Способ коррекции функционального состояния человека-оператора и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2370212:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (RU)
Изобретение относится к области медицины, а именно к средствам контроля и управления функциональным состоянием человека-оператора. Предъявляют энергетические стимулы, направленные на изменение функционального состояния человека-оператора и последовательности которых сформированы в программы энергетической стимуляции, каждая из которых направлена на коррекцию определенного текущего состояния. При этом состояние оценивают по степени отличия показателей текущего состояния от индивидуальных показателей, определяющих состояние как хорошее. В качестве ответной реакции на предъявляемые стимулы используют сенсомоторную реакцию, а в качестве показателей состояния используют функциональный уровень центральной нервной системы, устойчивость реакции и уровень функциональных возможностей, которые рассчитываются по времени сенсомоторной реакции. В устройстве для осуществления способа к центральному блоку управления подключены блок измерения времени СМР, соединенный с устройством ввода, и соединенный с блоком измерения времени СМР блок анализа, включающий последовательно соединенные блок вычисления показателей состояния, блок анализа и оценки и блок выбора программы энергетической стимуляции, а блок памяти содержит блок хранения индивидуальных показателей оператора и блок хранения программ оценки и энергетической стимуляции. В качестве блоков воздействия стимулами используются блок воздействия электрическим током, блок воздействия звуком и блок воздействия светом (цветом). Изобретение позволяет повысить эффективность коррекции и предотвратить ухудшение состояния человека до того, как возникнет момент, когда он не сможет выполнять возложенные на него функции. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Группа изобретений относится к медицине, в частности к средствам контроля и управления функциональным состоянием человека-оператора, использующим оценку и коррекцию состояния человека на основе его сенсомоторной реакции (СМР) может быть использована для коррекции переутомления и быстрого восстановления состояния активного бодрствования после периода отдыха, а также в системах, предназначенных для оценки, контроля и восстановления психофизиологического состояния человека, например, на соответствие профессиональным требованиям.
По типу взаимодействия с человеком-оператором различают «пассивные» и «активные» способы контроля. К «пассивным» относятся способы, позволяющие получить информацию о состоянии оператора путем регистрации физиологических параметров, в том числе и времени СМР, в реальном времени, но без специальных стимулов. «Активные» способы контроля состояния предусматривают подачу стимула и определение реакции человека. В настоящем изобретении используется «активный» способ контроля, который позволяет не только оценивать состояние оператора, но и дает возможность по результатам оценки оперативно воздействовать на человека с целью коррекции его состояния.
Известен способ оценки и тренировки реакции человека, реализованный в одном из пакетов (пакет Ягуар) программного комплекса Effecton Studio 2006 (hppt://www.effecton.ru/), разработанном группой под руководством Тугова И.А. и Тамбиева А.Э. Согласно способу для оценки реакции испытуемому предъявляется набор тестов. Тесты предъявляются испытуемому на компьютере в виде различных визуальных и звуковых стимулов, на которые испытуемый реагирует нажатием клавиш на клавиатуре. По результатам проведенных тестов программа рассчитывает некоторые статистические величины (среднее время реакции, дисперсию) и количество ошибок, являющиеся показателями реакции испытуемого. А тренировка реакции проводится по желанию испытуемого или рекомендации наблюдающего путем многократного прохождения тех же тестов. Недостатком данного способа является то, что тренировка, предусмотренная в способе, фактически направлена на тренировку реакции испытуемого на выполнение тех же тестов и не предполагает оперативного воздействия на человека с целью изменения его состояния. Кроме того, процессы оценки и тренировки всегда разорваны во времени, потому что прежде чем выполнить тренировку, с полученными результатами оценки должен работать специалист.
