автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Создание алгоритмического и программного обеспечения бесконтактной системы коррекции психофизиологического состояния

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

На правах рукописи УДК 615.471:616-073.652.12

Круглова Лариса Владимировна

СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

(Специальность 05.11.17 - «Медицинские приборы и системы»)

Научные руководители:

доктор технических наук профессор Коган И.М.

доктор технических наук профессор Яшин A.A.

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА ^ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ КОРРЕКЦИИ

ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ^ 13

1.1. Коррекция психофизиологического состояния в

стрессогенных условиях 13

1.2. Параметры собственного излучения как показатели функционального и психофизиологического состояний 19

1.3. Системы мониторинга и диагностики функционального и психофизиологического состояний 20

1.3.1. Активные системы 21

1.3.2. Пассивные системы 23

1.3.3. Многоканальные системы 29

1.3.4. Мониторинг психофизиологического состояния 32 Выводы 38

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МНОГОЭТАПНОЙ ПРОЦЕДУРЫ КОРРЕКЦИИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ 41

2Л. Принципы формирования и этапы процесса коррекции 41

2.2. Проблемы построения алгоритма коррекции психофизиологического состояния 43

2.2.1. Режим фона 43

2.2.2. Диагностика психологического состояния испытуемого 44

2.2.3. Определение параметров факторов воздействия с учетом индивидуальных особенностей испытуемого 46 2.2 4. Организация воздействия в режиме обратной связи 51

2.2.5. Реакция последействия и повторная оценка психологического состояния испытуемого 51

2.3. Модификации программно-аппаратурных комплексов БИОЛ 53

2.3.1. Аппаратный и алгоритмический базисы комплексов-БИОЛ 53

2.3.2. Автоматизация теста Люшера и реализация цветового воздействия 54

2.3.3. Формирование схемы эксперимента и автоматизация ввода

значений яркостной температуры 55

2.3.4. Организация музыкального воздействия с помощью устройства CD-ROM 57

2.3.5. Использование внешнего аналого-цифрового преобразователя 58 2.4. Системные вопросы алгоритмического обеспечения человеко-машинного взаимодействия 60 Выводы 61

ГЛАВА З.ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ 63

3.1. Техническое и программное обеспечение 63

3.2. Процедура запуска программы 64

3.3. Описание параметров установок 65

3.4. Программное обеспечение процедуры коррекции 68

3.4.1. Регистр ация значений яркостной температуры 68

3.4.2. Коэффициенты передаточной функции инфракрасного датчика

69

3.4.3. Кодировка цветов, используемых в тесте Люшера и цветомузыкальной биологической обратной связи 69

3.4.4. Параметризация музыкального воздействия 70

3.4.5. Особенности подпрограммы цветомузыкальной биологической обратной связи 72

3.5. Описание работы программы 74

3.5.1. Головное меню программы 7 4

3.5.2. Описание программы сеанса коррекции 77

3.6. Описание выходных данных 81 Выводы 83

ГЛАВА ¿АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОЙ СИСТЕМЕ БИОЛ 84

4.1. Выбор информативных параметров динамики яркостной температуры 84

4.2. Алгоритм и программное обеспечение определения импульсивности 88

4.3. Анализ динамики яркостной температуры при различных воздействиях 92

4.3 Л. Исследования яркостной температуры в наркологической

клинике 92 4.3.2. Исследования яркос:тной температуры при дестабилизирующих

воздействиях 94

Выводы 98

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 110

ПРИЛОЖЕНИЯ 111

Введение

Актуальность па боты

л) ' *

В условиях роста числа стрессогенных факторов в нашей жизни разработка и создание средств мониторинга и коррекции психофизиологического состояния (ПФС) является одной из актуальных задач ввиду того, что психоэмоциональное состояние влияет на степень адаптации личности к внешним условиям, работоспособность, сопротивляемость организма негативным воздействиям, внутренние физиологические процессы [19, 53, 60], Наряду с существующими средствами (медикаментозными, физиотерапевтическими) возрастает необходимость разработки систем коррекции с применением психофизиологических факторов.

Актуальным является разработка систем, которые могут быть использованы не только в клинических условиях, для профилактики, лечения некоторых нервно-психических и психосоматических заболеваний, но и в неклинических условиях, например, в повседневной деятельности операторов сложных человеко-машинных комплексов [9-3, 97],

Важным требованием, предъявляемым к системам коррекции ПФС, является индивидуализация параметров воздействия. Кроме того, современные системы должны обеспечивать:

- точность ввода и обработки информации;

- надежность;

- безопасность, безболезненность для потребителя:

- адекватность и дозировку воздействия;

- работу в реальном режиме времени;

- удобство эксплуатации;

- автоматическое формирование факторов воздействия;

- документирование результатов.

Обеспечение этих требований невозможно без использования в системах поддержки и коррекции ПФС средств вычислительной техники (ЭВМ), безусловно актуальным является создание алгоритмов и программ, обеспечивающих работу таких систем [9, 70,101].

