автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Биометрическая система контроля функционального состояния человека (оператора)

На правах рукописи

ЕСЬКИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

БИОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА (ОПЕРАТОРА)

05 12 04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения 03 00 02 - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2008

003445 Ю5

003445105

Работа выполнена на кафедре теоретической радиотехники Московского авиационного института (государственного технического

университета)

Научные руководители заслуженный деятель науки

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Шишкин Геннадий Георгиевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Агеев Игорь Михайлович

Официальные оппоненты заслуженный деятель науки РФ

доктор физико-математических наук, профессор

Усанов Дмитрий Александрович

доктор технических наук, старший научный сотрудник Меркишин Геннадий Васильевич

Ведущая организация Институт радиотехники и электроники

РАН (Фрязинский филиал)

Защита диссертации состоится «23» сентября 2008г в_— часов на

заседании диссертационного Совета Д212 125 03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу 125933, г Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д 4

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МАИ Автореферат разослан «х?» ^с л Л 2008 г

Ученый секретарь диссертационного Совета Д212 125 03 кандидат технических наук, старший научный сотрудник

М И Сычев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

При рассмотрении вопросов, относящихся к эксплуатации сложных технических систем, в частности радиоэлектронных систем и транспортных средств, возникает ряд проблем, связанных с человеком и человеческим фактором Согласно статистическим данным более 75% (в авиации более 90%) аварий таких средств и систем различной сложности происходят по вине человека Отсюда возникают требования к высокой квалификации операторов, а в большинстве случаев (особенно это актуально в оборонном комплексе) к их устойчивому психоэмоциональному состоянию (ПЭС) Следует отметить, что если первый аспект является довольно постоянным (человека можно обучить и объективно проверить его знания и навыки), то второй - переменный, так как зависит не только от волевых качеств оператора, но и от вида и интенсивности внешних воздействий шум, электромагнитное излучение (ЭМИ), вибрации, отношение в коллективе и т п Как известно из психологии изменение эмоционального состояния человека может происходить с достаточно высокой скоростью В этой связи возникает задача непрерывного и объективного анализа ПЭС оператора, выполняемого без отрыва последнего от своей деятельности

В силу актуальности данной задачи, потребность в аппаратуре, осуществляющей анализ требуемого уровня, в настоящее время очень высока Существует довольно большое количество систем предназначенных для диагностики ПЭС, либо позволяющих ее проводить (системы Майнридер, Барьер, Крис, Поларг и др) Регулярно появляются новые системы психофизиологической диагностики Однако ни одна из них не способна выполнять контроль ПЭС в соответствии со всеми требованиями Все комплексы осуществляют периодический контроль с довольно большим периодом (от одного до нескольких десятков минут), не позволяющим отслеживать ПЭС человека в реальном масштабе времени В большинстве систем используются методики, требующие отрыва обследуемых от работы, либо ограничивающие их возможности В некоторых случаях суждение о ПЭС носит субъективный характер

Ограничения применимости аппаратуры связаны с ограниченными возможностями биометрических методик реализуемых в них Для достижения требуемого уровня контроля ПЭС в последнее время стали разрабатываться новые и модернизироваться существующие методы биометрии Однако необходимых результатов в данном направлении достигнуто не было

В передовых странах ведутся разработки по созданию носимых диагностических комплексов, предназначенных для осуществления непрерывного контроля состояния человека Однако их возможности пока

ограничены принятием объективного решения лишь о физическом состоянии обследуемого и интенсивности процессов метаболизма

Одни из основных трудностей на пути к созданию требуемой биометрической системы связаны со спецификой регистрируемой информации Измеряемые параметры с одной стороны слабо коррелированны, а с другой их значения многомодальны и вариабельны от индивидуума к индивидууму По этой причине возникают сложности при математической обработке и принятии решений Преодоление проблем связанных с многозначностью суждений и их индивидуальностью для каждого из обследуемых является одной из центральных проблем диагностики ПЭС

Объективность суждения о ПЭС человека в большей степени зависит от используемой стратегии принятия решения по регистрируемым биометрическим параметрам По своей сути решаемые алгоритмами задачи аналогичны задачам распознавания образов В этой связи, результаты работы, проводимой в данном направлении, могут иметь практическую значимость не только для биометрии, но и для других областей (радиолокация, радионавигация и др)

Изложенное свидетельствует о высокой актуальности темы настоящей работы и востребованности ее результатов

Цель диссертационной работы: разработка и исследование диагностической системы, позволяющей осуществлять непрерывный контроль ПЭС человека в реальном масштабе времени, без отрыва от выполняемой задачи

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи

1 Разработать и исследовать новую методику диагностики ПЭС человека, основанную на регистрации надтеплового излучения биологического объекта (НИБ) водным датчиком Исследовать природу НИБ

2 Разработать и исследовать датчик канала НИБ

3 Разработать основные принципы построения и схемное решение многомодальной диагностической системы, использующей методики диагностики состояния обследуемого посредством анализа параметров кожно-гальванической реакции (КГР), тремора и НИБ

4 Разработать математическую модель и программное обеспечение для обработки первичных сигналов и формирования системы параметров, характеризующих ПЭС

5 Разработать стратегию принятия решения о факте изменения состояния обследуемого по результатам диагностики

6 Исследовать способность системы определять изменение функционального состояния

Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем

• Впервые исследован эффект аномального изменения проводимости дистиллированной воды при ее нагреве биологическим объектом Изучена феноменология эффекта Установлена связь между дополнительным приростом электропроводности воды и ПЭС человека Определены параметры, характеризующие интенсивность воздействия

• Водноэлектрический датчик применен для первичного преобразования биометрической информации Разработана модель физических процессов, протекающих в датчике Осуществлен расчет параметров двойных электродных слоев для случая слабого раствора электролита и электродов из инертных металлов

