Текст книги "Эргодизайн промышленных изделий и предметно-пространственной среды: учебное пособие"

3. Компоненты полиэффекторного метода. Электроэнцефалография

Изменения параметров электрической активности мозга (электроэнцефалограмма) традиционно рассматриваются в качестве непосредственного индикатора активации. Электрические токи, или токи действия, являются сигналами, идущими из мозговых структур. Они отражают состояние головного мозга, поэтому изучение их представляет большой интерес[30]30
  См.: Данилова Н.Н. Функциональные состояния: механизмы и диагностика. М., 1985; Чайнова ЛД, Каширина Л.В. Значение писихофизио-логической оценки уровня и напряженности человека-оператора для контроля его функциональных состояний // Новые исследования в психологии. М., 1980.


[Закрыть].

Протекающие в мозговых структурах электрические процессы имеют вид осцилляций, называемых электроэнцефалограммой (ЭЭГ) (рис. 2).

Рис. 2. Одновременная запись электроэнцефалограммы и кожно-гальванической реакции: ЭЭГ областей: 1 – зрительной; 2 – двигательной; 3 – КГР

Метод регистрации биотоков мозга обладает рядом преимуществ, которыми не располагают другие методы.

Регистрация биопотенциалов позволяет наблюдать за состоянием мозга человека в условиях сна и бодрствования (во время выполнения трудовых операций).

Регистрирующая аппаратура включает отводящие электроды с держателем, экранированный шланг, соединяющий электроды через их распределитель с входами усилителя, и осциллографическую установку.

Отведение биопотенциалов коры головного мозга проводится с помощью специальных электродов. В экспериментах на человеке наиболее часто используются два типа электродов – накладывающиеся и приклеивающиеся.

Накладывающиеся отводящие электроды наиболее распространены. Они должны удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечивать надежный электрический контакт с кожей черепа;

• не беспокоить испытуемого, не причинять ему боль;

• при движениях испытуемого не смещаться;

• при длительном наблюдении, порядка 1–2 ч, не менять условия отведения;

• не продуцировать артефактов непроизвольного напряжения;

• легко и быстро устанавливаться и сниматься.

Для крепления электродов на голову испытуемого надевается шлем в виде резиновой сетки.

При установлении электродов на коже черепа в местах их наложения раздвигают волосы, тщательно очищают и обезжиривают кожу смесью спирта с эфиром. Затем электроды последовательно прикладывают к месту установки, после чего на держатель электрода накладывают соответствующую полосу сетки. По окончании опыта место наложения электрода протирается спиртом с эфиром.

Накладывающиеся электроды устанавливают быстро. Их положение на голове легко изменить (рис. 3). Длительность эксперимента не превышает одного часа.

Рис. 3. Оценка функционального состояния головного мозга

Существуют два способа отведения электрической активности головного мозга – монополярный и биполярный.

При монополярном отведении один электрод (активный) прикладывают к исследуемой области головы, а второй (индифферентный) помещают на мочку уха. Регистрируют колебания потенциалов под активным электродом.

При биполярном отведении на соответствующие участки кожных покровов черепа накладывают два отводящих электрода. Записывают колебания разности электрических потенциалов между участками коры, находящимися под электродами.

Обработка полученных результатов включает качественный и количественный анализ реакций испытуемого. Для каждого опыта составляется подробный протокол с указанием регистрируемых реакций и поведения испытуемого во время опыта. Затем проводится измерение латентных периодов, длительности регистрируемых реакций, величин последействия; для оценки состояния испытуемого – напряженности, утомления – измеряется амплитуда ЭЭГ (рис. 4).

Рис. 4. Экспериментальный комплекс для исследования функциональных состояний человека в лабораторных условиях

Полученные данные наносят на графики, где по оси абсцисс откладывают номера предъявленного сигнала, по оси ординат – величины, характеризующие реакцию (рис. 5).

Рис. 5. Изменение длительности десинхронизации альфа-ритма под влиянием светового сигнала

Существенным при оценке данных ЭЭГ является спектральный анализ регистрируемых биопотенциалов мозга, позволяющий устанавливать частотную характеристику ритма, которая является величиной, отражающей функциональное состояние мозга.