Известен способ поддержания работоспособности водителя транспортного средства (RU 2111134 С1 6 В60K 28/06, 1998), в котором используется «активный» способ контроля состояния предполагающий оценку состояния человека. Согласно способу осуществляется предъявление испытуемому стимула, регистрация ответной реакции на стимул, оценка состояния испытуемого, в зависимости от степени удовлетворительности оценки испытуемому предлагается самостоятельно предпринять меры для восстановления работоспособности путем активизации внимания человека-оператора преимущественно речевыми стимулами, либо в критической ситуации, когда уровень оценки слишком низок, включатся одна заранее заданная программа по преодолению критической ситуации (в данном случае - экстренное торможение транспортного средства). Недостатком способа является его узкое применение только в области контроля состояния водителей транспортных средств, а также то, что коррекция состояния водителя выполняется только в форме активизации его внимания. Дополнительные речевые и зрительные стимулы, которые включаются в результате получения неудовлетворительной оценки состояния испытуемого, фактически лишь косвенно влияют на функциональное состояние испытуемого и направлены, главным образом, на получение уточненных оценок, по уровню которых определяется, способен ли водитель далее самостоятельно продолжать управлять транспортным средством или необходимо вмешательство извне. Этот способ является наиболее близким к предлагаемому и выбирается за прототип.
В том же патенте описана система для осуществления способа поддержания работоспособности водителя транспортного средства, которая включает подключенные к процессору блоки формирования и подачи стимулов (звуковых и зрительных), блоки приема и регистрации реакции на стимулы, блок сравнения и принятия решения, устройство отображения (дисплей). Недостатками системы являются ее узкое назначение для использования на транспортных средствах, а также то, что она позволяет выполнять коррекцию состояния водителя только в форме активизации его внимания путем сигнализации водителю о его неудовлетворительном состоянии и побуждения к активизации внимания для продолжения выполнения функций. Эта система по совокупности признаков является наиболее близкой к предлагаемому устройству и выбирается за прототип.
Задача, на решение которой направлены предлагаемые изобретения, заключается в предотвращении ухудшения состояния человека-оператора (утомления) до того, как возникнет момент, когда он не сможет выполнять возложенные на него функции, для обеспечения восстановления состояния человека-оператора от переутомления в ходе профессиональной деятельности или быстрого восстановления состояния активного бодрствования после периода отдыха.
Технический результат, на достижение которого направлены предлагаемые изобретения, состоит в повышении эффективности коррекции, позволяющей предотвратить ухудшение состояния человека-оператора до того, как возникнет момент, когда он не сможет выполнять возложенные на него функции.
Для достижения технического результата в предлагаемом способе, включающем предъявление стимулов человеку-оператору, регистрацию ответной реакции на стимулы, оценку текущего состояния человека-оператора по ответной реакции и стимулирование человека-оператора, в качестве стимулов для коррекции состояния используют энергетические стимулы, направленные на изменение функционального состояния человека-оператора и последовательности которых сформированы в программы энергетической стимуляции, каждая из которых направлена на коррекцию определенного текущего состояния человека-оператора, которое оценивают по степени отличия показателей текущего состояния от индивидуальных показателей, определяющих состояние человека-оператора как хорошее, при этом в качестве ответной реакции на предъявляемые стимулы используют СМР, а в качестве показателей состояния используют функциональный уровень центральной нервной системы (ФУС), устойчивость реакции (УР) и уровень функциональных возможностей (УФВ), которые рассчитываются по времени СМР.
Энергетические стимулы характеризуются тем, что они направлены на изменение функционального состояния человека. Программы энергетической стимуляции представляют собой последовательности из стимулов различных видов - модальностей (например, световых, звуковых, тактильных) в различных комбинациях, различной величины. Параметры энергетических воздействий: последовательность, модальность и величина стимула, в последовательности каждой программы строго индивидуальны и подбираются опытным путем для выполнения определенной задачи коррекции (например, провести стимуляцию человека-оператора с целью приведения его функционального состояния к заданным параметрам, не ниже требуемых значений для выполняемой им деятельности). При этом определенным значениям показателей состояния соответствует своя программа стимуляции, позволяющая выполнить коррекцию функционального состояния человека-оператора наиболее эффективно. Для программ энергетической стимуляции возможно использование тех же стимулов, что и для программ оценки, но с другими параметрами. Практически программы энергетической стимуляции включают в себя более мощные стимулы, чем программы оценки, и, кроме этого, программы энергетической стимуляции могут содержать стимулы с другими физическими свойствами.