• Разработана и исследована новая методика диагностики ПЭС человека на основе регистрации НИБ водноэлектрическим датчиком

• Разработанная биометрическая система не имеет аналогов и позволяет осуществлять объективную диагностику ПЭС человека в реальном масштабе времени, без отрыва от его деятельности Система может быть использована для исследования психологических особенностей личности

• Сформирована и успешно использована система параметров, характеризующих НИБ, КГР и тремор, достоверно описывающая ПЭС человека

• Разработана стратегия принятия решения о факте изменения функционального состояния обследуемого по составленной системе параметров, на основе адаптированных алгоритмов групповой обработки данных

Достоверность результатов диссертации

Достоверность полученных результатов обеспечивается строгостью и адекватностью используемых математических моделей, корректностью используемых упрощений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, соответствием результатов расчета эксперименту, применением стандартной поверенной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью современных, апробированных методов с использованием ЭВМ и воспроизводимостью результатов экспериментов

Практическая значимость полученных результатов • Новая методика диагностики ПЭС человека посредством НИБ может применяться в любой биометрической системе. Методика обладает рядом важных особенностей неинвазивность, результаты анализа

объективны и достоверны, время измерительного сеанса составляет менее 1-й минуты

• Разработанная диагностическая система может быть использована в любой сфере деятельности человека для непрерывного контроля его ПЭС (управление транспортных средств, операторская деятельность, военная сфера и т д) после проведения соответствующей опытно-конструкторской работы

• Рассчитаны и измерены параметры приэлектродных слоев для случая слабого электролита (дистиллированная вода) и инертных электродов

• Разработана стратегия принятия решения о факте изменения ПЭС обследуемого по отработанной системе биометрических параметров (большинство параметров уникальны)

Положения, выносимые на защиту:

1 Биометрическая система контроля ПЭС оператора в реальном масштабе времени, без отрыва от деятельности с использованием методик регистрации НИБ посредством водных датчиков, кожно-гальванической реакции (КГР) и физиологического тремора 2. Аномальное изменение проводимости дистиллированной воды, заключающееся в существенно более сильном ее увеличении при нагреве биологическим объектом по сравнению с использованием нагревателя не биологической природы

3 Зависимость изменения электропроводности воды от ПЭС человека

4 Использование водноэлектрического датчика, как первичного преобразователя биометрической информации

5 Последовательное применение методов групповой обработки данных, а именно факторного, кластерного и дискриминантного анализов, для исследования регистрируемых биометрических показателей позволяет вынести достоверное решение о факте изменения ПЭС человека

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре теоретической радиотехники Московского авиационного института (государственного технического университета) в 2005-2007гг Часть диссертационной работы была выполнена в соответствии с проектом, поддержанным РФФИ, «Исследование воздействия сверхнизкочастотных магнитных полей на биообъекты и водосодержащие среды» (2005-2007гг), фант № 05-05-65165-а Разработанная система применялась при организации учебного процесса в МАИ, ВВИА им НЕ Жуковского, а также для обследования пациентов ГВКГим НН Бурденко

Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на-

1 I международной конференции «Авиационная инженерная психология и эргономика» 15 ноября 2003г, г Москва,

2 15-й международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 12-16 сентября 2005г, г Севастополь;

3 1-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», 27 сентября - 8 октября 2005г, г Пицунда

4 Международном научно-техническом конгрессе по безопасности Октябрь-ноябрь 2005г , г Москва

5 9-й Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», 20-22 сентября 2006г, г Санкт-Петербург

6 Научно-технической конференции молодых ученых, апрель 2007г, г Москва, МАИ

7 УИ-й международной крымской конференции «Космос и биосфера», 1-6 октября 2007г, г Судак

Личный вклад соискателя выразился в выполнении части исследований эффекта регистрации НИБ с помощью водного датчика, разработке физической модели водного датчика и расчета ее параметров, участии в разработке схемного решения диагностической системы, создании макета измерительной установки и его отработки, выполнении экспериментов по испытанию диагностической системы, обработке их результатов, разработке стратегии принятия решения об изменении ПЭС обследуемого

Публикации. По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 14 работ, в том числе 5 статей в журналах, 9 тезисов докладов

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и 6-и приложений Общий объем диссертации составляет 200 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 22 таблицы и 94 формулы, имеющих номера Список литературы содержит 86 наименований и изложен на 6-и страницах

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описана структура и объем работы

В первом разделе диссертации проведен критически анализ современной биометрической аппаратуры, методов контроля физиологических параметров и методов математической обработки биометрической информации Здесь же определены основные трудности, связанные с созданием системы

Причина неспособности существующей аппаратуры контролировать ПЭС человека на заданном уровне заключается в не удовлетворении большинства биометрических методик концепции требуемой системы, а именно условиям неинвазивности, объективности и возможности контроля в реальном масштабе времени Всем требованиям соответствуют только методики анализа КГР, тремора мышц, кровяного давленйя, частоты пульса и дыхания Однако реализация только их не позволяет осуществлять контроль заданного уровня, что свидетельствует о необходимости разработки и внедрении качественно новых методов биометрии

Вынесение суждения о ПЭС человека или факте его изменения осуществляется с помощью методов групповой обработки данных, которые разделены на две группы алгоритмические и нейросетевые Задача дифференциации ПЭС требует решения проблемы перекрытия кластеров в пространстве биометрических параметров, возникающей ввиду полимодальности данных и их вариабельности от индивидуума к индивидууму. Привлечение нейронных сетей, либо метода опорных векторов позволяет преодолеть такие трудности Однако это связано с построением специфических моделей, что выходит за рамки настоящей работы Задача определения факта изменения ПЭС является более простой и для ее решения можно применять более формализованные алгоритмы групповой обработки данных (факторный, кластерный, дискриминантный анализы), предварительно адаптированных к биометрической информации