ЭЭГ представляет собой сложное сочетание ритмов, имеющих разные частоты. Эффект маскировки ритмов преодолевается применением автоматического анализатора частоты.

Существуют следующие характеристики ритмов: альфа-ритм – частота 8-13 Гц; бета-ритм – 15–30 Гц; дельта-ритм – 0,5–3,5 Гц; тета-ритм – 4–8 Гц.

По степени выраженности того или иного ритма можно судить о разном ФС. Например, признаком развивающегося утомления считается реакция десинхронизации альфа-ритма в сочетании с появлением периодов медленной волновой активности. По мере возрастания утомления продолжительность этих периодов увеличивается.

Основной ритм ЭЭГ – альфа-ритм, наблюдается в спокойном состоянии. Бета-ритм присущ состоянию активного бодрствования, его выраженность возрастает при ориентировочной реакции и умственном напряжении. Тета-ритм регистрируется при эмоциональном напряжении. Медленная волновая активность – дельта-ритм (амплитудой до 250 мкВ) регистрируется в сонном состоянии.

Применительно к визуальной деятельности количественный или статистический анализ должен обеспечить количественную оценку фоновой активности исследуемой системы, степень напряженности организма при осуществлении визуальной деятельности.

Применяя данный метод количественной оценки ЭЭГ-кривых, можно учитывать характер реакций не только в момент действия раздражителя, но и при его отсутствии.

Этот метод анализа позволяет определять вероятность наличия реакции (p_j) и ее отсутствие (p_j0), вероятность наличия сигнала (p_i) и его отсутствия (p_i0).

Для учета состояния анализаторской системы особенно важна вероятность появления реакции на отсутствующий стимул (p_j/i0), т. е. ложной тревоги, которая указывает на степень напряженности организма при той или иной деятельности.

Обработка кривых с применением метода статистического анализа проводится следующим образом. Протокол разбивают на отдельные участки, каждый из которых анализируют по наличию или отсутствию соответствующих реакций. Все участки протокола разбивают на интервалы, соответствующие длительности стимула, принятой за единицу. Линия подачи сигналов будет состоять из участков подачи сигналов (i), а линия реакций может быть представлена интервалами наличия реакции (j) или ее отсутствия (j₀), где Nc – общее число стимулов в анализируемом опыте. Вводятся критерии, по которым определяется реакция на протяжении всех опытов. За реакцию в ЭЭГ принимается десинхронизация альфа-ритма, которая возникает при уменьшении амплитуды до ¹/3 по сравнению с фоновой ритмикой в течение 1 с и более.

Связь между стимулом и реакцией характеризуется условной вероятностью появления реакции или условной вероятностью попаданий (p_j/i). Условная вероятность попаданий определяется отношением числа реакций к числу предъявляемых стимулов. Ответной считается реакция, длительность которой равна 1 с или больше.

Кожно-гальваническая реакция (КГР) отражает изменение разности потенциалов кожи и является характеристикой ее электропроводимости. КГР считается весьма чувствительным показателем эмоционального состояния человека. КГР – проявление вегетативных сдвигов организма, вызываемых состоянием напряженности, показатель сенсорного и умственного возбуждения, а также всех состояний высших психических функций, которые так или иначе связаны с процессами внимания и настороженности (речь идет о так называемом инстинктивном внимании, так как постоянное внимание приводит к угасанию рефлекса).

Поскольку КГР является одним из индикаторов эмоциональных процессов, в экспериментальных работах он используется при изучении стрессовых состояний.

В основе явления КГР лежит функция потоотделения, регулируемая симпатической нервной системой. Феномен Тарханова заключается в генерации электрических потенциалов в разных участках кожи, феномен Фере состоит в изменении сопротивления кожи постоянному току при действии раздражителей. Оба явления отражают рефлекторную реакцию.

Исследования, посвященные выявлению взаимосвязи между основным сопротивлением кожи и общим состоянием испытуемого, показали, что при активном состоянии сопротивление кожи понижается, а в состоянии покоя повышается.