Выбор СМР в качестве ответной реакции человека-оператора на предъявляемые стимулы основан на том, что СМР является универсальным и точным показателем состояния центральной нервной системы (ЦНС), определяющей общее функциональное состояние человека, а время СМР определяет способность человека-оператора адекватно и быстро реагировать на внешние сигналы, когда используются врожденные механизмы взаимодействия человека с окружающей средой.
Текущее состояние человека-оператора характеризуется значениями показателей состояния, которые определяются по завершении программы оценки или энергетической стимуляции. Индивидуальные показатели человека-оператора, определяющие его состояние как хорошее, выводятся на основе статистических наблюдений за определенное количество проведенных серий оценок и стимуляций состояния человека-оператора. Если по конкретному человеку-оператору нет данных, то для него в качестве индивидуальных показателей используются некоторые стандартные величины.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве, содержащем центральный блок управления, к которому подключены устройство ввода (клавиатура), устройство отображения (монитор), блок памяти и блок формирования стимулов, соединенный с блоком стимуляции, включающим блоки воздействия стимулами (например, блок воздействия электрическим током, блок воздействия звуком, блок воздействия светом (цветом)), дополнительно к центральному блоку управления подключены блок измерения времени СМР, соединенный с устройством ввода, и соединенный с блоком измерения времени СМР блок анализа, включающий последовательно соединенные блок вычисления показателей состояния, блок анализа и оценки, один из входов которого подключен к центральному блоку управления, и блок выбора программы энергетической стимуляции, выход блока анализа подключен к центральному блоку управления, а блок памяти содержит блок хранения индивидуальных показателей и блок хранения программ оценки и энергетической стимуляции.
Описанное устройство позволяет оперативно провести коррекцию функционального состояния человека-оператора до того, как возникнет момент, когда он не сможет выполнять свои функции, с тем чтобы человек-оператор смог продолжить и завершить начатую деятельность. Достигается это за счет того, что устройство обеспечивает воздействие на человека-оператора энергетическими стимулами в соответствии с программой энергетической стимуляции, наиболее эффективной для коррекции определенного текущего состояния человека-оператора. При этом наиболее эффективная программа выбирается по значению оценки текущего состояния человека-оператора, которая определяется по степени отличия показателей текущего состояния от индивидуальных показателей, определяющих состояние человека-оператора как хорошее. Показатели состояния человека-оператора вычисляются по измеренному времени СМР в ответ на стимулы, предъявляемые по программе.
Предлагаемая группа изобретений иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для осуществления предложенного способа. На фиг.2 изображен график плотности вероятности времени СМР, представляющий распределение времени СМР в ответ на серию стимулов и отображающий функциональное состояние центральной нервной системы человека-оператора.
Устройство для коррекции функционального состояния человека-оператора содержит центральный блок 2 управления, к которому подключены первый выход устройства 1 ввода (клавиатура), устройство 16 отображения (монитор), блок 13 памяти (БП), включающий блок 14 хранения индивидуальных показателей и блок 15 хранения программ оценки и энергетической стимуляции, и блок 3 формирования стимулов, соединенный с блоком 4 стимуляции (БС), включающим блоки 5, 6, 7 воздействия стимулом 1, стимулом 2, стимулом k соответственно. Кроме того, к центральному блоку 2 управления также подключены первый вход блока 8 измерения времени СМР, второй вход которого соединен со вторым выходом устройства 1 ввода (клавиатурой). Выход блока 8 измерения времени СМР соединен с блоком 9 анализа (БА), включающим последовательно соединенные блок 10 вычисления показателей состояния, блок 11 анализа и оценки, один из входов которого подключен к центральному блоку 2 управления, и блок 12 выбора программы энергетической стимуляции. Выход блока 9 анализа подключен к центральному блоку 2 управления.