Во втором разделе приведены результаты исследования эффекта аномального изменения проводимости воды при воздействии биологическим объектом, изучения его сущности, разработки водноэлектрических датчиков и разработки новой биометрической методики диагностики, использующей открытый эффект

Внедряемая, новая методика диагностики состояния человека основана на использовании открытого в нашей лаборатории феномена, заключающегося в следующем Если осуществлять нагрев дистиллированной воды на определенную температуру электрическим нагревателем, то ее проводимость увеличивается, при осуществлении нагрева биологическим

объектом на такую же температуру проводимость воды увеличивается на существенно большую величину (рис 1) Дополнительный прирост проводимости был связан со специфическим воздействием человека на воду, названным надтепловым излучением биологического объекта (НИБ)

Рис. 1. Зависимость проводимости воды от температуры (крестики -электрический нагреватель, кружки - биологический)

Для характеристики интенсивности воздействия введен параметр В, рассчитываемый по формуле

сг0

где Аоъ ~ приращение электрической проводимости при воздействии биологическим объектом, А а, - приращение электрической проводимости при обычном нагреве, t - время воздействия или нагрева, а0 - начальное значение электропроводности Величина параметра В измеряется в относительных единицах, либо процентах за минуту воздействия При нагреве его значение составляет от 2-х до 5-и процентов, при воздействии же - от 5-и до 50-и процентов

Для исследования явления был разработан водноэлектрический датчик, состоящий из кюветы, двух электродов и терморезистора Физическая модель протекающих в датчике процессов является довольно сложной ввиду формирования на границе вода-электрод специфической области (двойного электрического слоя - ДЭС) Для ее аналитического описания была использована теория Гуи-Чапмена, видоизмененная Штерном Принятые представления о структуре ДЭС и расчет их параметров для случая очень слабого электролита (дистиллированная вода) и электродов из благородных металлов, позволили составить эквивалентную электрическую схему водного

датчика и рассчитать ее параметры для разных режимов работы, а также исследовать их зависимость от различных величин В работе были поставлены эксперименты, позволяющие измерить рассчитанные величины Значения, полученные теоретическим и опытным путями, находятся в полном согласии между собой

Изучение нового эффекта с помощью водного датчика позволило выявить, что значение параметра В определяется ПЭС человека

Рассматриваемый метод диагностики является не изученным ранее, поэтому в работе проведено исследование физической сущности эффекта Исходя из современных представлений, можно сделать три предположения о природе фактора, воздействующего на воду электромагнитная, акустическая и химическая Несостоятельность предположения о химической природе была показана путем проведения экспериментов с использованием герметичных датчиков Акустическая природа отвергается на основании работ, выполненных под руководством академика Ю В Гуляева, подробно исследовавшего акустический спектр человека и указавшего на незначительный энергетический уровень его компонент Предположение о природе НИБ, как электромагнитного излучения (ЭМИ), является наиболее вероятным

В работе была сделана попытка определения диапазона ЭМИ В длинноволновой области (метровый и сантиметровый диапазоны) излучение человека имеет тепловое происхождение и низкую интенсивность порядка 10"8Вт/см2 Проведены эксперименты по исследованию распространения воздействующего на воду излучения в ограниченных пространственных структурах, соответствующих диапазону размеров При этом установлено, что характер распространения в них, такой же, как в свободном пространстве Другая область спектра - видимое и ультрафиолетовое излучение человека имеет хемолюминесцентное происхождение, его интенсивность находится на уровне 10'17Вт/см2. Излучение данных диапазонов проблематично рассматривать в качестве возможного фактора, увеличивающего проводимость воды, однако не исключается возможность информационного воздействия Из этого, следует, что исследуемое ЭМИ лежит в области нижнего инфракрасного и терагерцового диапазонов (Змкм-ЗООмкм) При этом последний из них в настоящее время изучен слабо. Существуют данные, указывающие на согласованность спектров испускания человека и поглощения воды в его некоторой части Важно отметить, что вода, являясь основным компонентом всех органов человека, играет важную роль в формировании спектра его излучения При этом водный датчик выступает в роли согласованного с передающей стороной приемного устройства

Для полноценного объяснения механизма воздействия человека на воду были рассмотрены возможные механизмы изменения ее проводимости Для

этого были рассмотрены наиболее адекватные, распространенные и признанные теории и модели структуры воды и ее электропроводности (единых общепризнанных моделей и теорий не существует) Исследования показали, что при воздействии ЭМИ биологического объекта на воду система переходит в состояние с меньшей энтропией Из этого следует, что кластерная структура воды изменяется, что приводит к увеличению концентрации и подвижности характерных носителей, и, в конечном счете, проводимости воды Было показано, что важным условием существования воздействия НИБ на воду является открытость термодинамической системы

В третьем разделе осуществлена разработка схемного решения системы, использующей методики диагностики состояния человека посредством анализа параметров КГР, тремора и НИБ

Биометрическая информация является многомодальной и вариабельной В этой связи, регистрация только НИБ, не позволяет в полной мере описать ПЭС человека Поэтому необходимо использование биометрических методик, доставляющих дополнительную информацию о состоянии и дающих возможность при комплексном применении достоверно принимать решение Для этих целей в системе были реализованы методы анализа кожно-гальванической реакции (КГР) и тремора мышц КГР представляет собой изменение электрического сопротивления (либо разности потенциалов) кожи между двумя участками Тремор мышц представляет собой непроизвольные ритмичные движения различных частей тела, возникающие вследствие сокращения мышц При этом параметры тремора и КГР определяются ПЭС