По форме КГР представляет собой 2-3-фазный потенциал, возникающий с латентным периодом 2–3 секунды. Длительность и амплитуда реакции могут быть различными. В процессе угасания форма КГР, ее длительность и амплитуда обычно изменяются. Первоначально трехфазное колебание становится двухфазным за счет исчезновения последней фазы реакции; одновременно уменьшается амплитуда. Затем исчезает вторая фаза, колебание становится однофазным, низкоамплитудным и, наконец, исчезает.

В ряде случаев в процессе угасания КГР не изменяет своей формы, уменьшается только ее амплитуда.

При изучении вегетативных сдвигов организма, связанных с сенсорной деятельностью, может быть использован способ регистрации КГР параллельно с другими психофизиологическими показателями (полиэффекторная запись), что имело место в наших исследованиях, связанных с эргодизайнерским проектированием шкал автоприборов.

Обычно в практике полиэффекторной регистрации реакций используется метод Тарханова[31]31
  См.: Соколов Е.Н. Восприятие и условный рефлекс. М., 1958.


[Закрыть] КГР состоит в возникновении разности потенциала между двумя точками кожи – на ладонной и тыльной сторонах кисти. Регистрация КГР по Тарханову демонстрируется на рис. 6.

Рис. 6. Запись кожно-гальванической реакции по Тарханову в системе ПЭМ (4-й канал)

Пневмография и ЭКГ. В эмоционально значимых напряженных ситуациях частота дыхания человека возрастает с 20 до 60 движений в минуту, превышая таким образом исходные данные почти в 3 раза.

Датчиком дыхательных движений при полиэффекторной регистрации может служить ниппельная резиновая трубка, наполненная физиологическим раствором, в который погружаются электроды, связанные с входом усилителя. Трубка должна плотно охватывать грудь испытуемого, растягиваясь при вдохе и сжимаясь при выдохе. Колебания контактных потенциалов при изменении диаметра трубки, отражающие дыхательную ритмику, усиливаются и регистрируются электроэнцефалографом.

В кривой дыхания информативными являются следующие характеристики: частота дыхания, амплитуда дыхательных волн, соотношение глубины вдоха и выдоха, изменение типа последействия (очень глубокий вдох или выдох). На рис. 7 приведена кривая дыхания.

Рис. 7. Запись электропневмограммы

Известно, что ЭКГ – запись электрической активности сердца. Это индикатор состояния сердечно-сосудистой системы, позволяющий выявить, например, характер зависимости частоты сердечных сокращений от величины физической нагрузки при работе.

Электромиография (ЭМГ). Методика электромиографии заключается в регистрации потенциалов действия мышц в пределах от 10 до 3 мВ. Источником колебаний потенциалов, отражаемых на ЭМГ, является распространяющийся по мышечным волокнам процесс возбуждения.

ЭМГ служит весьма чувствительным объективным показателем включения в динамическую или статическую работу определенных мышечных групп.

Регистрация биопотенциалов мышц проводится для определения ведущих групп мышц при выполнении того или иного рабочего движения, для количественной характеристики напряжения мышц в зависимости от принятой рабочей позы, регистрации степени утомления мышц при выполнении рабочих движений или сохранении определенной позы, а также для выявления по показателю электрической активности мышц степени эмоционального возбуждения человека.

В последнем случае запись ЭМГ ведут обычно с неработающих мышц, обнаруживающих тем большую активность, чем выше напряженность работающего человека. Наиболее значимыми считаются потенциалы, отводимые от лестничных мышц шеи, мышц лба и предплечья.

ЭМГ может использоваться также, как один из показателей готовности человека к действию.

Таким образом, ЭМГ играет главную роль при оценке мышечного тонуса и неоценима при исследовании позы и рабочих движений.

Регистрация биопотенциалов мышц возможна при условии их значительного усилия. Аппаратура для регистрации ЭМГ выбирается в зависимости от задачи исследования. При исследовании высокочастотных мышечных биопотенциалов используются осциллографы, при регистрации низко-и среднечастотных биопотенциалов мышц (например, мышечного тонуса) – электроэнцефалографы.

С помощью интегратора параллельно с записью ЭМГ регистрируется суммарная биоэлектрическая активность исследуемых мышц. Запись ЭМГ проводят, используя приклеивающиеся электроды с большой площадью отведения, регистрирующие суммарную активность многих двигательных единиц. Два электрода укрепляются на коже с помощью лейкопластыря и коллодия в том месте, где контурируется мышца, вдоль хода ее волокон на расстоянии 2 см друг от друга. Для контакта с кожей применяется паста, содержащая электролиты.