Предлагаемый способ коррекции функционального состояния человека-оператора осуществляется с помощью предлагаемого устройства следующим образом. При включении устройства и выборе задачи оценки человеку-оператору предъявляется одна из стандартных программ оценки, хранящаяся в блоке 15 хранения программ оценки и энергетической стимуляции, для определения текущего состояния человека-оператора и выяснения необходимости проведения коррекции его функционального состояния. Стандартная программа извлекается из блока 15 памяти центральным блоком 2 управления, который в соответствии с заданной программой подает управляющие сигналы на блок 3 формирования стимулов, который в свою очередь управляет блоком 4 стимуляции, включающим блоки 5, 6, 7 для воздействия на человека-оператора стимулами. Человек-оператор реагирует на стимулы нажатием клавиш на устройстве 1 ввода (клавиатуре). Сигналы с устройства 1 ввода (клавиатуры) поступают в блок 8 измерения времени СМР, который определяет время между моментом подачи стимула, фиксируемого центральным блоком 2 управления, и моментом ответа испытуемого нажатием клавиши устройства 1 ввода (клавиатуры). Измеренные значения времени СМР на каждый из предъявленных стимулов поступают в блок 10 вычисления показателей состояния, который производит вычисления ФУС, УР и УФВ по всей серии стимулов, предусмотренной заданной программой. Значения показателей состояния поступают в блок 11 анализа и оценки, который выполняет сравнение значений показателей состояния (ФУС, УР, УФВ), характеризующих текущее состояние человека-оператора, со значениями индивидуальных показателей человека-оператора, определяющих его состояние как хорошее, подаваемых из блока 14 хранения индивидуальных показателей. В зависимости от результата сравнения, показывающего, на сколько, какой показатель и в какую сторону (уменьшения или увеличения) отличается от индивидуальных показателей, устанавливается степень отличия текущих показателей состояния от индивидуальных, Текущее состояние человека-оператора оценивается по n-балльной шкале в блоке 12 выбора программы энергетической стимуляции. При этом число n зависит от количества программ энергетической стимуляции, хранящихся в блоке 15 хранения программ оценки и энергетической стимуляции, и от количества степеней отличия оцениваемых параметров. В зависимости от полученной оценки выбирается соответствующая программа энергетической стимуляции, которая извлекается из блока 15 хранения программ и управляет формированием (блок 3) и предъявлением человеку (блок 4) последовательности энергетических стимулов, которые предусматривают воздействия на человека-оператора с целью коррекции его текущего состояния. В процессе выполнения программы энергетической стимуляции возможно измерение времени СМР на предъявляемые энергетические стимулы (блок 8), по которым вычисляются показатели состояния (блок 10), и по ним снова производится сравнение текущих показателей человека-оператора с его индивидуальными показателями (блок 11), либо после стимуляции снова проводится программа оценки состояния человека-оператора. В случае недостижения требуемых значений показателей состояния коррекция функционального состояния может быть продолжена путем выбора подходящей программы энергетической стимуляции (блок 12). Для визуализации процесса выполнения программ оценки и энергетической стимуляции используется устройство 16 отображения.
