки вариабельности сердечного ритма, основанные на спектральном анализе динамического ряда кардиоинтервалов, при котором выявляется и количественно оценивается скрытная периодичность процессов регуляции. При этом выделяют диапазоны частот, отражающие адаптационные возможности организма или текущий уровень стресса. Высокочастотные колебания (HF) в диапазоне от 0.4 до 0.15 Гц, обусловленные дыханием, характеризуют состояние парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Низкочастотные колебания (LF) в диапазоне 0.04-0.15 Гц отражают активность подкоркового сосудистого центра. Они вместе с очень низкочастотными колебаниями (VLF) в диапазоне 0.015-0.04 Гц характеризуют состояние внутрисистемного уровня центрального контура регуляции. В результате спектрального анализа динамического ряда кардиоинтервалов получают ряд показателей, по которым оценивают вегетативный баланс, уровень управления сердечным ритмом и функциональное состояние организма (Баевский P.M. Анализ вариабельности сердечного ритма в космической медицине. //Физиология человека. - 2002. - Т. 28, №2. - С.70-82).

Известен способ исследования вариабельности ритма сердца (RU 2141246 С1, МПК А 61 В 5/02, 1999), основанный на измерении мощности спектра HF, LF и VLF составляющих и полной мощности спектра, которую используют для оценки патологии регуляции сердечного ритма. Большие времена, необходимые для получения показателя VLF с периодом колебаний 25-66 с, приводят к невозможности использования этого способа для оперативной оценки психофизиологического состояния человека.

Известен способ оценки функционального состояния оператора по ритму сердца, в котором определяют мощности спектров медленных волн ритмограммы в диапазоне 4-720 с (SU 1630028 А1, МПК А 61 В 5/00, 1995) и по приращению мощности волн динамического ряда кардиоинтервалов при переходе от покоя к нагрузке определяют функциональный резерв операторской деятельности. Данный способ также не может быть использован для оперативной оценки психофизиологического состояния человека из-за необходимости большого времени анализа.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ оценки психофизиологического состояния человека по ритму сердца, заключающийся в том, что измеряют мощность спектра низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) составляющих динамического ряда кардиоинтервалов, вычисляют отношение мощностей низкочастотной и высокочастотной составляющих LF/HF, по которому судят о состоянии операторов (Heart Rate Variability Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use.// European Heart Journal. - 1996. - V. 17. - p.354-381). Недостатком способа-прототипа является то, что он обладает недостаточной достоверностью, обеспечивает оценку только изменения состояния человека и не позволяет проводить сравнительную оценку состояния операторов.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании способа, обеспечивающего оперативную оценку состояния человека с возможностью проведения сравнительной оценки состояния операторов.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в создании способа оценки психофизиологического состояния человека с повышенной достоверностью оценки функционального состояния отдельного человека и сравнительной оценки операторов.

Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в способе оценки психофизиологического состояния человека, заключающегося в том, что измеряют мощность низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов, предварительно измеряют нормы низкочастотной (LFs), высокочастотной (HFs) и суммарной мощности в низкочастотной и высокочастотной областях спектра динамического ряда кардиоинтервалов, дополнительно измеряют текущую суммарную мощность в низкочастотной и высокочастотной областях спектра динамического ряда кардиоинтервалов, а оценку состояния психофизиологического состояния человека проводят по индексу стресса S, определяемому из соотношения

За значения нормы спектральной мощности в низкочастотной (LFs) и высокочастотной (HFs) областях спектра динамического ряда кардиоинтервалов принимают значения спектральных мощностей в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях, измеренные на большой популяции людей в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине) и усредненные по всей популяции. В частности, за значения нормы спектральной мощности в низкочастотной (LFs) и высокочастотной (HFs) областях спектра динамического ряда кардиоинтервалов принимают значения LFs=1170 [мс·мс], HFs=975 [мс·мс].

В качестве оценки состояния организма в прототипе принимается баланс между уровнями симпатического и вагусного отделов вегетативной нервной системы, т.е. отношение мощностей низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) составляющих спектра.

