А. Л. Евстигнеев, С. Н. Филипенков
Скачать 153.78 Kb.
|
ISBN 978-5-7262-1226-5. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2010. Часть 1 А.Л. Евстигнеев, С.Н. Филипенков Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова, Жуковский, Московская обл. flysim-lii@mtu-net.ru Адаптивная биотехническая система управления летательным аппаратом на основе БОС-методологии Адаптивная биотехническая система (ABT S) для летательных аппаратов (ЛА) оценивалась на статическом пилотажном стенде (СПС) и на динамическом пилотажном симуляторе (ДПС) с целью выявления и использования ЭЭГ индикаторов психофизиологической нагрузки у летчиков в контуре биологической обратной связи (БОС) в случае моделирования наиболее напряженных пилотажных задач маневрирования при 20-40-минутных профилях тренировки на СПС. Количественный анализ результатов применения ЭЭГ в униполярных отведениях в качестве входного сигнала для формирования БОС позволил оценить уровень психической нагрузки по изменению спектральной мощности , , , и -ритмов. Введение На центрифуге (ЦФ) ЛИИ были проведены физиологические исследования по применению системы регистрации электроэнцефалограммы, предназначенной для решения эргономических задач построения перспективных биотехнических систем (БТС). В экспериментальной системе регистрации ЭЭГ использовались активные электроды в виде датчиков, разработанных в процессе исследовательских работ, выполненных в Научно-исследовательском институте авиационного оборудования (НИИАО) [1]. Для проведения исследований гондола ЦФ была дооборудована и за креслом испытателя на ДПС «Маневр-2» использовалась БТС с блоком фильтров, активной системой подавления помех и преобразователем аналогового сигнала в цифровой для последующей передачи на регистратор ЭЭГ сигналов. Структурная схема БТС была разработана в соответствии с "когнитивной" концепцией профессиональной среды летчика в кабине перспективного ЛА. Целью настоящей работы являлась апробация активных электродов в составе БТС на динамическом пилотажном стенде и определение ЭЭГ сигналов в случае моделирования наиболее напряженных пилотажных задач маневрирования. Техническое описание БТС Экспериментальная БТС, предназначенная для записи ЭЭГ, состояла из следующих основных элементов [4]: активные электроды регистрации поверхностных биопотенциалов мозга; блок фильтрации и усиления сигналов; система крепления накладных электродов на голове испытателя с метализированным защитным шлемом; системы обработки, преобразования и передачи данных на регистраторы в пультовую ЦФ. На рис. 1 представлена схема монтажа БТС на центрифужном стенде и общий вид ДПС «Маневр-2» (см. рис. 1).   Рис. 1 Таблица 1 Технические характеристики БТС
Примечание. Рабочий диапазон частот определялся задачей регистрации ЭЭГ в наиболее информативно значимом интервале компонентов , и ритмов. -ритм и высокочастотный спектр ЭЭГ не анализировали по причине использования в экспериментальном устройстве двух узкополосных фильтров (40 и 50 Гц). Экспериментальная система для регистрации ЭЭГ для авиационных стендов и тренажеров с БТС представляет собой медико-техническую систему съема электрофизиологических сигналов с кожных покровов головы испытателя (в том числе поверхностных биопотенциалов) с последующей их фильтрацией, усилением и передачей полученных данных на систему регистрации. Выполнение оператором целевой задачи по управлению абсолютным и относительным движением двух объектов при вращении на динамическом стенде заключалось в имитации алгоритмов профессиональных действий летчика на основе использования вычислительного комплекса стенда “Маневр-2”, сопряженного с органами управления и индикации на приборной доске кабины ЛА в гондоле ЦФ. Регистрация биопотенциалов мозга производилась стандартным образом с поверхности кожных покровов головы испытателя с помощью: активных и индифферентного электродов для отведения ЭЭГ-сигнала в стандартных монополярных отведениях по международной системе 10/20 (Fs, Fd, Os, Od, Cs) и в лобно-затылочных биполярных отведениях с правого и левого полушарий головного мозга (см. рис. 2).  