Пример
Для оценки текущего состояния человека-оператора в соответствии со стандартной программой оценки ему предъявляется серия из 50 стимулов, включающая световые (стимул 1) стимулы. В результате измерения времени СМР в секундах получены данные, представленные в строке «Время СМР до» в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||||
| № | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Время СМР до | 0,281 | 0,298 | 0,267 | 0,282 | 0,267 | 0,34 | 0,298 | 0,266 | 0,309 | 0,294 |
| Время СМР после | 0,265 | 0,296 | 0,297 | 0,297 | 0,305 | 0,297 | 0,25 | 0,302 | 0,281 | 0,29 |
| № | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| Время СМР до | 0,265 | 0,298 | 0,528 | 0,294 | 0,283 | 0,341 | 0,294 | 0,267 | 0,622 | 0,267 |
| Время СМР после | 0,25 | 0,352 | 0,302 | 0,274 | 0,352 | 0,303 | 0,305 | 0,32 | 0,302 | 0,274 |
| № | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
| Время СМР до | 0,298 | 0,267 | 0,325 | 0,267 | 0,325 | 0,31 | 0,282 | 0,466 | 0,497 | 0,325 |
| Время СМР после | 0,274 | 0,302 | 0,303 | 0,235 | 0,351 | 0,32 | 0,308 | 0,265 | 0,358 | 0,308 |
| № | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 |
| Время СМР до | 0,403 | 0,294 | 0,3 | 0,298 | 0,298 | 0,293 | 0,434 | 0,341 | 0,372 | 0,31 |
| Время СМР после | 0,308 | 0,305 | 0,32 | 0,303 | 0,297 | 0,305 | 0,297 | 0,303 | 0,281 | 0,302 |
| № | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 |
| Время СМР до | 0,283 | 0,403 | 0,34 | 0,294 | 0,544 | 0,298 | 0,309 | 0,294 | 0,293 | 0,281 |
| Время СМР после | 0,289 | 0,305 | 0,302 | 0,305 | 0.302 | 0,305 | 0,25 | 0,305 | 0,274 | 0,266 |
По этим данным вычисляют показатели, определяющие текущее состояние человека-оператора, с использованием следующих формул:
где Tmod - значение времени СМР, наиболее вероятное в проведенной серии стимуляции; ΔТ0,5 - диапазон времени реакций, соответствующий уровню вероятности, равному половине максимальной - 0,5Рmах; Рmах - максимальная вероятность, соответствующая пределам модального класса; Т0,5 - значение времени реакции, соответствующее середине диапазона ΔТ0,5. Указанные величины отображены на графике плотности вероятности времени СМР, приведенном на фиг.2.
В результате вычислений получены следующие значения показателей текущего состояния, которые сравнивают с соответствующими индивидуальными показателями и устанавливают степени отличия:
ФУС=4,5 (секунда-2) - низкий уровень
УР=2,4 (секунда-1) - высокий уровень
УФВ=3,6 (секунда-2) - средний уровень
Для показателей состояния данного человека-оператора используют следующие 3 степени отличия, которые определяются следующими соотношениями:
для ФУС:
4,2-4,5 - низкий уровень
4,5-4,9 - средний уровень
4,9-5,5 - высокий уровень
для УР:
1,0-1,5 - низкий уровень
1,5-2,0 - средний уровень
2,0-2,8 - высокий уровень
для УФВ:
2,7-3,1 - низкий уровень
3,1-3,8 - средний уровень
3,8-4,8 - высокий уровень
Сравнение показателей текущего состояния человека-оператора с индивидуальными (стандартными) показывает, что они невысокие и требуется коррекция состояния.
Выбор эффективной программы энергетической стимуляции определяется оценкой текущего состояния человека-оператора, которая соответствует конкретной комбинации степеней отличия показателей текущего состояния от индивидуальных (таблица 2). Каждой из возможных комбинаций текущих индивидуальных показателей СМР соответствует своя оценка состояния человека-оператора, и для каждого варианта будет применяться своя программа энергетической стимуляции (таблица 2).