Новизна настоящего изобретения заключается в учете общей активации симпатического и вагусного отделов вегетативной нервной системы за счет измерения суммарной мощности спектра (LF+HF), а также привязки оценки уровня стресса к нормам низкочастотной (LFs), высокочастотной (HFs) и суммарной мощности спектра динамического ряда кардиоинтервалов, полученным в стандартных условиях (лежа, положение покоя) и усредненным по большой популяции людей.

Для обоснования соотношения (1) рассмотрим весь диапазон проявления стресса при работе человека в качестве оператора. Стресс может проходить несколько форм активности: от стрессового пассивного реагирования через отсутствие выраженности стресса до активного стрессового реагирования. Этому диапазону изменения стресса соответствует следующее изменение эффективности операторской деятельности:

прекращение операторской деятельности (стрессовая пассивность);

значительное снижение эффективности операторской деятельности; возможны остановки рабочего процесса;

снижение эффективности операторской деятельности;

повышение эффективности операторской деятельности;

средний уровень работоспособности (стресс не выражен);

повышение эффективности операторской деятельности;

снижение эффективности операторской деятельности;

резкое снижение эффективности операторской деятельности; возможны сбои и остановка рабочего процесса; прекращение эффективной операторской деятельности;

возможны негативные результаты панического поведения (стрессовая активность) (Китаев-Смык Л.А., Боброва Э.С. Стресс как психологический фактор операторской деятельности // Психологические факторы операторской деятельности: сб. ст. - М.: Наука - 1988. - C.111-124).

Как видно, проявление стресса связано как с активацией нервной системы - стрессовая активность, так и с ее дезактивацией - стрессовая пассивность. В стандартных условиях стресс не выражен. Дальнейшее уменьшение или увеличение уровня активации нервной системы должно сопровождаться увеличением проявления стресса. Поэтому в стандартных условиях индекс стресса должен быть равен единице, а в других условиях, отличных от стандартных, индекс стресса должен увеличиваться или уменьшаться. Это обеспечивается сомножителями и , при этом сомножитель обеспечивает привязку к норме суммарной мощности, а сомножитель нормирует значение индекса стресса для стандартных условий, равного 1.

Физиологическая интерпретация индекса стресса, рассчитанного по формуле (1), заключается в следующем. Вегетативная нервная система, состоящая из симпатического и вагусного отделов, регулирует отношения между органами и тканями внутри организма, выполняет адаптационно-трофическую функцию, приспосабливая органы и ткани к наилучшему, наиболее совершенному выполнению ими всех видов деятельности. Функционируя в тесном контакте с эндокринной системой, она обеспечивает целостность организма, постоянство его внутренней среды (гомеостаз). Симпатический отдел способствует быстрой мобилизации энергии и адаптации организма к постоянно изменяющимся условиям внешней среды. Это, в основном, эрготропная система, связанная с катаболическими процессами. Вагусный отдел, наоборот, способствует сохранению постоянства внутренней среды организма. Через холинэргические структуры он управляет процессами восстановления организмом затрат энергии и питательных веществ, повышает активность ассимиляторных процессов. Это трофотропная система, связанная с анаболическими процессами. Симпатический и вагусный отделы вегетативной нервной системы функционируют под влиянием высшего вегетативного центра - гипоталамуса. Гипоталамическая область обеспечивает постоянство внутренней среды организма и адекватную реакцию на раздражители различной силы. У здорового человека в норме с хорошей резистентностью к воздействию раздражителей различной силы показатели симпатического и вагусного отделов вегетативной нервной системы находятся в состоянии равновесия.

При стрессе происходит падение абсолютной мощности всех составляющих спектра ритмограммы (LF+HF). С биологических позиций, когда в состоянии стресса все системы организма подчинены достижению жизненно важной цели, требования, предъявляемые к сердцу, наоборот, упрощаются: оно должно лишь развить максимальную производительность. При этом влияние симпатической нервной системы приводит к выравниванию ритма сердца.