Рис. 2. Функциональная схема помехоустойчивой аппаратуры съема и предобработки ЭЭГ, где: 1 – голова человека, 2 – поверхностные электроды, 3 – индифферентный электрод, 4 – предварительный усилитель, 5 – аттенюатор, 6 – режекторный фильтр с F р = 50 Гц, 7 – фильтр низких частот F ср = 4 Гц, 8 – фильтр высоких частот F ср = 40 Гц, 9 – оконечный усилитель, 10 – регистратор Для регистрации потенциалов мозга в условиях активных помех, существующих на динамических авиационных стендах и тренажерах, в том числе и на ЦФ, были созданы активные электроды, позволявшие производить съем усиленного ЭЭГ-сигнала с поверхности кожных покровов головы. На электроде крепился бескорпусный транзистор, обеспечивающий предварительное усиление сигнала [4, 9]. Конструктивно накладной активный электрод представлял собой неразъемную сборную деталь, состоящую из чашечкообразного металлического контактного элемента из латунного сплава, покрытого слоем серебра (диаметром 15 мм); монтажной платы из стеклотекстолита, на которой размещался предусилитель в виде бескорпусного транзистора КПС202Г-2. С целью обеспечения устойчивости к перегрузкам монтажная плата с радиоэлектронными элементами была залита эпоксидной смолой. Вывод электрических сигналов от монтажной платы каждого активного электрода осуществлялся при помощи гибкого многожильных проводов МГТФ-1,10, которые заканчивались трехполюсной контактной вилкой, подсоединявшейся к блоку фильтрации и усиления ЭЭГ-сигнала. Последний устанавливался за спинкой кресла. Для снижения сопротивления и обеспечения устойчивой регистрации ЭЭГ в конструкции электрода была предусмотрена втулка с отверстием для ввода электродной пасты. На рис. 3 дан общий вид СПС тренажера с использованием в БТС шапочки с активными электродами (слева) и защитного шлема (справа) с зафиксированными активными электродами.   Рис. 3. Общий вид стационарного варианта стенда БТС Для контроля качества сигнала от БТС при вращении на ЦФ использовались каналы регистрации со следующими параметрами (табл. 2). Таблица 2 Каналы регистрации
В силу ограниченности общего количества измеряемых одновременно медицинских параметров при вращении на ЦФ, сравнение технических возможностей экспериментальной БТС и штатной системы регистрации ЭЭГ производилась только по 8 каналам (четыре канала для экспериментальной БТС и другие четыре для штатной системы) [1, 4, 9]. Методика физиологических экспериментов В процессе подготовки обследуемого к эксперименту на ЦФ фиксация электродов производилась при помощи гарнитуры крепления и медицинского клея. Для исключения электромагнитных помех на голову испытателя одевался специальный эластичный шлем из металлизированной ткани с натяжным замком в области подбородка. Последний обеспечивал надежный контакт электродов с кожными покровами головы и исключал их смещение на протяжении всего времени эксперимента при выполнении профессиональных по управлению ЛА и использовании оператором защитного шлема, кислородной маски и противоперегрузочного костюма. После размещения испытателя в имитаторе кабины ЛА производилось подключение кабельной линии к аналоговому блоку обработки и к регистратору ЭЭГ-сигнала. Измерение биопотенциалов мозга и регистрация ЭЭГ производилась в двух диапазонах полосы частот f1=1-100 Гц (полная ЭЭГ) и f2=4-40 Гц. При вращении на ЦФ и сразу же после его окончания регистрировали также контрольную ЭЭГ в стандартных монополярных отведениях по международной системе 10/20 (Fs, Fd, Os, Od). Вращение на динамическом центрифужном стенде начиналось после того, как врач-физиолог убеждался в устойчивости сигнала к электромиографическим помехам и достоверности регистрируемой ЭЭГ при следующих функциональных пробах: “глаза закрыты”, “глаза открыты”, “глаза влево”, “глаза вправо”, “круговые движения глаз”, “частое моргание”, “зубы сжаты”, “зубы разжаты”, “движение мышц лба”, “мышцы лица и шеи напряжены”, “мышцы ног и рук напряжены”, “движения правой и левой рукой поочередно”, “упор в правую и левую педаль поочередно”. В указанных пробах также выставлялся необходимый уровень усиления сигнала при его регистрации на самописец. Профиль перегрузок воздействовавших на организм человека при вращении на ДПС «Маневр-2» представлен на рис. 4. На фоне выполнения испытателями и опытным летчиком операций с органами управления во время моделирования маневра ЛА на организм человека реально воздействовали перегрузки в направлении “голова-таз” в диапазоне 2, 5 и 9 единиц (площадками по 20 с на каждой перегрузке при скорости их нарастания 1 ед/с). Параллельно с работой испытателей ручкой управления самолета, ручкой управления двигателями и ножными педалями по управлению маневрированием ЛА производилась непрерывная регистрация ЭЭГ.  