Для регистрации НИБ измеряются проводимость основного объема воды в датчике и ее температура Для устранения влияния параметров ДЭС на результат измерение проводится на переменном токе с частотой колебания в 1кГц Сигнал с датчика предварительно фильтруется от помех, после чего детектируется пиковым детектором (большая постоянная времени детектора необходима для сглаживания случайных выбросов и провалов информационного сигнала), проходит через звенья окончательной фильтрации и поступает в ЭВМ через плату сбора данных для обработки

Для регистрации КГР используется активный метод (метод Фере) регистрации сопротивления Снимаемый с электродов сигнал после нескольких звеньев фильтрации поступает в ЭВМ для обработки Регистрация параметров тремора осуществляется с помощью датчика ускорения АОХЫ05А()С, сигнал с которого через фильтр подается на ЭВМ

Для записи сигналов используются платы сбора данных РСЬ-818НС фирмы «АёуагИесЬ» и ЬА-20ШВ фирмы «Центр-АДЦ» Записанные сигналы проходят обработку в среде МаШСАБ 12 Для этого рассчитывается параметр В канала НИБ, исследуется его изменение в течение диагностического сеанса,

анализируются фазическая и тоническая составляющие сигнала КГР и исследуются спектральные характеристики сигнала тремора

В четвертом разделе приведены результаты испытания, разработанной диагностической системы, сформирована система анализируемых биометрических параметров и разработана стратегия принятия решения о факте изменения состояния обследуемого

Для суждения о ПЭС человека используются 18 параметров (2 для канала НИБ, 8 для канала КГР и 8 для канала тремора) Все они полимодальны и вариабельны По этой причине их анализ необходимо проводить комплексно, то есть с помощью методов групповой обработки данных Для этого использовались адаптированные методы факторного, кластерного и дискриминантного анализов Первый применялся для уменьшения числа параметров и переходу к системе из независимых элементов Он позволил перейти к 8-ми факторной модели Для выделения факторов использовался метод главных компонент, вращение структуры осуществлялось методом промакс с нормализацией по Кайзеру Для оценки адекватности модели использовались меры Текера-Левиса (rho) и выборочной адекватности Кайзера (МВА) Шкалирование проводилось по методу Андерсона-Рубина

Кластерный анализ применялся для предварительной классификации состояний Для этого использовался иерархический агломеративный метод Варда В качестве мер сходства использовались расстояние Махаланобиса и коэффициент корреляции Дискриминатный анализ позволил осуществить окончательную кластеризацию, вынести суждение о факте изменения ПЭС и составить функции принятия решения для новых людей Для этого осуществлялся расчет канонических дискриминантных функций Определение числа функций и оценка их значимости осуществлялись с помощью коэффициентов канонической корреляции и Д-статистики Уилкса Для классификационных аспектов анализа применялись классифицированные функции, обобщенные функции расстояния и теоретические значения вероятности принадлежности объекта к классу Расчет показал, что адекватность используемых методов и достоверность их результатов довольно высока Обработка измеренных параметров с помощью указанных методов групповой обработки данных проводилась в вычислительной среде SPSS13.

В рамках испытания системы осуществлялись две серии экспериментов Первая заключалась в измерении параметров до и после предъявления обследуемому неожиданного стимула, приводящего к испугу Вторая - в проведении диагностики до и после выполнения умственной работы, приводящей к умственному утомлению В обоих случаях имело место изменение ПЭС Было обследовано более ста человек, при этом система с успехом регистрировала переход обследуемых в другое состояние

Изменение состояния иллюстрируется рис.2. Из диаграмм видны не

Рис. 2. Изменение состояния после внешнего воздействия (а - резкий стимул, б - умственная нагрузка; квадраты - состояние до воздействия, кружки - после)

только факты переходов объектов между группами, но и их специфичность, обуславливаемая индивидуальными особенностями личности. Все обследуемые проходили психологическое тестирование, с целью определения типов темпераментов. Анализ реакции на действие резкого фактора выявил сильное изменение ПЭС меланхоликов и холериков и незначительное у сангвиников и флегматиков, что находится в согласии с особенностями темпераментов и указывает на возможность использования системы для исследования психологических особенностей личности.

Анализ направленности изменения значений параметров позволил выявить тенденцию, свидетельствующую о возможности дифференциации ПЭС: при возбуждении значения параметров А тремора и В НИБ сильно возрастают, при утомление же значение В уменьшается, а возрастание А не очень велико (рис.3).

А. о-т. ад.

а)

б)

Рис. 3. Изменение параметра В НИБ и А тремора после действия внешних факторов (а - резкий стимул, б - умственная работа; сплошная линия - состояние до воздействия, пунктирная - после)

В проведенных уникальных измерениях были выявлены преимущества разработанной системы. В частности ввиду малого времени сеанса диагностики факт изменения ПЭС успевал регистрироваться до истечения времени релаксации, в реальном масштабе времени.

В данной главе была также определена надежность принятых решений получаемых с помощью разработанной стратегии. В работе рассчитаны точечные и интервальные оценки надежности. Для расчета точечных оценок применялся байесовский подход для обобщенной функции потерь применительно к задачи классификации. Используя экспериментальные данные, полученные при исследовании реакции человека на неожиданный стимул, был проведен расчет достоверности, значение которой составило 93.2%. Для случая экспериментов с утомлением величина надежности составила 90.7%.

Расчет интервальных оценок проводился относительно расстояния Махаланобиса, как основного параметра классификации. С этой целью на первом этапе было установлено, что закон распределения расстояния внутри групп нормальный с параметрами ц = 0.82, о = 0.21 - для первой группы и |1 = 2.21, а = 0.24 - для второй1. Подтверждение гипотезы о нормальности закона было выполнено с помощью критерия \ . На втором этапе было получено соотношение для вычисления надежности через вероятности ошибок классификации объектов. В общем случае такой расчет приводил к

1 Здесь обозначении ц - математическое ожидание, о - среднее квадратическое отклонение.