В стандартных условиях для среднестатистического человека индекс стресса равен 1. Для человека с высоким уровнем функционирования сердечно-сосудистой системы, находящегося в стандартных условиях, индекс стресса уменьшается до 0.1. При 8-часовой интеллектуальной нагрузки индекс стресса может увеличиваться с исходного уровня 1.0 до 5.0-10.0. Как видно из выражения (1), индекс стресса представляет собой безразмерную величину и может быть использован для абсолютной оценки состояния организма, а также для сравнительной оценки состояния различных операторов.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 представлен график индекса стресса у обследуемого при решении арифметической задачи;

на фиг.2 представлен график индекса стресса у обследуемого при проведении тренировочного полета на тренажере.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительные и текущие измерения спектральных мощностей проводят по одному и тому же алгоритму, описанному ниже. С помощью датчика снимают кардиосигнал. Измеряют кардиоинтервалы между R-зубцами и формируют динамический ряд кардиоинтервалов.

Динамический ряд кардиоинтервалов подвергают сплайн-интерполяции для соединения экспериментальных точек значений кардиоинтервалов не ломаной линией, а гладкой кривой. Лучше всего для этих целей подходит интерполяция у(х) квадратичными или кубическими сплайнами, т.е. отрезками квадратичных или кубических парабол. Смысл сплайн-интерполяции заключается в том, что в каждом промежутке между узловыми точками осуществляется аппроксимация параболой. Участки парабол называются сплайнами. Сплайн-интерполяция обеспечивает равенство в узлах не только самих соседних параболических интерполирующих функций (сплайнов), но и их 1-х производных. Благодаря этому сплайн-интерполяция выглядит как очень гладкая функция и позволяет получить значения кардиоинтервалов через равные промежутки времен. Значения отсчетов кардиоинтервалов через равные промежутки времени необходимы для спектрального анализа динамического ряда кардиоинтервалов с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Осуществляют спектральный анализ динамического ряда кардиоинтервалов на основе БПФ и измеряют спектральную мощность сигнала раздельно в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях и суммарную спектральную мощность в низкочастотной и высокочастотных областях спектра (Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов, основные методы. - М.: "Мир", 1982, С.52-56). Используют минимально возможную выборку для получения минимального времени спектрального анализа. Предварительные измерения для спектральных мощностей в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях проводят на большой популяции людей в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине). Полученные экспериментальные данные усредняют по всей популяции и принимают за значения нормы спектральной мощности в низкочастотной (LFs) и высокочастотной (HFs) областях. В частном случае можно использовать экспериментальные данные, приведенные в (Heart Rate Variability Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use.// European Heart Journal. - 1996. - V. 17. - p.354-381), где LFs=1170 [мс·мс], HFs=975 [мс·мс] - соответственно низкочастотная и высокочастотная составляющие спектра динамического ряда кардиоинтервалов, полученные в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине) для большой популяции людей независимо от пола, возраста и других факторов и принимаемые за норму. При этом выражение (1) для индекса стресса принимает вид (2)

Затем проводят текущие измерения и рассчитывают индекс стресса из соотношения (1) или (2), по которому проводят оценку состояния человека.

Способ может быть осуществлен с помощью устройства, содержащего последовательно соединенные датчик кардиосигнала (например, на основе нагрудного пояса фирмы "POLAR"), измеритель кардиоинтервалов, формирователь динамического ряда кардиоинтервалов, блок ввода данных в компьютер по последовательному каналу и компьютер.

На графиках, приведенных на фиг.1 и 2, по абсциссе откладывается время, по ординате - значения индекса стресса в безразмерных величинах. На фиг.1 изменение индекса стресса соответствует решению обследуемым арифметической задачи в течение двух минут. На фиг.2 изменение индекса стресса соответствует проведению тренировочного полета на авиационном тренажере в течение 14 минут. Из сравнения максимальных значений стресса по кривым, приведенных на фиг.1 и 2, видно, что обследуемый испытывает примерно в 3 раза больший стресс при работе на тренажере, нежели при решении арифметической задачи.

Оценка валидности предложенного индекса стресса проводилась по отношению к критической частоте слияния мельканий (КЧСМ), которая характеризует функциональное состояние центральной нервной системы, которая, в свою очередь, связана с уровнем стресса человека. Методика измерения КЧСМ является самой чувствительной методикой при оценке состояния и самой статистически достоверной - 100% (Интегральная оценка работоспособности при умственном и физическом труде. Методические рекомендации.. - М.: Экономика, 1990 - С.32, 33).