При обработке ЭМГ учитываются амплитуда и частота биотоков. Если проводится анализ простых двигательных реакций, то учитывается латентный период каждой реакции и ее длительность. В результате подсчета отметок интегратора определяется численное выражение энергетических затрат, связанных с мышечной активностью.

Электроокулография (ЭОГ) – метод регистрации движения глаз, основанный на записи электрической активности глазных мышц. Разность потенциалов между роговицей и сетчаткой, т. е. между передним и задним полюсами глазного яблока, получила название корнео-ретинального потенциала (КРП). У человека, как и у всех позвоночных, передний полюс глазного яблока положителен, а задний – отрицателен. Соединяющая полюса линия – электрическая ось глазного яблока – совпадает со зрительной осью каждого глаза, следовательно, с направлением взгляда.

Глазное яблоко подобно поворачивающемуся диполю, окруженному электропроводящей средой. С помощью электродов, наложенных на прилегающие к глазнице ткани, можно уловить происходящие в них изменения потенциала.

Для регистрации горизонтальных движений глаза один электрод располагается у наружного (височного) угла глазной щели, а другой – у ее внутреннего (носового) угла. Регистрация вертикальных движений глаза осуществляется за счет электродов, расположенных у верхнего и нижнего края глазной впадины по вертикали, проходящей через центр зрачка. Если глаз фиксирован в точке, совпадающей со зрительной осью, то электроды каждой пары оказываются расположенными на одинаковом расстоянии от положительного роговичного полюса, а также негативного ретинального полюса. Разность потенциалов в этом случае отсутствует; может быть зарегистрирован лишь постоянный положительный потенциал роговицы по отношению к нейтральному электроду. Если глазное яблоко поворачивается, например, к носу, то носовой электрод оказывается ближе к переднему положительному полюсу, чем к заднему отрицательному, а височный электрод оказывается ближе к заднему отрицательному, чем к переднему положительному полюсу. В результате носовой электрод становится электроположительным, а височный – электроотрицательным.

Аналогичная картина наблюдается и при других направлениях поворота глазного яблока. Таким образом, знак потенциала указывает направление поворота глаза, а степень изменения потенциала – величину поворота.

Возможность электроокулографической регистрации движений глаз основана на том, что между углом отклонения глаза и изменением разности потенциалов существует прямая зависимость.

ЭОГ характеризуют следующие особенности:

• запись проводится без прикосновения к глазу;

• незначительные движения головы не влияют на запись, что дает возможность исключить жесткую фиксацию головы;

• запись может проводиться при любом уровне освещенности;

• длительность эксперимента не ограничена;

• запись может осуществляться дистанционно;

• имеется возможность в ходе эксперимента наблюдать на экране осциллоскопа траекторию взгляда испытуемого;

• обработка полученного материала сравнительно нетрудоемка.

Указанные преимущества данного метода заставляют отдавать ему предпочтение в тех случаях, когда требуется приблизить эксперимент к естественным условиям (например, при изучении деятельности оператора). Существуют определенные требования к оборудованию и организации лабораторных электроокулографических исследований. Прежде всего необходим правильный выбор электродов, их размещение, хороший контакт с кожей, правильная коммутация.

В отделе эргономики ВНИИТЭ применялись главным образом электроды диаметром 10–12 мм (рис. 8).

Рис. 8. Электроды для электроокулографических исследований

Наиболее удобная форма электродов – круглая. Толщина дисков не имеет принципиального значения. Диски электродов должны иметь чашеобразную форму. Углубления чашечек заполняются электродной пастой.

Обязательным условием получения качественных результатов по ЭОГ является заземление испытуемого (заземленный электрод располагается на мочке уха).

4. Передвижная эргономическая лаборатория для комплексных психофизиологических исследований в полевых условиях

Важным этапом работы эргономистов во ВНИИТЭ в период 80-х годов XX в. было комплексное изучение особенностей трудовой деятельности (с целью ее оптимизации) непосредственно в условиях производства. Такая работа была связана с эргономической оценкой различных видов техники, управляемой человеком в реальных условиях, и выдачей рекомендаций по ее совершенствованию. Организация данного вида исследований требовала оборудованной современной техникой передвижной лаборатории.