Из множества решений систем коррекции можно упомянуть два их класса: разомкнутые системы, в которых оценка текущего ПФС и корректирующее воздействие производятся однократно в течение сеанса, и системы с обратной связью [13, 17, 29, 38, 66, 75, 86, 104, 105, 117, 118], когда оказываемое в процессе коррекции воздействие формируется в соответствии с динамически меняющимся значением показателей ПФС.

Цель и задачи диссертации

Целью настоящей работы является создание алгоритмического и программного обеспечения, обслуживающего различные аппаратные реализации системы коррекции психофизиологического состояния.

Для обеспечения эффективности воздействия необходимо было разработать алгоритм коррекции, обеспечивающий синтез:

- формализованной оценки текущего ПФС человека;

- определения параметров факторов воздействия;

- автоматического отслеживания интенсивности собственного инфракрасного (ИК) излучения человека как показателя ПФС и формирования корректирующих факторов в режиме обратной связи;

- конечной оценки ПФС человека после коррекции.

При разработке программного обеспечения этих систем решались задачи:

- разработка шкалы ранжированных корректирующих факторов;

- разработка структуры данных, обеспечивающих индивидуализацию факторов воздействия;

- разработка управляющих функций системы;

- обеспечение возможности формирования различных схем эксперимента;

- документирование результатов, представление динамики яркостной температуры Тя, соответствующей интенсивности ИК излучения, в виде термограмм.

В целях определения параметров динамики ИК излучения, отражающих психофизиологические характеристики субъекта, необходимо было разработать методику анализа динамики ИК излучения и осуществить:

- выбор репрезентативных параметров динамики;

- оптимизацию оценок параметров динамики;

- обоснование специфического параметра «импульсивности».

Научная новизна работы

Созданы алгоритмы и программы бесконтактной системы коррекции психофизиологического состояния, осуществляющие:

- информационный и функциональный синтез этапов коррекции;

- определение параметров аудиовизуального воздействия с учетом результатов психологического тестирования и изменения интенсивности собственного инфракрасного излучения человека;

- формирование факторов воздействия в режиме обратной связи по значению яркостной температуры.

Определен оригинальный аналитический параметр, характеризующий форму термограмм и отражающий психофизиологические особенности субъектов.

Практическая и научная значимость

Разработанные алгоритмы и программы обеспечивают многофункциональность комплекса.

Использование комплекса целесообразно в медицинской практике, при проведении профилактический мероприятий, для решения научно-исследовательских задач.

Новая технология коррекции, осуществляемая с помощью разработанных алгоритмов и программ, с успехом может использоваться как в клинических, так и во внеклинических условиях.

Разработанная структура данных обеспечивает настройку на используемую аппаратуру и индивидуальные особенности испытуемого.

Введенный параметр динамики собственного излучения человека может быть использован для оценки его ПФС.

Вклад автора

Разработаны оригинальные алгоритмы и соответствующие пакеты прикладных программ для различных аппаратных реализаций комплекса коррекции психофизиологического состояния, обеспечивающих различные методики исследований.

Проведены циклы экспериментов и апробация программно-аппаратурного комплекса в различных научно-исследовательских учреждениях.

Разработаны методика и математическое обеспечение определения специфического параметра «импульсивности», определяемого динамикой ИК излучения субъекта. Проведен сопоставительный анализ показателя импульсивности и результатов других психологических тестов. Осуществлена оценка изменения величины импульсивности при различных воздействиях.

Положения, выносимые на защиту

Обоснование алгоритма коррекции психофизиологического состояния.

Создание алгоритмов и программ, обеспечивающих информационный и функциональный синтез этапов коррекции.

Формирование банка данных, обеспечивающих настройку и функционирование программно-аппаратурного комплекса.

Алгоритмы и программы анализа динамики яркостной температуры.

Реализация работы

Алгоритмическое и программное обеспечение комплекса разрабатывалось на базовом предприятии кафедры М5 МГТУ им. Н.Э. Баумана Государственном научно-производственном предприятии (ГНПП) «Дельта». Результаты работы использовались в проводившихся на предприятии НИР «Исследование путей создания автоматизированной бесконтактной системы медицинского и психофизиологического мониторинга пациентов и операторов технических систем, основанной на использовании биополя» (ГНПП «Дельта», 1994), в НИР «Исследование путей использования биополя в целях создания бесконтактных систем, действующих на малых и средних расстояниях, для решения задач медицины и экологии» (ГНПП «Дельта», 1995), в НИР «Изыскание нетрадиционных методов и способов повышения эффективности защиты личного состава от неблагоприятного воздействия электромагнитных полей, возникающих при эксплуатации военной техники» (ГНПП «Дельта», 1996), в НИР «Исследование методов контроля психофизиологического состояния человека с использованием характеристик и параметров биополя» (ГНПП «Дельта», 1997), в НИР «Разработка неспецифических методов повышения тепловой адаптации летного состава» (ГНИИИАиКМ МО РФ, 1996) и НИР «Разработка психофизиологических рекомендаций по использованию

аудиовизуальных средств коррекции функционального состояния летного состава» (ГНИИИАиКМ МО РФ, 1996), в ОКР в МКБ «Электрон».

