СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ, ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ И РЕАБИЛИТАЦИИ ПОСЛЕ ТРАВМ И ЗАБОЛЕВАНИЙ Российский патент 2001 года по МПК A61B5/00 A61B5/16 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам диагностики работоспособности по функциональному состоянию центральной нервной системы (ЦНС) человека и устройствам для их реализации.

Известны устройства для психофизиологических исследований человека [1, 2] при использовании нескольких психофизиологических и физиологических методик и достаточно громоздкой аппаратуры, которые требуют предварительной тренировки обследуемых лиц не менее 3-4 раз, стационарных условий для проведения обследования и значительного времени для обработки и анализа полученных данных.

Известно также устройство для оценки параметров сенсомоторной реакции оператора [3] , в котором, однако, не использованы все возможности анализа данных тестирования для оценки функционального состояния ЦНС человека-оператора. Это устройство взято в качестве прототипа заявляемого устройства.

Наиболее близким к заявленному в изобретении способу по сущности и совпадающим признакам является способ определения утомления человека [4], взятый авторами в качестве прототипа. Однако указанный способ требует сложной программы для определения спектральной плотности мощности, что может быть реализовано на стационарных ЭВМ и позволяет контролировать только изменения (тренд) латентного периода (ЛП) двигательной реакции при изменении функционального состояния без учета других характеристик нестационарного процесса.

Таким образом, возникла необходимость в разработке простого, не требующего тренировки, быстрого по времени проведения обработки данных и вынесения заключения способа, позволяющего в условиях современного производства или у постели больного проводить экспресс-оценку функционального состояния ЦНС человека и давать заключение о его работоспособности.

Целью заявляемого изобретения является повышение достоверности оценки работоспособности человека-оператора при помощи простого и быстрого метода определения функционального состояния ЦНС, обуславливающего эффективность профессиональной деятельности, разработанного на основе современных научно-обоснованных концепций нейрофизиологических механизмов высшей нервной деятельности.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается способ экспресс-оценки работоспособности человека-оператора. Предлагаемое устройство позволяет реализовать этот способ в производственных условиях, при экологически неблагоприятных воздействиях, а также при реабилитации больных после травм и различных заболеваний.

В предлагаемом способе оценка функционального состояния ЦНС человека-оператора проводится по статистическим характеристикам временных рядов ЛП бимануальной зрительно-моторной реакции, соотнесенным с прямыми показателями профессиональной деятельности человека-оператора.

Данный способ с применением заявляемого устройства предполагает измерение 50 латентных периодов простой моторной реакции обеих рук на световой стимул, накопление данных измерения в памяти ЭВМ в виде распределения каждого из ЛП по 20 разрядам от 120 mc до 500 mc с шагом 20 mc, определения максимального количества ЛП в одном из разрядов (модальный класс) и максимальной вероятности (частности) этого разряда (P_max), с последующим расчетом усредненного критерия [(прав.+лев.)/2], характеризующего устойчивость реакции ЦНС (УР). Расчет критерия УР производится по формуле

где ln - натуральный логарифм;
P_max - максимальная вероятность, соответствующая пределам модального класса;
ΔT_0,5 - диапазон латентных периодов реакций, соответствующих уровню вероятности 0,5 P_max, с [5].

Пример реализации расчетов по формуле изобретения.

Испытуемый А. (состояние утомления после работы на тренажере). Накопление в ЭВМ 50 значений ЛП двигательной реакции правой руки на свет: 276, 370, 256, 299, 317, 305, 215, 334, 371, 334, 256, 415, 219, 295, 333, 232, 166, 213, 252, 270, 274, 252, 351, 238, 279, 367, 264, 426, 308, 326, 276, 348, 271, 352, 196, 302, 247, 307, 245, 409, 276, 339, 182, 227, 207, 345, 160, 400, 168, 154.

Гистограмма распределения ЛП ( см. в конце описания)
n = 50,

Рассчитываются:
P_max = 9:50 = 0,18;
ΔT_0,5= 6·0,2 = 0,12;
УР = ln(0,18:0,12) = 0,4.

Подставляем значения УР в уравнение регрессии
У = 3,3391 - 0,833(УР) - 0,0221(УР)²
и получаем значение У = 3,0023, соответствующее незначительно сниженному уровню работоспособности.

На основании обследований операторов (более 5 тыс. человек) в процессе их профессиональной деятельности были получены психофизиологические характеристики человека с различным функциональным состоянием (утомление, нервно-эмоциональное напряжение, монотония, состояние астенизации и пр.), в которые вошли прямые (временные и точностные) показатели работоспособности и косвенные (показатели ЦНС, сердечно-сосудистой, двигательной систем, психологического статуса) показатели функционального состояния (общее количество 39). С помощью многофакторного корреляционно-регрессионного анализа выявлялись межсистемные взаимоотношения и структура основных функциональных систем, обеспечивающих оптимальный результат работы оператора [6, 7].

