Анализ псикофизиологический показателей функционального состояния человека-оператора в условиян монотонной деятельности Диссертация

Короткий опис:
ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ... 4

Глава 1. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА КАК ОСНОВА ЕГО ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ... И

1.1 Функциональные состояния утомления и монотонны... 18

1.2 Влияние индивидуальных особенностей личности на функциональное состояние... 21

1.3 Электрофизиологические показатели функционального состояния головного мозга человека-оператора... 24

1.4 Вегетативные показатели функционального состояния... 29

1.4.1 Показатели сердечно-сосудистой системы в диагностике функциональных состояний... 30

1.4.2 Кожно-гальваническая реакция в оценке уровня бодрствования 32

1.4.3 Электромиограмма в оценке функционального состояния... 33

1.4.4 Векодвигательная реакция и электроокулограмма как средства диагностики уровня бодрствования... 34

1.5 Сон как функциональное состояние организма... 35

1.6 Средства и способы контроля уровня бодрствования операторов .. 38 Глава 2. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ФУНЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

ПРИ МОНОТОНИИ... 44

2.1. Характер и объем исследований... 44

2.2. Характеристика испытуемых... 45

2.3. Электрофизиологические исследования функционального состояния человека при расслабленном бодрствовании... 46

2.4. Исследования функционального состояния человека-оператора

при работе на водительском тренажере... 48

Глава 3. ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ СЕНСОРНОЙ ДЕПРИВАЦИИ... 53

3.1 Динамика электроэнцефалографических показателей человека в состоянии расслабленного бодрствования... 53

3.2 Динамика кардиоритмологических показателей человека в состоянии расслабленного бодрствования... 74

3.3 Обсуждение... 77

Глава 4. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ МОНОТОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ . 82

4.1 Динамика функционального состояния человека во время работы

на тренажере транспортного средства... 82

4.2 Общие изменения в работе операторов в процессе управления на тренажере... 82

4.3 Результаты видеонаблюдения за поведением операторов... 83

4.4 Изменения функционального состояния операторов по данным электроэнцефалограммы... 88

4.5 Изменения функционального состояния операторов по данным кардиоритмографии... 88

4.6 Корреляты субъективного ощущения усталости операторов с физиологическими и поведенческими показателями... - 95

4.7 Психофизиологические корреляты сенсомоторных реакций... 96

4.8 Обсуждение... 97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 101

ВЫВОДЫ... 114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ... 115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 116

ПРИЛОЖЕНИЕ... 131

ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы

В настоящее время в связи с расширением использования различных автоматизированных систем, управление которыми носит монотонный характер с минимальными физическими, а иногда и умственными нагрузками для оператора, большое значение приобретают ситуации, связанные с утомлением, ослаблением внимания и сонливостью. Все это влечет за собой возникновение опасного переходного состояния "бодрствование-сон" и, как следствие, повышенную вероятность возникновения аварийных ситуаций. Поэтому проблема диагностики, контроля и коррекции функционального состояния (ФС) оператора, работающего в условиях, требующих длительного или повышенного внимания при депривации сна или при нарушении нормального цикла бодрствование-сон, является чрезвычайно актуальной (Фролов, 1987; Корен, 1997; Railway Safety..., 2002; Буриков и соавт., 2003 и др.).

Помимо теоретической значимости эта проблема имеет и прикладное значение, в частности, для создания биотехнических комплексов, моделирующих операторскую деятельность и позволяющих отслеживать наступление такого состояния. Для предотвращения возникновения сонливого состояния существует и продолжает разрабатываться множество различных методов, способов и технических приспособлений. Все они направлены на поддержание надежности деятельности человека-оператора, предотвращение нежелательных сдвигов его ФС и экстренное "взбадривание" в случае ослабления внимания при наступлении дремотного состояния (Дорохов, 2001; Thiffault, Bergeron, 2003; Dinges, 2004; Dijk, Larkin, 2004; Moore-Ede, Heit-mann et al., 2004; Mallis, Mejdal et al., 2004 и др.). Подробный обзор устройств, осуществляющих контроль бодрствования машинистов поездов, появился около трех лет назад (Railway Safety..., 2002). В нем на основе анализа предложений использовать различные физиологические показатели отмечается, что проблема своевременной идентификации перехода бодрствование-

сон пока не решена, поскольку ни одна из обсуждаемых в обзоре систем не принята к реализации.

В суточном цикле бодрствование-сон имеется два пика, определяющих максимальную аварийность на транспорте: от 23 до 7 часов утра и от 13 до 17 часов. В эти часы число аварий возрастает в 8-10 раз (Корен, 1997). Если человек периодически или систематически недосыпает, то в определенные часы суток у него появляется трудно преодолимое желание уснуть хотя бы на несколько секунд. Но даже при скорости всего 50 км/час за 10-секундный микросон водителя его автомобиль проедет около 135 метров.