Рис. 4. Профиль перегрузок, развиваемых при вращении на центрифужном стенде во время моделирования маневров летательного аппарата при отработке БТС Результаты и обсуждение На рис. 5-8 приведены записи ЭЭГ при различных видах мышечного напряжения во время воздействия на обследуемого продольных перегрузок 2, 5 и 9 единиц в направлении “голова-таз”, которые подтверждают достаточное для исследовательских целей качество регистрации потенциалов мозга. Как следует из визуального сравнения представленных фрагментов ЭЭГ, зарегистрированных штатной системой, с синхронными записями при помощи экспериментальной БТС, полученные результаты свидетельствуют о том, что при регистрации полной ЭЭГ в диапазоне 1-100 Гц (верхняя кривая на представленных иллюстрациях) удается выявить следующие ритмы: - (1-4 Гц), (4-8 Гц), (8-13 Гц) и (13-30 Гц). Однако из-за сильного воздействия помех сигнал полной ЭЭГ практически не пригоден для последующей автоматизированной обработки с применением математических методов анализа (спектрального анализа с дискретным преобразованием Фурье, авто- и кросскорреляционного анализа). В случае фильтрации в более узком диапазоне частот 4-40 Гц при регистрации с помощью БТС (нижняя кривая на всех представленных иллюстрациях) надежно выявляется высоко амплитудный -ритм совместно с и ритмологическими компонентами ЭЭГ. Данный ЭЭГ-сигнал можно использовать для автоматизированной обработки. Подобный вариант выделения -ритма с окружающими и ритмологическими компонентами является наиболее перспективным методом по данным ряда отечественных и зарубежных авторов, пригодным для оценки функционального состояния и мониторинга работоспособности летчика в наиболее сложных условиях пилотирования ЛА при действии ускорений и больших перегрузок [2, 3, 6, 7, 8, 10, 11]. После оцифровки ЭЭГ, зарегистрированной в течение 20-секундной площадки на перегрузках от 2 до 9 единиц, был выполнен спектральный анализ ритмов ЭЭГ на персональной ЭВМ с помощью программы быстрого преобразования Фурье. Спектральная функция ЭЭГ на перегрузках от 2 до 5 единиц статистически значимо не отличалась от исходной, полученной до вращения на ЦФ. Усредненные по всем испытателям-добровольцам результаты спектрального анализа действия перегрузки 2-5-9 единиц представлены на рис. 9.  Рис. 5. Фоновая регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при 1 G: “глаза закрыты» во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС  Рис. 6. Регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при перегрузках 2 единицы: “глаза открыты” во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС  Рис. 7. Регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при перегрузках 5 единиц: “глаза открыты” во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС  Рис. 8. Регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при перегрузках 9 единиц: “глаза открыты” во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС Как следует из графиков ЭЭГ, индикаторами гравитационного стресса при моделировании пилотажных перегрузок на площадках 5 и 9 единиц G (длительностью 20 с каждая) являлись высокая и активность при нормальной и сниженной -активности. Мощность -ритма, также как и соотношение мощности / составляющих спектральной функции, относительно возрастало лишь при визуальном контроле испытателями собственных двигательных актов и операций слежения за целью. Однако, была выявлена отрицательная корреляция между -индексом и качеством сенсомоторных реакций в задаче слежения, в том числе, при ухудшении координации и дезинтеграции психофизиологических реакций в задаче управления объектом в моменты пространственной дезориентации и в состоянии, близком к наступлению перегрузочной потери сознания. Однако, как следует из рис. 10, нам не удалось выявить статистически значимых различий в ЭЭГ показателях между опытным летчиком-испытателем и новичком, впервые участвовавшем в исследованиях. Но наличие одновременно двух пиков -ритма в диапазоне 1-2 Гц отмечалось только у опытного оператора, хотя оно и не было статистически значимым, т.к. в исследованиях с БТС ЭЭГ фильтровалась в диапазоне частот 4-40 Гц (рис. 10).Спектральный анализ подтвердил снижение работоспособности операторов при появлении на высоких перегрузках -ритма с пиком на частоте 4 Гц и сохранении ритма с пиком на частоте 10 Гц. Р  ис. 9. Средние значения мощности спектральной функции ЭЭГ в нормальных условиях (1G) и при операторской деятельности во время нарастания перегрузки в направлении голова - таз (+2+5+9 Gz) Следует отметить, что в большинстве современных исследований ЭЭГ в полете на ЛА и при тренировках на динамических пилотажных стендах аналогичные изменения спектральных характеристик с увеличением мощности -и -ритмов также имеют высокую корреляцию с ухудшением функционального состояния ЦНС и снижением работоспособности оператора при решении сложных задач маневрирования на ЛА [5-8]. Усиление мощности и -ритма, наблюдавшееся в наших исследованиях, рядом авторов [4, 9, 11] считается характерным для наиболее сложных операций взлета и посадки ЛА. В некоторых исследованиях - и -ритмы также отмечаются перед потерей сознания в результате воздействия высоких перегрузок [7, 8].  