В выявленной структуре функциональных систем определялся характер распределения факторных нагрузок прямых и косвенных показателей. Доминирующая роль отводилась факторам, отражающим степень профессиональной подготовленности (временные и точностные параметры), функциональное состояние ЦНС (критерий УР), сердечно-сосудистой системы (индекс напряжения при покое и в процессе деятельности), психологический статус (показатели памяти, тестов САН и Спилбергера-Ханина), что составляло 75% суммарного вклада в общую дисперсию оцениваемых признаков. В табл. 1 представлен пример таких зависимостей у больных с острыми респираторными заболеваниями. Полученная выборка показателей исследовалась с помощью многофакторного корреляционно-регрессионного анализа с автоматическим отсевом несущественных показателей по F-критерию Фишера. В результате проведенного отбора были получены наиболее информативные параметры выборки и уравнения множественной регрессии. Значимость коэффициентов регрессии полученных уравнений выявлялась ранжированием с помощью критерия Стъюдента (t)

где B_j - коэффициент регрессии;
δBj- средняя квадратическая ошибка коэффициента регрессии.

Коэффициент регрессии B_j считается несущественным при < t табличного. Если же все коэффициенты регрессии были значимы, то уравнение регрессии рассматривалось как окончательное.

Аппроксимируя выборку признаков, характеризующих функциональное состояние и эффективность деятельности оператора, получено общее окончательное уравнение регрессии
y = 3,333 - 0,8296x⁵,
где y - уровень работоспособности в конкретном состоянии;
x⁵ - среднее значение показателя УР.

Эта итоговая зависимость может быть использована с большой достоверностью (p < 0,01) для определения функционального состояния ЦНС (устойчивости ее реакции) операторов при выполнении ими профессиональной деятельности и косвенно служить оценкой уровня их работоспособности.

С помощью парного корреляционно-регрессионного анализа была выявлена существенно нелинейная зависимость между критериальным показателем у и функциональным состоянием ЦНС. Полученная зависимость хорошо аппроксимировалась (средняя ошибка аппроксимации составила 1,38%) квадратической параболой вида
y = 3,3391 - 0,833x - 0.0221x²,
где x - расчетная величина критерия УР.

Высокое значение корреляционного отношения (0,996) подтверждало тесную связь между уровнем работоспособности и функциональным состоянием ЦНС обследуемых лиц.

На основе экспертных оценок профессиональной деятельности, анализа прямых и косвенных показателей было выделено 4 уровня снижения работоспособности операторов в зависимости от изменения их функционального состояния: нормальная работоспособность (100%), незначительно сниженная (в пределах 10-15%), сниженная (в пределах 25%), существенно сниженная (в пределах 50% и более). Увеличение свыше 100% характерно для кратковременного периода ограниченной работоспособности оператора.

Определение уровня работоспособности операторов заключается в подстановке полученных экспериментальным путем значений критерия оценки устойчивости функционального состояния ЦНС в соответствующее уравнение регрессии для последующего расчета y = f(x). Полученное значение y(x) соответствует следующим уровням работоспособности операторов:
1 ≅ y(x) < 2 - нормальная;
2 ≅ y(x) < 3 - незначительно сниженная;
3 ≅ y(x) < 4 - сниженная;
y(x) ≥ 4 - существенно сниженная;
y(x) < 1 - ограниченная.

Предложен диапазон значений расчетного критерия УР для каждого из выделенных уровней работоспособности человека.

Заявленное устройство для реализации предлагаемого способа включает (фиг. 1) базовый прибор, две кнопки ответа для правой и левой руки и источник светового сигнала. Базовый прибор состоит из блока предварительной обработки информации и вычислительного блока. Блок предварительной обработки информации включает пульт управления, коммутатор, таймер, 2 счетчика времени реакции, блоки отображения и параллельно-последовательного ввода. Вычислительный блок представлен микроЭВМ.