По приблизительным подсчетам, в 1988 году по вине сонных водителей произошло 41.6 % всех аварий — 769184 травмированных и 17689 погибших. Общий ущерб, нанесенный только экономике США подобными катастрофами, составил $ 37.9 млрд. По последним данным Национальной комиссии во Франции в 1995г. по вине сонных водителей произошло 40% всех ДТП. Во Франции прямые убытки за год составили более $ 11 млрд., а общие потери, включая лечение, профилактику и т.д., оцениваются, соответственно, от 50 до 100 млрд. долларов (Корен, 1997). В военной эргономике аналогичные цифры могут оказаться непредсказуемыми. В то же время в практике до сих пор нет надежных методов и даже критериев, позволяющих с необходимой уверенностью отделить состояние непреодолимой сонливости от утомления, а также оценить влияние монотонии, отвлечения внимания, снижающих уровень бодрствования (бдительности) и эффективность деятельности.

Исследования, проведенные во многих лабораториях сна, показали, что нормальное бодрствование невозможно без полноценного освежающего сна (Torsvall, 1989; Lavie, Weler et al., 1989; Gillberg, Kecklund, 1996; Tamaki, Shi-rota, 2000). Особенно важно поддержание нормального бодрствования для лиц, занимающихся работой, требующей постоянно высокого уровня внимания и сосредоточенности, что касается диспетчеров аэропортов, атомных станций, командных пунктов министерства обороны, гражданской защиты и министерства чрезвычайных ситуаций, а также шоферов, занятых много-

дневным вождением грузовых и пассажирских машин (Philip, Taillard, 2003; Sallinen, Harma et al., 2003). Исследования, проведенные в последние годы, подтверждают значение функционального состояния водителей для безаварийной работы на трассе. Как выясняется, важным фактором, приводящим к снижению уровня бодрствования водителей, является большая продолжительность рейса, что вызывает повышенную утомляемость, монотония, снижение внимания и появление сонливости (Dureman, Boden, 1982; Haworth et al.,1987; Home, Reyner, 1995; Philip et al., 1999; Hakkanen, Summala, 2000; Garbarino et al., 2001). По данным статистики CIIIA засыпание за рулем является причиной 20-30 % всех аварий грузовых автомашин (National Transportation, 1990; Amer. Thorac. Soc, 1994; Home, Reyner, 1995). Как показывают исследования, имеет значение и возраст водителя. У молодых водителей (возраста до 30 лет) скорее возникает состояние усталости и сонливости по сравнению с водителями с большим стажем (Philip, Mitler, 2000; Baulketal., 2001).

Причиной аварий может быть и обыкновенное сокращение ночного сна, вызванное бытовыми причинами. Сонливость может возникать в результате умеренного ежедневного уменьшения времени сна на 1-2 часа, которое может накапливаться в течение времени. Большое значение имеет непрерывность сна. Шесть часов непрерывного сна оказывают более выраженный освежающий эффект, чем, например, 10 часов сна фрагментарного (Railway Safety, 2002). В специально проведенных исследованиях было выявлено, что сокращение ночного сна с обычных 7,2 часа до 2,7 часа у 49 % обследованных приводило к значительной сонливости в последующее дневное время и засыпанию. Даже сдвиг во времени суток моментов засыпания и пробуждения влияет на выполнение задания, требующего особого внимания и бдительности (Taub, Berger, 1974).

Другими факторами риска аварий являются: отправление в рейс в ночное время, принадлежность водителя к группе "сов", привычка долго спать в течение недели, сон дольше обычного в выходные дни (Philip et al., 1999).

Бессонница и расстройства сна обусловливаются также и экологическими неблагоприятными факторами окружающей среды, стрессами, психологической напряженностью.

Однако проведенный нами аналитический обзор научной литературы и патентных источников показал, что до сих пор в мире нет достаточно эффективных методов борьбы с ошибками человека-оператора в эргатических системах управления. В частности, огромные экономические убытки и многочисленные жертвы наблюдаются ежегодно на всех видах транспортных средств. Одной из причин этого является человеческий фактор. Поэтому проблема создания надежных методов оценки и поддержания состояния бдительности и внимания в условиях утомления и сонливости, обусловленных монотонной деятельностью, продолжает оставаться весьма актуальной.

Цель работы: исследование динамики функционального состояния человека-оператора в условиях, требующих длительного повышенного внимания при монотонной деятельности на компьютерном тренажере, имитирующей труд водителя транспортного средства.

Задачи исследования

1. Исследовать динамику электрофизиологических показателей (электроэнцефалограмма, кардиоритмограмма, электроокулограмма) человека при расслабленном бодрствовании в условиях сенсорной депривации.