Как известно, работа эргономиста связана с исследованием всех факторов трудовой деятельности – анализа психологического содержания профессиональной деятельности человека, регистрации комплекса показателей, позволяющих судить о результатах деятельности, ее внутренней психофизиологической организации, динамике ФС человека и его работоспособности в конкретных условиях производства.

Организация эргономического исследования необходима для изучения естественного хода оцениваемых процессов и явлений трудовой деятельности и позволяет эффективно решать вопросы, связанные с ее оптимизацией.

Эргономическое исследование в реальных условиях намного сложнее, ответственнее и более трудоемко, нежели в стационарных лабораторных. Доказывать это нет смысла: каждому ясно, что фактор реальности накладывает ограничения в работе экспериментатора:

• сложность транспортировки диагностической аппаратуры;

• ограниченные площади для размещения аппаратуры;

• присутствие электромагнитных полей, электрических и звуковых помех, вибраций, затрудняющих корректную регистрацию психофизиологических данных;

• ограниченность во времени при проведении диагностических психофизиологических проб и подготовке испытуемого к электрофизиологическим экспериментам, связанным с регистрацией биоэлектрических потенциалов;

• специфика самих производственных условий (завод, поле, дорожная ситуация).

Понятно также и то, что эргономические исследования в реальных условиях могут проводить лишь специалисты высокой квалификации. Они должны знать все характерные особенности производства.

Для работы в полевых условиях и в цехах нужна малогабаритная, высокочувствительная, помехоустойчивая, пылевлагозащищенная аппаратура, допускающая питание от нестационарных источников.

Различные типы эргономических лабораторий как у нас в стране, так и за рубежом существовали и ранее. Однако все эти лаборатории не отвечали задачам современного этапа развития эргономики.

С учетом резко возросших требований к организации и проведению эргономических исследований во ВНИИТЭ разработан проект и создан образец передвижной экономической лаборатории. Лаборатория позволяет решать практические задачи:

• анализ исполнительной деятельности человека в процессе эксплуатации машин и оборудования (временные, силовые и пространственные параметры, организация взаимодействия с техническими средствами и т. д.) с целью определения степени тяжести и напряженности труда;

• регистрация показателей ФС человека-оператора в течение рабочей смены для определения целостной реакции организма на внешние условия деятельности и установление тем самым степени соответствия характеристик техники психофизиологическим возможностям человека;

• определение динамики работоспособности и утомления при эксплуатации конкретного вида техники;

• получение эргономических характеристик внешних средств деятельности (органов управления, средств отображения информации, рабочего кресла) и выбор оптимальных средств деятельности;

• эргономическая оценка пространственной организации рабочего места и обзора основной рабочей зоны (зон);

• измерение параметров рабочей среды (среды обитания);

• установление ремонтопригодности и удобства обслуживания изделия;

• проведение первичной экспресс-обработки экспериментальных данных в полевых условиях, что значительно сокращает время между первичными эргономическими разработками и внедрением конкретных практических рекомендаций (их можно сформулировать непосредственно после обработки экспериментальных данных на бортовой ЭВМ).

Оснащение и компоновка лаборатории позволяют осуществлять комплексные эргономические исследования на высоком методическом уровне. Качество электрофизиологического эксперимента не ниже, чем в стационарных условиях. Оснащение лаборатории бортовой ЭВМ позволяет проводить аналоговые тестированные эксперименты. Практика показывает, что целесообразно диагностировать состояние как отдельных функциональных физиологических систем, так и ФС работающего человека в целом. Особенно важна здесь оценка состояния зрительной, слуховой и двигательной систем, наиболее часто вовлекаемых в процессе труда, а также сердечно-сосудистой системы. Эффективны в этих случаях методы определения критической частоты слияния световых и звуковых мельканий, определение скорости простой сенсомоторной реакции, определение силы и выносливости рук или ног работающего человека, координации движений. По функциональным нагрузкам аппаратура распределяется следующим образом:

• Аппаратура для снятия электрофизиологических показателей во время трудовой деятельности для определения динамики функционального состояния: специализированный измерительный комплекс для регистрации биопотенциалов, разработанный во ВНИИТЭ.