Эксперимент был организован следующим образом. Обследуемый непрерывно проводил измерения КЧСМ по стандартной методике (Интегральная оценка работоспособности при умственном и физическом труде. Методические рекомендации... - М.: Экономика, 1990 - С.96). Одновременно по предложенному способу измерялся индекс стресса. На основании экспериментальных данных для каждого обследуемого по формуле расчета коэффициента корреляции Кr Пирсона (Вайнберг Дж., Шумекер Дж. Статистика/ Пер. с англ. Л.А.Клименко и Б.И.Клименко; Под ред. и предисл. И.Ш.Амирова. - М.: Статистика, 1979. - С.277) определялась корреляционная связь между КЧСМ и индексом стресса

где

Хi - значения КЧСМ;

Yi - значения предлагаемого индекса стресса или индекса стресса по прототипу;

N - объем выборки.

Значимость коэффициента корреляции Кr оценивалась с помощью t-статистики, вычисляемой по формуле (Вайнберг Дж., Шумекер Дж. Статистика/Пер. с англ. Л.А.Клименко и Б.И.Клименко; Под ред. и предисл. И.Ш.Амирова. - М.: Статистика, 1979. - С.307)

За 6 минут эксперимента каждый обследуемый проводил порядка 35 измерений КЧСМ и измерение индекса стресса со скользящим окном, равным 2 минутам. Значения КЧСМ и индекса стресса усреднялись на интервале 6 минут. За рабочую смену (8 часов) каждый обследуемый проводил 9 экспериментов. Проверка с помощью t-статистики коэффициента корреляции Кr показала его значимость.

В табл. 1 приведен пример данных измерения для одного из обследуемых. В табл.2 приведены данные коэффициента корреляции КЧСМ относительно индекса стресса по прототипу и для предлагаемого способа для группы обследуемых из 5 человек.

Наибольший коэффициент корреляции, усредненный по группе обследуемых, наблюдается у предлагаемого способа оценки стресса и, в среднем, равен -0.824. Средний по группе обследуемых коэффициент корреляции для индекса стресса для прототипа равен -0.632

Следует отметить, что предлагаемый способ контроля психофизиологического контроля в силу своей природы (использование спектрального анализа) имеет свои ограничения: контролю по предлагаемому индексу стресса не подлежат люди, имеющие отклонения в здоровье.

Использование предлагаемого способа контроля позволяет проводить сравнение текущего состояния человека с зафиксированным в произвольный момент времени. При осуществлении контроля состояния у группы людей на основе результатов оценки можно проранжировать психофизиологическое состояние человека по рейтингу. Использование предлагаемой оценки стресса позволяет повысить достоверность оценки психофизиологического состояния человека при минимально допустимым времени анализа данных за счет использования низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра.

Таблица 1
№ п/п эксперимент	Обследуемый №1
	КЧСМ [Гц]	Индексы стресса
		Прототип	Предлагаемый
1	28,52	2,45	3,87
2	28,10	4,04	4,65
3	27,82	3,21	4,50
4	28,03	3,52	5,19
5	28,87	2,61	3,24
6	28,46	2,16	3,48
7	28,58	2,77	3,11
8	29,34	1,77	2,55
9	28,56	2,05	2,95
Таблица 2
Обследуемый № п/п	Коэффициент корреляции относительно КЧСМ
	Индекс стресса по прототипу	Предлагаемый индекс стресса
1	-0,868	-0,947
2	-0,770	-0,871
3	-0,292	-0,848
4	-0,858	-0,929
5	-0,374	-0,527
Среднее	-0,632	-0,824

Способ оценки психофизиологического состояния человека по сердечному ритму, заключающийся в том, что измеряют мощность низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов, отличающийся тем, что измеряют текущую суммарную мощность в низкочастотной и высокочастотной областях динамического ряда кардиоинтервалов, а оценку психофизиологического состояния человека проводят по индексу стресса S, вычисляемому по формуле

S=1787,5/(LF+HF)×LF/HF,

где LF - мощность низкочастотной составляющей спектра динамического ряда кардиоинтервалов,

HF - мощность высокочастотная составляющей спектра динамического ряда кардиоинтервалов,

и при стандартных условиях измерения - покой, лежа на спине, значение индекса стресса S считают равным 1.