Базовый прибор сочетает в себе функции рефлексометра, индикатора времени зрительно-моторных реакций и вычислителя обобщенных показателей работоспособности. Он управляет работой всего устройства, в автоматическом режиме включает источник светового сигнала, измеряет и представляет на индикаторе время бимануальных зрительно-моторных реакций обследуемых лиц, вводит данные в вычислительный блок и после окончания обработки показывает значения показателей состояния. Кнопки ответа предназначены для действий обследуемого при восприятии светового сигнала. Блок предварительной обработки информации служит для управления работой устройства, в автоматическом режиме подает сигналы и обрабатывает ответные реакции, представляет результаты и транспортирует данные для вычисления. Пульт управления предназначен для включения и выключения устройства, проверки работоспособности и готовности устройства к работе, запуска и остановки серии сигналов для тестирования обследуемого. Коммутатор зажигает световой сигнал, подключает счетчики времени реакции к таймеру, останавливает счет времени при нажатии обследуемым кнопок ответов, управляет вводом данных в вычислительный блок. Блок отображения индицирует время зрительно-моторных реакций правой и левой руки. Блок параллельно-последовательного ввода управляет вводом данных в память микроЭВМ и по окончании дает разрешение коммутатору на следующий цикл работы. В качестве вычислительного блока использована микроЭВМ марки МК-85, вмонтированная в базовый прибор. Она обеспечивает хранение и выполнение программы статистической обработки данных, накопление данных 50 измерений времени реакции, расчет показателей состояния после окончания всего сеанса тестирования и представление значений показателей на 12-разрядном жидкокристаллическом индикаторе матричного типа. Выходы кнопок ответа подключены к входам коммутатора, а вход источника светового сигнала - к выходу коммутатора. Выход пульта управления связан с входом коммутатора. Коммутатор имеет 5 входов и 4 выхода. Входами 1 и 2 он связан с кнопками ответа, входом 3, 4 и 5 - соответственно с выходами пульта управления, таймера и блока параллельно-последовательного ввода. Выходами 1 и 2 коммутатор соединен со счетчиками времени реакции, выходом 3 - с входом блока параллельно-последовательного ввода, выходом 4 - с входом источника светового сигнала. Счетчики времени реакции выходами связаны с входами блоков отображения и параллельно-последовательного ввода. Выходы блока параллельно-последовательного ввода соединены с входом вычислительного блока и входом 5 коммутатора.

Устройство работает следующим образом. Перед началом тестирования обследуемого лица с помощью пульта управления включается устройство, проверяется его работоспособность, устанавливается режим работы и подается пусковой сигнал. На этот сигнал коммутатором включается световой сигнал, одновременно таймер подключается к счетчикам и начинается отсчет времени реакции. Обследуемый реагирует на световой сигнал максимально быстрым одновременным нажатием обеими руками на кнопки ответа. Сигнал срабатывания кнопок поступает в коммутатор и его переключение останавливает поступление сигналов с таймера на счетчики времени реакции. На блоке отображения высвечивается время реакции отдельно для правой и левой руки с точностью до 0,001 с. Данные счетчиков вводятся в виде параллельно-последовательного кода соответствующим блоком в вычислительный блок. По окончании ввода дается сигнал разрешения на следующий цикл измерения. После завершения сеанса тестирования коммутатор блокируется, вычислительный блок проводит статистические расчеты и индицирует показатели функционального состояния. Блок-схема алгоритма обработки данных в вычислительном блоке представлена на фиг. 2.

Небольшие размеры, автономное питание и малое энергопотребление заявляемого устройства являются важными преимуществами при проведении экспресс-оценки состояния в условиях производства и клиники по сравнению с прототипом и другими известными устройствами, являющимися, как правило, стационарными комплексами психофизиологической диагностики.

Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию "новизна", так как впервые для оценки функционального состояния человека-оператора использованы статистические характеристики репрезентативной выборки ЛП простой бимануальной зрительно-моторной реакции. Впервые по предложенному набору показателей выделено 4 уровня снижения работоспособности оператора сенсомоторного профиля. Впервые анализ статистических данных проводится в реальном масштабе времени с учетом парной работы полушарий мозга и оценка работоспособности оператора осуществляется в процессе обследования. Предлагаемые способ и устройство отличаются от известных видом статистической обработки и обобщения данных, набором показателей и типом ЭВМ.

Заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как на основе современных данных о функционировании головного мозга человека с использованием достижений микроэлектроники и вычислительной техники предложен принципиально новый способ оценки функционального состояния по показателям лабильности, реактивности и устойчивости ЦНС в процессе интегративного рефлекторного акта. Отличительные признаки заявляемого изобретения коррелируют с общим функциональным состоянием человека, прямыми и косвенными показателями его работоспособности, просты в получении и не требуют сложных программ и мощных ЭВМ.

Соответствие критерию "пригодность для промышленного применения" подтверждается результатами испытаний заявляемых устройства и способа в области медицины и физиологии труда.