Рис. 10. Сравнение результатов спектрального анализа ЭЭГ при выполнении операторской деятельности опытным летчиком-испытателем и добровольцем новичком по моделированию пилотирования ЛА при перегрузке 9 единиц В физиологических экспериментах на ЦФ ЛИИ не наблюдалось достоверных изменений мощности и частоты -ритма под действием гравитационного стресса в диапазоне от 2 до 9 единиц G на протяжении всей циклограммы моделирования полета, но при нарастании перегрузки в диапазоне 5-9 единиц всегда имело место усиление мощности - и -ритма. В докладе специалистов ГНИИИ Военной медицины [6] по требованиям к создаваемой бортовой автоматизированной системе опасного состояния при действии пилотажных перегрузок определены следующие предельные изменения показателей ЭЭГ: сдвиг частоты пика -ритма за пределы диапазона 8-13 Гц, а также появление и ритмов. И.Б. Ушаков, М.Н. Хоменко, М.В. Дворников и соавт. [6], А.Ф. Изнак и соавт. [2, 11] в летных исследованиях, а также А.Ф. Хижун. [5] в наземных экспериментах обнаружили, что вспышки -ритма, изменение его декремента затухания и любые смещения его спектральных показателей соответствуют эпизодам снижения качества слежения и грубым ошибкам операторской деятельности в экстремальных условиях. В итоге, в современных исследованиях ЭЭГ в полете на высокоманевренных ЛА и при тренировках на динамических пилотажных стендах наибольшее внимание должно уделяется динамике спектральных характеристик ЭЭГ с появлением мощных и ритмов, которые обнаруживают высокую корреляцию с измененным состоянием ЦНС при решении сложных задач пилотирования ЛА [7, 8, 11]. Благодаря использованию активных электродов, усиливавших ЭЭГ-сигнал, а также с помощью фильтрации ЭЭГ в рабочем диапазоне частот БТС, исключалось большинство физических артефактов: электромагнитные поля естественного или промышленного происхождения, физиологические помехи (потенциалы, вызванные глазодвигательной активностью, мышечной деятельностью оператора и работой его сердца). По сравнению со штатной методикой регистрации ЭЭГ разработанная система более надежна и хорошо адаптирована к применению защитного снаряжения летчика, что позволяет рекомендовать ее к применению в медико-биологических исследованиях в авиационно-космической области. Результаты экспериментов на ЦФ с активными электродами для регистрации ЭЭГ у летчиков при моделировании близких к реальным условиям профессиональной деятельности показали перспективность использования активных электродов. За рубежом в XXI веке создано третье поколение активных электродов датчиков, например, система Acti Cap фирмы Brain Products Gmbh. Авиастроительные фирмы США и Франции в настоящее время создают системы регистрации биопотенциалов мозга и сердечной мышцы летчика и проводят с их помощью многочасовое мониторирование профессиональной деятельности членов экипажей ЛА в полете с целью изучения работоспособности в экстремальных условиях [7, 8, 10, 11]. Исследования в данном направлении, начатые ЛИИ совместно с НИАО, продолжают оставаться актуальными. Однако необходимо выполнить большой объем НИР и ОКР по ликвидации технологического отставания в области создания и применения портативных ЭЭГ регистраторов и анализаторов для натурных исследований профессиональной деятельности членов экипажей ЛА. Только после этого возможно создание конкурентно способной авиационной техники нового поколения, обеспечивающей эффективное пилотирование ЛА и высокую степень надежности профессиональных действий по реализации целевой задачи полета. Заключение Результаты настоящего исследования свидетельствуют об оптимальности использования активных электродов для надежной регистрации ЭЭГ у летчиков. При пилотировании спектральные характеристики -, - и -ритма ЭЭГ являются крайне чувствительными как к физическим перегрузкам от воздействия линейных ускорений, так и к психическим нагрузкам по управлению ЛА. Диапазон частот ЭЭГ в пределах 1-13 Гц вполне может обеспечить оценку сложности умственной деятельности пилотов. Уровень исходной летной подготовки не повлиял на характеристики ЭЭГ при моделировании маневренного полета с высокими гравитационными перегрузками. Для выявления вклада гравитационного стресса в психофизиологическую нагрузку от летной деятельности необходимо продолжить исследования с привлечением опытных летчиков. Список литературы
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Информация о работе музея «Курская битва» В этот день ветераны Великой Отечественной войны участники Курской битвы провели экскурсии в музее для учащихся 5-9 классов. Среди... |