формированию области неопределенности на границе раздела групп Наличие этой области позволяет повысить достоверность принятых решений до 95% за счет невозможности кластеризации состояний, принадлежащих ей В условиях отсутствия данной зоны и одинаковой ошибки классификации для обоих кластеров значение надежности составляет 88 7% по данным экспериментов с предъявлением неожиданного стимула и 87 8% по данным экспериментов с утомлением.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, и выводы

В приложениях приведены значения регистрируемых параметров для всех обследуемых в проводимых экспериментах

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведен анализ современных систем биометрии и принципов их построения Рассмотрены существующие методы психофизиологической диагностики и обработки биометрической информации, выделены особенности каждого из них и определены границы применимости

2 Исследован феномен аномального изменения проводимости дистиллированной воды в результате ее нагрева биологическим объектом Предположен физический механизм НИБ, связанный с электромагнитным излучением в терагерцовом и нижнем инфракрасном диапазонах и показана связь дополнительного прироста электропроводности при регистрации НИБ с ПЭС обследуемого, что является основой новой биометрической методики, разработанной и исследованной в работе

3 Разработан и исследован водноэлектрический датчик, как первичный преобразователь биометрической информации, осуществляющий регистрацию НИБ Разработана биометрическая система, осуществляющая объективный контроль функционального состояния человека неинвазивными методами на основе регистрации физиологических параметров КГР, тремора и НИБ в реальном масштабе времени

4 Сформирована система биометрических параметров, регистрируемых диагностической системой и характеризующих ПЭС Разработана математическая модель, позволяющая их вычислять Измеряемые биометрические параметры слабо коррелированны между собой, они полимодальны и вариабельны от индивидуума к индивидууму, что вызывает трудности, связанные с многозначностью принятых решений и их индивидуальностью для каждого обследуемого

5 Для комплексной математической обработки параметров адаптированы и обоснованно применены алгоритмические методы факторного, кластерного и дискриминантного анализов Достоверность принятия решения об изменении ПЭС по результатам обработки составляет более 90%

6 Анализ направленности изменения регистрируемых системой параметров, позволяет осуществлять дифференциацию состояний Разработанная система может быть использована также для исследования психологических особенностей личности

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1 Агеев И M , Шишкин Г Г , Еськин С M Измерение излучения человека с помощью водных датчиков // I международная конференция «Авиационная инженерная психология и эргономика» тез докладов Москва 15 ноября 2003г

2 Агеев И M, Шишкин Г Г, Еськин С M Приборный компьютеризированный комплекс для диагностики функционального состояния операторов радиоэлектронных станций// 15-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» тез докладов Севастополь Украина 12-16 сентября 2005г

3 Агеев И M, Шишкин Г Г, Еськин С M Приборный компьютеризированный комплекс для диагностики функционального состояния операторов радиоэлектронных станций // 1-я Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, технике и образовании» тез докладов Пицунда 27 сентября - 8 октября 2005г

4 Шишкин Г Г, Агеев И M , Еськин С M Аппаратурно-программный комплекс для контроля психоэмоционального состояния оператора с целью повышения надежности и безопасности работы технических систем // Международный научно-технический конгресс по безопасности тез докладов Москва Октябрь-ноябрь 2005г

5 Агеев И M, Рыбин Ю M, Шишкин Г Г, Еськин С M Водоэлектрические датчики для регистрации слабых физических полей и биоизлучения // Электронный журнал «Труды МАИ», 2006, вып №24 http //www mai ru

6 Агеев И M , Шишкин Г Г, Еськин С M Распространение биоизлучения в волноводе// Электронный журнал «Труды МАИ», 2006, вып. №25 http //www mai ru

7 Шишкин Г Г, Агеев И M, Еськин С M Приборный компьютеризированный комплекс для регистрации воздействия на

человека внешних факторов различной природы // 9-я Российская научно-техническая конференция «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» тез докладов Санкт-Петербург 20-22 сентября 2006г

8 Агеев И М, Шишкин Г Г Еськин С М Изучение влияния низкочастотного магнитного поля на воду // Электронный журнал «Труды МАИ», 2007, вып №28 http //www mai ru

9 Еськин С М Диагностика психофизиологического состояния человека с помощью его излучения // Научно-техническая конференция молодых ученых тез докладов Москва, апрель 2007г

10 Агеев И М , Шишкин Г Г , Еськин С М , Литвинов В Н , Рыбин Ю М Исследование воздействия низкочастотного магнитного поля малой интенсивности на электрические параметры воды // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника 2007г №6 С 59-62

11 Агеев И М, Шишкин Г Г, Еськин С М Влияние солнечной активности на свойства воды и состояние человека // VII международная крымская конференция «Космос и биосфера» тез докладов Судак Украина 1-6 октября 2007г С 216-219

12 Агеев И М, Еськин С М, Литвинов В Н, Рыбин Ю М , Шишкин Г Г Исследование воздействия слабого низкочастотного магнитного поля на воду // VII международная крымская конференция «Космос и биосфера», тез докладов Судак Украина 1-6 октября 2007г С 219-221

13 Агеев ИМ, Шишкин ГГ, Еськин СМ Надтепловое излучение человека // VII международная крымская конференция «Космос и биосфера» тез докладов Судак Украина 1-6 октября 2007г С 228-230

14 Агеев ИМ, Шишкин ГГ, Еськин СМ, Рыбин ЮМ Исследование воздействие слабого инфранизкочастотного магнитного поля на дистиллированную воду // Биомедицинская радиоэлектроника 2008г, №5

БЛАГОДАРНОСТИ

Выражаю искреннюю благодарность своим научным руководителям профессору Шишкину Геннадию Георгиевичу, с н с Агееву Игорю Михайловичу, за внимание и многочисленные советы Рыбину Юрию Маратовичу и Литвинову Владимиру Николаевичу

ЕСЬКИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

БИОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА (ОПЕРАТОРА)

05 12 04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения 03 00 02 - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать «30» июня 2008 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел -печ л 1 0 Тираж!00экз ЗаказкйЗС Бесплатно

Отпечатано в издательско-полиграфической компании «АС Групп» 125364, г Москва, ул Свободы, д 39А

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Биометрические методы и системы контроля физиологических параметров.