Исследования были проведены в Военно-медицинской академии с участием специалистов операторского профиля деятельности (водители, радисты, операторы РЛС и другие), больных клиник инфекционных и нервных болезней, госпитальной хирургии, нейрохирургии и других. "Пригодность для промышленного применения" подтверждается также оперативностью получения оценки функционального состояния ЦНС и работоспособности непосредственно на рабочем месте оператора, у постели больного, в полевых и других условиях. Порядок проведения обследования был следующим. Прибор размещали на расстоянии 2-5 м от обследуемого лица. Обследуемому лицу давалась инструкция: внимательно следить за источником сигнала и при загорании лампочки нажимать двумя руками быстро и одномоментно на кнопки датчиков. При проведении тестирования в случайном порядке предъявлялось 50 световых сигналов. Время обследования не превышало 5-10 мин.

Список литературы
1. В.В.Мухортов, Г.П.Андреев, А.П.Долгов и В.А.Алексеев. Устройство для психологических исследований. - А.с. N 1681843, Б.И., 1991. - N 37.

2. В.А.Шаповалов, А.А.Глущенко, В.И.Сухоруков и А.Ю.Смирнов. Устройство для психофизиологических исследований. - А.с. N 491454, Б.И., 1989. - N 25.

3. Е.М.Бодров, А.В.Александров, В.П.Дюбко, И.Е.Рыжков, А.И.Дорофеев и А. П.Дюбко. Устройство для оценки параметров сенсомоторной реакции оператора. - А.с. N 1217343, Б.И., 1986. - N 10.

4. С.М.Жужгин и В.А.Яцко. Способ определения утомления человека. - А.с. N 1598969, Б.И., 1990. - N 38.

5. Лоскутова Т.Д. Оценка функционального состояния центральной нервной системы человека по параметрам простой двигательной реакции //Физиол. журн. СССР. - 1975. - Т. 61, N 1. - С. 3-11.

6. А.В.Захаров, М.П.Мороз и В.В.Перелыгин. Оценка работоспособности операторов с помощью статистических характеристик простой зрительно-моторной реакции //ВМЖ. - 1988. - N 1. - С. 53-56.

7. М.П.Мороз и М.Н.Тихонов. Прогнозирование работоспособности операторов с помощью метода многомерного статистического анализа //Физиология человека. - 1992. - Т. 18, N 2. - С. 55-64.

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и касается экспресс-оценки работоспособности человека-оператора в производственных условиях и устройствам для ее реализации. Для этого 50-кратно представляют световые стимулы в случайном порядке. Определяют статические характеристики вариационных рядов латентных периодов бимануальной сенсомоторной реакции. Рассчитывают критерий устойчивости реакции ЦНС (УР). Определяют показатель работоспособности. Причем время тестирования составляет 5 - 10 мин. Способ позволяет повысить достоверность оценки работоспособности человека-оператора. Устройство, реализующее способ, содержит пульт управления, коммутатор, кнопки ответа, таймер, источник светового сигнала, два счетчика времени реакции, вычислительный блок и блок отображения. Такая реализация позволяет повысить достоверность оценки работоспособности человека-оператора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.,1 табл.

1. Способ экспресс-оценки работоспособности человека-оператора путем 50-кратного предъявления световых стимулов и измерения простой сенсомоторной реакции, отличающийся тем, что стимулы предъявляют в случайном порядке, определяют статистические характеристики вариационных рядов латентных периодов бимануальной сенсомоторной реакции, рассчитывают критерий устойчивости реакции ЦНС (УР) по формуле

где Р_max - максимальная вероятность, соответствующая пределам модального класса; ΔT_0,5 - диапазон латентных периодов реакций, соответствующих уровню 0,5 Р_max,
и определяют показатель работоспособности (У) по формуле
У = 3,3391 - 0,833 (УР) - 0,0221 (УР)²
и при значениях 1 ≅ y < 2 определяют нормальный, при 2 ≅ y < 3 - незначительно сниженный, при 3 ≅ y < 4 - сниженный, при y ≥ 4 - существенно сниженный и при y < 1 - ограниченный уровни работоспособности, причем время тестирования составляет 5 - 10 мин. 2. Устройство экспресс-оценки работоспособности человека-оператора, содержащее последовательно соединенные пульт управления, коммутатор, соответствующие входы которого соединены с выходами первой кнопки ответа и таймера, а соответствующие выходы с входами первого счетчика времени реакции и источника светового сигнала, и устройство отображения, отличающееся тем, что оно дополнительно включает вторую кнопку ответа, второй счетчик времени реакции, блок параллельно-последовательного ввода и вычислительный блок, причем выход второй кнопки ответа подключен к соответствующему входу коммутатора, вход второго счетчика времени реакции - к соответствующему выходу коммутатора, выходы счетчиков времени реакции - к входам блоков отображения и параллельно-последовательного ввода, соответствующий вход которого подключен к соответствующему выходу коммутатора, а выходы блока параллельно-последовательного ввода - соответственно к входу вычислительного блока и соответствующему входу коммутатора.