Работа внедрена в консультационном центре секции «Проблемы биополя» МНТОРЭС им, A.C. Попова, в НИИ новых медицинских технологий.

Апробация полученных результатов

Материалы диссертационной работы обсуждались на Международной конференции «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники» (1995, Москва), на конференции РНТОРЭС имени A.C. Попова «51-я научная сессия, посвященная Дню радио» (1996, Москва), на конференции «Актуальные, вопросы авиакосмической медицины» Государственного научно-исследовательского испытательного института авиационной и космической медицины (1996, Москва), на Международной конференции «Биоэкстрасенсорика и научные основы культуры здоровья на рубеже веков» (1996, Москва), на семинаре «Слабые взаимодействия в живой природе» в МГУ им. М.В. Ломоносова (1997, 1999).

Программно-аппаратурный комплекс был апробирован в ряде медицинских учреждений: в НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, в ГНИИИ авиационной и космической медицины МО РФ, в Центральном институте травматологии и ортопедии, в Государственном научном центре наркологии, в воинской части военно-транспортной авиации. Комплекс демонстрировался в Государственном Комитете по науке и технологиям РФ, на заседании научной секции Центрального Дома Ученых, представлялся на Международных выставках в Москве, Германии, Австрии, Италии, Вьетнаме.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ, материалы диссертации вошли в 6 научно-технических отчетов по НИР,

Краткое содержание диссертации

В первой главе обосновывается выбор корректирующих факторов, который определяется такими свойствами как: влияние на психофизиологическое состояние человека, безопасность, осуществление воздействия в реальном масштабе времени, возможность использования в клинических и в неклинических условиях, доступность. Этими качествами в полной мере обладают такие факторы как цвет и музыка.

На основании анализа систем, использующих параметры собственного излучения человека для мониторинга и диагностики ПФС, сформулирована задача создания алгоритмического и программного обеспечения системы коррекции психофизиологического состояния с помощью аудиовизуальных средств, которые автоматически формируются в зависимости от индивидуальных психофизиологических особенностей субъекта и изменения его текущего состояния. В качестве параметра, отражающего текущее состояние человека принята интенсивность собственного ИК излучения.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов, осуществляющих формирование аудиовизуальных факторов в режиме обратной связи (ОС) по параметру ИК излучения человека в целях коррекции ПФС с учетом результатов психологического тестирования и динамики собственного излучения человека.

Описаны варианты алгоритмов и программного обеспечения для серии аппаратных реализаций комплекса.

В третьей главе описывается программное обеспечение (ПО) комплексов.

Разработанное ПО реализует следующие функции:

- непрерывную регистрацию интенсивности излучения на всех этапах сеанса;

- адаптацию к используемой аппаратуре: датчикам, видеоадаптерам, АЦП, источникам акустических и визуальных воздействий;

- формирование алгоритма эксперимента и изменения его параметров в зависимости от целей и задач исследования, обеспечение функционирования системы как в разомкнутом режиме для регистрации РЖ излучения, так и в замкнутом режиме для коррекции ПФС;

- возможность включения в программу дополнительных опросов, позволяющих определить ряд психологических характеристик испытуемого, таких как уровень реактивной и личностной тревожности (по Спилбергеру), САН (самочувствие, активность, настроение);

- возможность использования в системе различных видов аудиовизуального воздействия.

Разработанная структура данных, обеспечивает диагностику ПФС испытуемого, настройку параметров факторов воздействия на текущее ПФС и динамику собственного излучения субъекта.

Научная новизна четвертой главы состоит в создании математического обеспечения для анализа термограмм различных типов на предмет выявления параметра динамики ИК излучения, отражающего конституциональные психофизиологические особенности, текущее ПФС субъекта и его реакции на различные воздействия.

Глава 1. Предпосылки создания систем коррекции психофизиологического состояния

1.1. Коррекция психофизиологического состояния е стрессогенных условиях

В современных условиях, связанных с увеличением количества информации, ускорением темпа событий, социально-экономическими трудностями, неблагополучной экологической обстановкой, военными конфликтами, возрастают требования к адаптационным возможностям человека, Нарушения адаптации к изменившимся условиям вызывают психоэмоциональное напряжение, стресс [78].

Вызванные стрессогенными факторами интеллектуальные, эмоциональные и другие нагрузки, влияют на структуры организма на всех уровнях, включая клетки, органы, системы. В стрессовой обстановке происходит снижение уровня основных психических процессов [52]. У человека, находящегося в состоянии стресса, меняется поведение: появляется агрессивность, враждебность, речь становится торопливой, эмоционально насыщенной, возникает напряжение в мышцах лица и рук [47]. Под влиянием психогенных факторов развиваются комплексы - стереотипные психофизиологические реакции, вызванные ситуацией травмирующего характера, которые могут проявляться в виде расстройства желудка, нарушения дыхания, изменения сердечного тонуса [98]. Нарушения в психоэмоциональной сфере приводят к возникновению невротических реакций, вызывающих развитие хронических неинфекцион