• Тензоплатформа, разработанная ГДОИФК им. П. Лесгафта, в комплексе с тензостанцией «Топаз-301» и блоками питания к ней «Агат».

• Аппаратура для проведения функциональных психофизиологических проб – прибор для определения критической частоты слияния мельканий в комплексе со звуковым генератором ГУ-111.

• Прибор для измерения простой сенсомоторной реакции, функционирующий в комплексе с частотомером 43–36[32]32
  Оба прибора разработаны во ВНИИТЭ инженером М.З. Остромоуховым.


[Закрыть].

• Прибор для измерения тремора рук до работы и после нее, изготовленный ВНИИТЭ, и прибор для измерения артериального давления ИАД-1М.

• Аппаратура для измерения параметров среды: для замеров освещенности люксометр ЛМ-3, уровня шума – шумометр RFT-86; измерения температуры – электротермометр ТПЭМ-1; загазованности и запыленности воздуха – газоанализатор УГ-2, индикатор количества пыли – ИКП.

Управление ходом эксперимента осуществлялось с помощью индикатора ИМ-789 и осциллографа-мультимера С2-19. Для математической обработки результатов эксперимента использовалась микро-ЭВМ ДВК-3М.

Для проведения профессионального анализа и получения документальной информации в состав лаборатории была включена кинофототелеаппаратура.

Электропитание обеспечивали мотор-генератор Eise-mann Hobby-10W, электропреобразователи 12/220 В (см. цв. ил. 2).

В лаборатории имелись дополнительные технические средства для ремонта и настройки основной аппаратуры.

Специально для передвижной лаборатории разработан измерительный комплекс для регистрации тонической и фазической биоэлектрической активности мышц, глазодвигательной активности и электрокардиограммы. Усилители малой массы и габаритов закреплялись непосредственно на испытуемом вблизи места расположения электродов, что позволяло работать вне экранированной камеры. Питание усилителей проводилось от аккумулятора автомобиля через стабилизированный преобразователь или с помощью мотора-генератора. Серийные электроэнцефалографы, имеющие наибольшее распространение для регистрации биопотенциалов, мало подходят для работы в полевых условиях из-за больших габаритов, массы, большой потребляемой мощности, низкой вибростойкости, необходимости работать в экранированном помещении. Исключение составляют портативные японские электроэнцефалографы, которые обеспечивают качественную запись биопотенциалов, но при соблюдении некоторых условий. В наибольшей степени указанным требованиям отвечает телеметрическая регистрационная аппаратура для записи ЭМГ, ЭОГ и ЭКГ.

Лаборатория создана на базе автобуса КАВЗ-685. Салон автобуса разделен на два отсека. Зона «1» – экспериментальный отсек, при движении лаборатории превращается в багажный. Зона «2» служит для управления экспериментом. В центре этой зоны размещена регистрирующая электрофизиологическая аппаратура, ЭВМ, кинофотоаппаратура, индикатор сигналов и магнитограф.

На рис. 9 приведена компоновка эргономической лаборатории.

Передвижная эргономическая лаборатория выполнена в соответствии с требованиями безопасности, предъявляемыми ГАИ к передвижным лабораториям. Она рассчитана на эксплуатацию в различных условиях (на предприятии, в поле) в любое время года для исследования состояния человека, управляющего движущимся объектом, и т. д. Количественные и качественные данные об уровне работоспособности человека в условиях его труда позволяют обосновать рекомендации по его оптимизации сразу после проведения исследования.

Рис. 9. Компоновка эргономической передвижной лаборатории:

1 – экспериментальный отсек;

2 – место испытуемого;

3 – место экспериментатора;

4 – откидной стол;

5 – индикатор испытуемого;

6, 7 – аппаратура для определения состояния центральной нервной системы и зри

8 – магнитограф для записи биосигналов;

9. – мотор-генератор;

10. – индикатор ИМ-789;

11. – блок питания;

12. – дисплей ЭВМ;

13 – осциллограф;

14 – бортовая ЭВМ;

15 – кресло пассажира;

16 – пассажирский салон