1.1. Современная аппаратура регистрации ПЭС и методы биометрии.

1.2. Современные методы математической обработки биометрической информации.

1.3. Анализ современных проблем биометрии.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. Разработка методики диагностики состояния человека с применением водных датчиков.

2.1. Эффект регистрации НИБ.

2.2. Разработка и исследование водноэлектрического датчика.

2.3. Макет исследовательской установки.66%

2.4. Природа воздействия биологического объекта на воду.

2.5. Регистрация изменения функционального состояния посредством водных датчиков.89 •

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Исследование и разработка диагностической системы.97'

3.1. Разработка и исследование аппаратурной части канала «НИБ».

3.2. Разработка схемы канала «НИБ».

3.3. Канал «КГР». Разработка принципиальной схемы.

3.4. Канал тремора. Разработка принципиальной схемы.

3.5. Плата сбора данных. Цепь питания.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Математическая обработка параметров системы.

4.1. Многомерная обработка выходных параметров измерительной системы.

4.2. Эксперименты по предъявлению обследуемому неожиданного стимула.

4.3. Эксперименты по воздействию на обследуемого умственной нагрузки.

4.4. Оценка надежности принятых решений.

4.5. Выводы по главе.

Заключение

В данной работе была разработана и исследована диагностическая система для определения состояния обследуемого. Система состоит из трех диагностических каналов, регистрирующих параметры НИБ, КГР и тремора. Важно отметить, что если методики диагностики КГР и тремора являются классическими и широко применяются в диагностических целях (в системе они модифицированы), то регистрация НИБ представляет собой новую методику, разработанную и исследованную в работе. По этой причине в работе наибольшее внимание было уделено именно ей. В качестве преобразователя биометрической информации в канале НИБ использован водноэлектрический датчик, разработанный и изученный в настоящей работе. Физическая модель протекающих в датчике процессов является довольно сложной ввиду формирования на границе раздела вода-электрод специфической области - двойного электронного слоя (ДЭС). Разработанная на основании теории Гуи-Чапмена модель позволила составить эквивалентную электрическую схему датчика, рассчитать ее основные параметры и исследовать их зависимость от различных величин (потенциал электрода, количество примесей, температура и др.)

По результатам исследований было установлено, что воздействие биологического . объекта на воду осуществляется посредством электромагнитного излечения человека лежащего в терагерцовом диапазоне, при этом оно поглощается в приповерхностном слое. В работе представлены данные о согласованности в некоторой части данного диапазона спектров излучения человека и поглощения дистиллированной воды. Важно отметить, что вода, являясь основным компонентом всех органов человека играет важную роль в формировании спектра его излучения, в этой связи водноэлектрический датчик выступает в качестве согласованного с передающей стороной приемного устройства. Во 2-й главе был предложен возможный механизм изменения электропроводности воды под действием НИБ. Он связан с увеличением числа носителей и их подвижности в следствие изменения кластерной структуры.

Используемые методики диагностики являются неинвазивными и позволяют осуществлять объективную диагностику в реальном масштабе времени. В рамках исследования были получены схемотехнические решения всех каналов. Принцип работы каждого из каналов заключается в следующем: сначала осуществляется регистрации биометрического сигнала с помощью датчика, затем сигнал усиливается, фильтруется и проходит процедуру первичной обработки, после чего через плату сбора данных (АЦП) он поступает на ЭВМ, где с помощью методов математического анализа вычисляются информативные параметры. Дальнейшее усовершенствование системы в этом направлении может быть связано с внедрением дополнительных каналов и переходом к мобильному варианту комплекса.

В работе была осуществлена разработка стратегия принятия решения о факте изменения состояния обследуемого. По причине полимодальности биометрической информации и ее вариабельности от индивидуума к индивидууму решение задачи дифференциации состояний в полном объеме выходит за рамки настоящей работы. Для обработки измеренных параметров были использованы математические алгоритмы групповой обработки данных (факторный, кластерный и дискриминантный анализы), которые прошли процедуру адоптации к решаемой задаче. Данные методики позволяют зафиксировать факт изменения состояния человека с высокой вероятностью. Ввиду характерных изменений регистрируемых биометрических параметров для различных внешних воздействий можно заключить, что система способна дифференцировать состояния. Частично некоторые аспекты задачи решены в настоящей работе. Дальнейшая разработка стратегии принятия решения должна быть основана на использовании метода опорных векторов, либо нейросетевых технологий. Круг вопросов и задач, решаемых в подобных исследованиях, ввиду их сложности и объемности, выходит за рамки настоящей работы и требует организацию самостоятельных исследований.

Регистрация факта изменения ПЭС оператора является очень информативным показателем и позволяет судить о переходе состояния человека из работоспособного в-неработоспособное. Под работоспособным в данном случае понимается такое состояние, которое соответствует статусу выполняемой задачи. В этой связи правомерно заключить, что основная, цель диссертационного исследования в результате выполнения работы достигнута, а именно разработана измерительная система (аппаратурная часть и математический аппарат), успешно определяющая факт изменения функционального состояния человека в реальном масштабе времени. При этом все поставленные задачи решены.