2. Определить общие тенденции динамики перечисленных показателей, поведенческих реакций, а также выявить индивидуальные особенности состояния испытуемых на разных этапах работы на специальном компьютерном тренажере в зависимости от уровня бодрствования и проблемных ситуаций, возникающих в процессе работы на тренажере.

3. Определить наиболее достоверные и значимые показатели наступления опасного для операторской деятельности состояния перехода от бодрствования к сну.

4. Предложить ряд рекомендаций для разработки технических средств, способствующих повышению эффективности профессионального отбора операторов систем управления.

5. Разработать необходимое программное обеспечение для компьютерного анализа результатов исследований.

Научная новизна

Анализ исследований позволил произвести качественное ранжирование информационной значимости психофизиологических показателей для идентификации состояния, предваряющего момент потери контроля над ситуацией.

Показано, что снижение уровня активации коры головного мозга "засыпающих" операторов электрофизиологически подтверждается фактом "замедления" доминирующего диапазона альфа-ритма, а также возникновением двух или трех гармоник альфа-ритма (полимодальность).

У "не засыпающих" операторов при длительном пребывании в состоянии расслабленного бодрствования происходит усиление спектральной мощности доминирующего диапазона альфа-ритма и его распространение по конвекситальной поверхности.

Координаты источника активности доминирующего альфа-ритма у "засыпающих" операторов с развитием сонного состояния меняются, а у "не засыпающих" остаются прежними.

Индивидуальные особенности состояния оператора прослежены и зарегистрированы в непрерывном режиме на протяжении всего цикла исследования - от расслабленного бодрствования до II стадии медленноволновой фазы сна.

Для изучения реакций оператора в процессе перехода от бодрствования к сноподобному состоянию использовался компьютерный тренажер, на котором моделировалась монотонная операторская (водительская) деятельность.

Регистрация и архивирование комплекса показателей, включая электрографические и поведенческие, производилась непрерывно и синхронно в процессе управляющих действий на тренажере.

8

Практическая значимость работы

Проведенные исследования показали, что проблема распознавания переходного состояния "бодрствование-сон" должна решаться на основании сугубо индивидуального подхода, поскольку фиксация определенных тенденций в изменении только статистических физиологических параметров не может являться основанием для построения обобщенной модели идентификации предсонных состояний.

При исследовании функционального состояния при расслабленном бодрствовании по данным ЭЭГ, кардиоритмограммы и артериального давления выявлены особенности "засыпающих" и "не засыпающих" испытуемых. Указанные электрофизиологические параметры следует включить в систему профотбора операторов

На основании проведенных исследований определено, что наиболее достоверными, значимыми и имеющими возможность бесконтактной реализации показателями состояния перехода от бодрствования к сну являются ве-кодвигательные реакции человека.

Разработаны практические рекомендации для повышения эффективности профессионального отбора и коррекции функционального состояния операторов, работа которых связана с монотонной деятельностью.

Предложена структурная схема лабораторного комплекса для профессионального отбора и тренировки операторов транспортных систем.

Предложена концепция "бортовой" системы для идентификации пред-сонного состояния человека, работа которой основана на бесконтактной оценке векодвигательных реакций, как показателя снижения уровня бодрствования.

Положения, выносимые на защиту

1. Индивидуальный характер реагирования на монотонные действия и ситуацию не позволяет однозначно определять состояние оператора, опасное для продолжения процесса управления.

2. Динамику ФС человека-оператора в процессе монотонной деятельности от состояния активного бодрствования до состояния утраты контроля над объектом управления вплоть до засыпания, следует описывать с использованием данных электроэнцефалографии, кардиоритмографии, электроокуло-графии и поведенческих реакций.

3. Локализация источников медленной биоэлектрической активности мозга от активного бодрствования до засыпания имеет индивидуальный характер, при засыпании возникает разделение альфа-ритма на несколько выраженных гармонических составляющих, наблюдается снижение его частоты и распространение в теменную область коры головного мозга.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на III Международном Конгрессе "Слабые и Сверхслабые поля и излучения в Биологии и Медицине" (СПб, 2003), Всерос. научно-техн. конференции "Биотехнические системы в XXI веке" (СПб, 2004), Международной конференции "Стресс и поведение" (СПб, 2004), на заседаниях Физиологического общества (секция "Психофизиология" и заседаниях отдела Экологической физиологии НИИЭМ РАМН.

Материалы диссертации представлены на Международной конференции "Современные аспекты реабилитации в медицине" (Ереван, 2003), XIX съезде Физиологического общества им.И.П.Павлова (Екатеринбург, 2004), Симпозиуме "Императивы экологии человека XXI века" (СПб, 2005).

По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 137 страницах, включая 33 рисунка, 7 таблиц и приложение, и содержит: введение, обзор литературы, описание методик, результаты и обсуждение собственных исследований, заключение и выводы. Список литературы содержит 261 наименование работ на русском и английском языках.