| Таблица 2 | ||||
| Низкий уровень ФУС | Средний уровень ФУС | Высокий уровень ФУС | ||
| Низкий уровень УФВ | Низкий уровень УР | Программа стимуляции 1 | Программа стимуляции 2 | Программа стимуляции 3 |
| Средний уровень УР | Программа стимуляции 4 | Программа стимуляции 5 | Программа стимуляции 6 | |
| Высокий уровень УР | Программа стимуляции 7 | Программа стимуляции 8 | Программа стимуляции 9 | |
| Средний уровень УФВ | Низкий уровень УР | Программа стимуляции 10 | Программа стимуляции 11 | Программа стимуляции 12 |
| Средний уровень УР | Программа стимуляции 13 | Программа стимуляции 14 | Программа стимуляции 15 | |
| Высокий уровень УР | Программа стимуляции 16 | Программа стимуляции 17 | Программа стимуляции 18 | |
| Высокий уровень УФВ | Низкий уровень УР | Программа стимуляции 19 | Программа стимуляции 20 | Программа стимуляции 21 |
| Средний уровень УР | Программа стимуляции 22 | Программа стимуляции 23 | Программа стимуляции 24 | |
| Высокий уровень УР | Программа стимуляции 25 | Программа стимуляции 26 | Программа стимуляции 27 |
В данном примере использована программа энергетической стимуляции 16.
Проводится энергетическая стимуляция, в процессе которой человеку-оператору предъявляется серия стимулов, направленных на коррекцию его состояния.
После проведения стимуляции выбранной программой вновь определяются показатели состояния по данным, представленным в строке «Время СМР после» таблицы 1:
ФУС=4,5 (секунда-2) - средний уровень
УР=2,4 (секунда-1) - высокий уровень
УФВ=3,6 (секунда-2) - высокий уровень
По этому результату видно, что состояние человека-оператора стало лучше. При необходимости можно провести еще одну программу стимуляции в соответствии с таблицей 2.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет повысить эффективность коррекции состояния человека-оператора, а именно не только сигнализировать об утомлении и ухудшении состояния человека-оператора и сконцентрировать его внимание на выполняемой деятельности, но и заблаговременно и оперативно путем применения программ энергетической стимуляции предотвратить переутомление человека-оператора прежде, чем он достигнет состояния, не позволяющего ему завершить выполнение возложенных на него функций.
1. Способ коррекции функционального состояния человека-оператора, включающий предъявление стимулов человеку-оператору, регистрацию ответной реакции на стимулы, оценку состояния человека-оператора по ответной реакции, отличающийся тем, что в качестве стимулов используют энергетические стимулы, направленные на изменение функционального состояния человека-оператора и последовательности которых сформированы в программы энергетической стимуляции, каждая из которых направлена на коррекцию определенного текущего состояния человека-оператора, которое оценивают по степени отличия показателей текущего состояния от индивидуальных показателей, определяющих состояние человека-оператора как хорошее, при этом в качестве ответной реакции на предъявляемые стимулы используют сенсомоторную реакцию, а в качестве показателей состояния используют функциональный уровень центральной нервной системы, устойчивость реакции и уровень функциональных возможностей, которые рассчитываются по времени сенсомоторной реакции.
2. Устройство для коррекции функционального состояния человека-оператора, содержащее центральный блок управления, к которому подключены устройство ввода, устройство отображения, блок памяти и блок формирования стимулов, соединенный с блоком стимуляции, включающим блоки воздействия стимулами, отличающееся тем, что к центральному блоку управления также подключены блок измерения времени сенсомоторной реакции, соединенный с устройством ввода, и соединенный с блоком измерения времени сенсомоторной реакции блок анализа, включающий последовательно соединенные блок вычисления показателей состояния, блок анализа и оценки, один из входов которого подключен к центральному блоку управления, и блок выбора программы энергетической стимуляции, выход блока анализа подключен к центральному блоку управления, а блок памяти содержит блок хранения индивидуальных показателей и блок хранения программ оценки и энергетической стимуляции.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве блоков воздействия стимулами используются блок воздействия звуком, блок воздействия светом (цветом) и блок воздействия электрическим током,