На основании результатов испытаний можно определить еще несколько направлений использования комплекса. Так, например его можно успешно применять для определения индивидуальных особенностей личности. Однако для этих целей следует выработать методику эксперимента. Разработанную систему можно применять для определения факта влияния внешних факторов различной природы на состояния человека, что важно во многих отраслях жизнедеятельности человека (контроль состояния санитарно-технической обстановки, выработка норм и правил и т.д.).

В работе было предложено несколько наборов регистрируемых параметров, при этом были сделаны выводы относительно предпочтения каждого из них. Однако для конкретного прикладного использования прибора, на основании эмпирических исследований, в общем случае следует вырабатывать свою, наиболее подходящую (возможно использовать данную) систему параметров.

Разработанная система с успехом применялась для повышения эффективности учебного процесса в МАИ и ВВИА им Н.Е.Жуковского. Система использовалась в качестве лабораторного макета при проведении лабораторных работ по дисциплине «Статистическая радиофизика» и «Электроника» для студентов факультета радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ, кроме этого используемый математический аппарат применялся для обработки измеренных данных. Круг решаемых системой задач позволил студентам ознакомиться и применить на практике методы ' выделения информационной составляющей из зашумленного сигнала, методы статистической обработки параметров, методы распознавания образов и изучить основные трудности, связанные с реализацией данных методов. На кафедре «теоретической радиотехники» МАИ планируется открытие новой специальности биофизической направленности. Разработанная система может быть использована в качестве лабораторного макета для выполнения основных работ. С помощью новой системы диагностировалось состояние военнослужащих дежурных смен в ВВИА им Н.Е. Жуковского и принималось решение о способности обследуемых корректно выполнять свои функции. Настоящая система успешно применялась для обследования пациентов в ГВКГ им. Н.Н.Бурденко. Сказанное подтверждается актами о внедрении результатов , диссертационной работы.

1. Лучшие психологические тесты для профотбора и профориентации. Описание и руководство к использованию./ Под ред. А.Ф. Кудряшова. - П.: Петроком, 1992. - 318 с.

2. Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Д.П. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. / Пер. с англ. — М.: Высшая школа, 1991. 399 с.

3. Методика и техника психофизиологического эксперимента: Сб. ст. / Отв. ред. В.Г. Волков М.: Наука, 1987. - 101 с.

4. Пайяр Ж. Применение физиологических показателей в психологии. / Экспериментальная психология./ Под ред. П. Фресса, Ж. Пиаже. М.: Прогресс, 1970. -76 с.

5. Рутман Э.М. Вызванные потенциалы в психологии и психофизиологии. — М.: Наука, 1979.-216 с.

6. Хэссет Дж. Введение в психофизиологию. М.: Мир, 1981. - 248 с.

7. Барабанщиков В.А. Окуломоторные структуры восприятия. М.: Изд. "Институт психологии РАН", 1997. - 384 с.

8. Рабинер Л. Р., Шафер Р. В. Цифровая обработка речевых сигналов./ Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1981. -495 с.

9. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов./ Пер с англ./ Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1989. - 219 с.

10. Гурвич А.Г., Гурвич Л.Д. Введение в учение о митогенезе. М.: изд. Акад. Мед. наук. СССРг 1948;-211 с.

11. Казначеев В.Н., Михайлова Л.Н. Сверхслабые излучения в межклеточных взаимодействиях. Новосибирск.: Сиб. отд. АН СССР, 1981. — 143 с.

12. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э. Радуга физических полей. // Энергия. 1986. - №12. -с. 39-43.

13. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э. Физические поля биологических объектов// Кибернетика живого. Биология и информация. М.: Наука. 1987. - с. 111-117.

14. Шипов Г.И. Теория физического вакуума: Новая парадигма. М.: НТ-центр, 1993. -362 с.

15. Овечкин A.M. Тепловизионная рефлексодиагностика. Н.: РБА, 1996. - 54 с.

16. Коротков К.Г. Эффект Кирлиан. СПб.: изд. «Ольга», 1995. - 67 с.

17. Авторское свидетельство СССР №321662, 1990.

18. Кошерев В.В. Диагностика состояния излучением. — М.: Наука, 1997. — 176 с.

19. Бубкин С.А. Научная экстрасенсорика. М.: Вузовская книга, 2007. - 212 с.

20. Бобров A.B. Полевые информационные взаимодействия (сборник трудов). Орел.: ОрелГТУ, 2003.-569 с.2L Молочанов А.Ю., Оглоблин С.И. Инструментальная «детекция лжи». М.: Нюанс, 2004.-464 с.

21. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: ВШ, 2006. - 565 с.

22. Факторный, дискриминантный и кластерный?анализ. / Под ред. Енюкова И.С. М.: финансы и статистика, 1989. - 216 с.

23. Енюков И.С. Методы-алгоритмы-программы многомерного статистического анализа. -М.: Финансы и статистика, 1997. 397 с.

24. Барский А.Б. Нейронные сети: распознавание, управление, принятие решений. М.: Нюанс, 2004.- 176 с.

25. Конюхов И.С. Метод опорных векторов. М.: Наука. 2002. - 293'с.

26. Агеев И.М., Шишкин Г.Г. Корреляция солнечной активности и электропроводных свойств воды. // Биофизика. № 46(5), 2001. с. 829 832

27. Шустов М.А. Практическая схемотехника. М.: Альтекс, 2002. - 538 с.

28. Агеев И.М., Шишкин Г.Г. Изменение проводимости воды при ее нагревании различными типами источников тепла, включая биообъекты. // Биофизика. 2001. -Т.46., вып. 5. - С. 829-832.

29. Бецкий О.В., Лебедева H.H., Котровская Т.И. Необычные свойства воды в слабых электромагнитных полях. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2003. -№1,-С. 37-44.

30. Агеев И.М., Рыбин Ю.М., Шишкин Г.Г., Есысин С.М. Водоэлектрические датчики для регистрации слабых физических полей и биоизлучения.// Электронный журнал «Труды МАИ». 2006. - вып. №24. http://www.mai.ru/. - 12 с.

31. Белая M.JL, Левадный В.Г. Молекулярная структура воды. М.: Знание, 1987. - 64 с.

32. Ю.М. Сокольский. Омагниченная вода: правда или вымысел. Л.: Химия, 1990. - 98 с.

33. В.М. Бахир. Электрохимактивация новая техника, новые технологии. Об электрохимической активации и воде "живой" и "мертвой". Вып. 1. - М. : ВНИИИМТ, 1990.-48 с.

34. В.И. Прилуцкий, В.М. Бахир. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия. М.: ВНИИИМТ, 1997. - 56 с.

35. Антониченко В.Я. Основы физики воды. Киев.: Наук, думка, 1991. - 667 с.

36. Зенин C.B., Тяглов Б.В. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды. // Ж. физ. химии. 1994. - т.68, №4. - С. 636 - 652.

37. Пономарев O.A., Фесенко Е.Е. Свойства жидкой воды в электрических и магнитных полях.//Биофизика. 2000г - Т.45, вып-.З. - С. 389 - 398.

38. Бинги В.Н. Дефекты структуры жидкой воды в магнитном и электрическом полях. // Биомедицинская радиоэлектроника. 1998., №2. - С. 15 - 28.

39. Binhi V.N. Biomagnetic correlations and the hypothesis of current states of a proton in water. // Biophysics. 1992. - v.37, № 3. - p. 502 - 505.

40. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 336 с.

41. Попов В.П. Основы теории цепей. М.: ВШ, 2007. - 575 с.

42. Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. М.: Радио и связь, 1989. - 212 с.

43. Технический паспорт к плате сбора данных Advantech PCL-818HG, 2002.

44. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. 347 с.

45. Метрология и радиоизмерения. Под ред. В.И. Нефедова. М: ВШ, 2003. - 247 с.

46. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: «Радио и связь», 1986. -512 с.

47. Радиоприемные устройства. Под ред. А.П. Жуковского. М. : ВШ, 1989. - 316 с.57. http : //www. analo g. com

48. Салем P.P. Теоретическая электрохимия: начала теории. М.: Вузовская книга, 2006.-328 с.

49. Делахей П. Двойной слой и кинетика электродных процессов. — М.: Мир, 1965. 352 с.

50. Прикладная электрохимия./ Под ред. Н. Т. Кудрявцева. М.: Химия, 1975. - 216 с.

51. Лоскутов C.B., Левитин В.В. Об измерениях работы выхода электронов методом динамического конденсатора. // Поверхность. 1992. - №8. - С. 121-123.

52. Алексашин П.А. Параметры воды: справочник. М.: Мир, 1998. - 228 с.63. ГОСТ 6709-72

53. Герасименко В.П. Справочник по физике. М.: ВШ, 1997. - 496 с.

54. Антропов JI. И. Теоретическая электрохимия. М., ВШ, 1989. - 258 с.

55. Шило B.JI. Интегральные микросхемы: справочник. М.: «Горячая линия -телеком», 2002. - 242 с.

56. Гусев K.P. Отечественные полупроводниковые диоды: справочник. М.: Мир, 1994. -318 с.

57. Борзяк Э.И., Бочаров В.Я., Волкова Л.И. и др. Анатомия человека (том 1). / Под редакцией М.П. Сапина. М.: Медицина, 1987. - 516 с.

58. Иванов А.И. Биометрическая идентификация личности по динамике быстрых движений.// Специальная техника средств связи. Серия: системы, сети и технические средства конфиденциальной связи. 1997. - Пенза, вып.2. - 271 с.

59. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика. М.: Мир, 1992.164 с.

60. Технический паспорт к плате сбора данных LA20-USB. М.: Руднев-шиляев, 2002. -36 с.

61. Брогест А.Н. Кожно-гальваническая реакция. М.: Наука, 1996. - 211 с.

62. Иванов П.К. Миотремор мышц человека. М.: Дрофа, 2001. - 176 с.

63. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных,- М.: Форум-инфра-м, 2006. -511.

64. Гуров С.И. Оценка надежности классифицирующих алгоритмов. М: Издательский отдел ф-та ВМиК МГУ, 2002. - 45с.

65. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов. Стохастические проблемы обучения. М.: Наука, 1974. - 86 с.

66. Вапник В.Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным. М.: Наука, 1979.-54 с.

67. Леман Э. Теория точечного оценивания./ Пер. с англ. М.: Наука, 1991. - 125 с.

68. Патрик Э. Основы теории распознавания образов./ Пер. с англ. Под ред. Б.Р. Левина. -М.: Сов. Радио, 1980- 196 с.

69. Хастингс Н., Пиккок Дж. Справочник по статистическим распределениям./ Пер. с англ. А.К. Звонкина. М.: Статистика, 1990 - 87 с.

70. Прудников А.И., Брычков КУА., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. М.: Наука, 1981. - 73 с.

71. Беляев Ю.К., Носко В.П. Основные понятия и задачи математической статистики: Учеб. Пособие. М.: Изд-во МГУ, ЧеРо, 1998. - 38 с.

72. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд. - М.: Наука, Гл. изд. физ-мат. лит., 1986. — 544 с.