CC BY
151
УДК 681.2; 615.47
Н.Б. Суворов, В.А. Абрамов, А.В. Козаченко, Ю.З. Полонский БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - ШАХМАТЫ
Разработана и испытана в реальных исследованиях биотехническая система для изучения психофизиологических механизмов напряжённой интеллектуальной деятельности -игра в шахматы. Участвовали шахматисты высшей квалификации. Решена главная задача - психофизиологические параметры играющего с шахматной программой синхронизированы с текущей позицией на шахматной доске.
Интеллектуальная деятельность; психофизиологические параметры; шахматисты.
N.B. Suvorov, V.A. Abramov, A.V. Kozachenko, Yu.Z. Polonsky BIOENGINEERING SYSTEM - CHESS
The bioengineering system for studying of psychophysiological mechanisms of intensive intellectual activity - game in chess is developed and tested in real researches. Chess players of the top rating participated. The main task is solved - psychophysiological parameters of players are synchronized with a current position on the chessboard.
Intellectual activity; psychophysiologic parameter; chess players.
В медицинской информатике, при комплексной оценке функционального состояния человека в системах управления при минимальной физической нагрузке, в исследованиях умственной деятельности применяются биотехнические системы (БТС) различного назначения. Анализ с научно-практическими выводами из комплекса психофизиологических показателей является одним из наиболее ответственных процессов при диагностике, прогнозе текущего и последующего состояний, и зависит, в частности, от состава БТС и объёма аналитических возможностей.
Использование различных средств и методов анализа, реализуемых электронными устройствами, существенно расширяет пределы медицинского и психофизиологического обследования и уменьшает вероятность ошибки при оценке состояния оператора в реальном времени. Наиболее распространёнными являются БТС, включающие аппаратно-программные средства, моделирующие ту или иную деятельность, связанную с различными манипуляциями, зрительно-моторным слежением, наблюдением за информационными табло, и приводящие к состоянию монотонии и опасностью засыпания и т.п. [1]. БТС для исследования умственных нагрузок также используют модельные ситуации от простых арифметических или алгебраических задач до достаточно сложных тестов на распознавание образов в условиях действия помех, решения логических или творческих задач, предъявляемых испытуемому. Однако в настоящее время практически нет технических средств, направленных на изучение психофизиологических характеристик человека во время реальной интеллектуальной деятельности, а не её моделирования.
Целью работы являлась разработка и испытание биотехнической системы для изучения психофизиологических механизмов напряжённой интеллектуальной деятельности (во время игры в шахматы). Реализация цели потребовала выбора аппаратуры и программного обеспечения; разработки структуры БТС и алгоритма её работы; синхронизации психофизиологических параметров с шахматной партией; испытания в реальных исследованиях с шахматистами высшей квалификации.
Интеллектуальная деятельность человека является одной из специфических особенностей и наиболее сложно организованных психических функций. Инструментальных исследований в изложенной постановке ранее не проводилось, поэтому разработанный комплекс является в своём роде уникальным. В реальной шах-
матной игре с современной компьютерной программой участвовали молодые шахматисты высокой квалификации г. Санкт-Петербурга - элитные гроссмейстеры, мастера спорта с высоким рейтингом Эло. Шахматные партии проводились вслепую с закрытыми глазами, что дало возможность минимизировать помехи при регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ - 21 канал), электрокардиограммы (ЭКГ с предплечий), кардиоритмограммы (КРГ). Регистрацию комплекса электро-физиологических параметров обеспечивал электроэнцефалограф “Мицар - ЭЭГ-202 (24+8)” (разработчик и производитель ООО Мицар, Санкт-Петербург, сертификат соответствия № РОСС ЯИ.ИМ17.В00017). Помимо этого фиксировались функция дыхания - пневмограмма (ПГ) и голоса шахматиста, сообщающего свой ход, и "транслятора”, сообщающего ход, сделанный шахматной программой.
Шахматная программа, использованная в описываемой БТС, должна быть адекватна мастерству участвующих шахматистов и/или превосходить их. В выбранной программе Deep Fritz 11 4CPU [2] предусмотрена гибкая система задания контроля времени, диапазон по рейтингу 900 - 3000 (максимальный рейтинг участвующих шахматистов составлял 2711), поэтому шахматную квалификацию программы можно варьировать - равные силы, незначительно сильнее или слабее, намного сильнее или слабее шахматиста. Некоторая коррекция возможна также путём изменения контроля времени в ту или иную сторону (гандикап).
В состав разработанной БТС (рис. 1) входят следующие основные блоки:
Главный компьютер - для синхронного отображения на мониторе в реальном времени всех происходящих “событий”.
Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) регистрировалась электродами, расположенными на голове испытуемого. Сигналы ЭЭГ от блока усилителей в цифровой форме через гальваническую развязку поступают в главный компьютер и отображаются на экране монитора.
Электрокардиограмма (ЭКГ) регистрировалась через один из полиграфических каналов электроэнцефалографа.
Дыхание - пневмограмма регистрировалась с помощью носового (назального) терморезисторного датчика, подсоединяемого через один из полиграфических каналов с отображением на экране.
Аудиосигналы от микрофонов “транслятора” и испытуемого через полиграфические каналы в виде меток также выносятся на монитор вместе с остальными параметрами.
В состав БТС входит также блок обработки информации, созданный на базе программных комплексов WinEEG, WinHRV.
Фотостимулятор - прибор, генерирующий световые сигналы с заданными параметрами для воздействия на зрительный анализатор.
Испытуемый - шахматист, способный вести партию вслепую на высоком уровне.
“Транслятор” - опытный шахматист, обеспечивающий передачу информации между шахматным компьютером и игроком, умеющий чётко передавать ходы, сделанные компьютером, и вводить в компьютер ходы, сделанные игроком, с минимальной задержкой.
Видеокамера направлена на дополнительный монитор для передачи шахматной позиции на монитор главного компьютера, обеспечивает синхронизацию психофизиологических параметров и шахматной партии. Видеоизображение с текущей позицией воспроизводится синхронно с выводом на экран соответствующих участков всех регистрируемых параметров испытуемого.
Рис. 1. Структура биотехнической системы
Испытания БТС состояли из трёх этапов. Подготовительный этап:
1. Настройка главного и шахматного компьютеров.
2. Настройка шахматной силы программы Deep Fritz 11. Игра проходит вслепую и необходимо компенсировать время, уходящее на устные сообщения между компьютером и игроком. В настройках предусмотрена возможность добавлять игроку несколько секунд после каждого хода и давать преимущество во времени.
3. Подсоединение к шахматному компьютеру дополнительного монитора для визуализации шахматной партии через видеокамеру для синхронизации позиции и психофизиологических параметров.
4. Регистрация испытуемого (шахматиста).
5. Цветовая диагностика Люшера позволяет измерить стрессоустойчивость и другие характеристики на момент проведения теста.
6. Установка датчиков на испытуемого, проверка качества их установки.
7. Настройка чувствительности и частотных фильтров электроэнцефалографа и полиграфических каналов.
8. Настройка микрофонов игрока и “транслятора”.
9. Синхронизация отдельных блоков. Она занимает важное место в данном исследовании. Необходимо представить на мониторе главного компьютера одномоментные показания ЭЭГ, ЭКГ, ПГ, сигналов микрофонов, видеоизображения. При полной синхронизации параметров можно начинать исследование (рис. 2,а).
а
Рис. 2. Блок-схемы проведения испытаний
Последовательность действий во время основного этапа - измерений:
1. Регистрация исходных (фоновых) психофизиологических показателей перед партией для их последующего сравнения во время партии, после партии.
2. Измерение артериального давления (АД) перед партией.
3. Регистрация психофизиологических показателей во время партии - самая продолжительная часть исследования.
4. Фоновая запись при открытых и закрытых глазах после игры.
5. Измерение АД после партии.
Последовательность действий на этапе завершения исследования и анализа данных (рис. 2,б):
1. Сохранение (архивирование) всех данных, включая шахматную партию и представление её в нужном формате.
2. Анализ шахматной партии и выявление наиболее важных моментов для сопоставления с соответствующими фрагментами комплекса психофизиологических параметров.
3. Обработка полученных данных и заключение по результатам испытаний.
б
Рис. 2. Окончание
На рис. 3 представлен фрагмент записи на мониторе главного компьютера полного комплекса регистрируемых показателей. БТС позволяет анализировать электрокардиосигнал путём построения кардиоритмограмм (КРГ). В анализ входит: построение гистограмм распределения ЯЯ-интервалов, скаттерграмм, спектров мощности и вычисление ряда производных параметров.
Рис. 3. Электроэнцефалограмма мастера ФИДЕ А при принятии решения о 21 ходе белых Ь4 (1609-я секунда), Biol - электрокардиограмма, Bio2 - дыхание, Bio3 - отметка сообщения “транслятора ” о ходе программы, Bio4 - отметка сообщения шахматиста о сделанном ходе
Изменения ЭЭГ во время шахматной партии демонстрирует рис. 4.
Анализ рис. 4 показывает, что спектральная мощность системообразующего альфа-ритма частотой около 9-11 Гц и площадь его распространения в фоне гораздо выше, чем во время принятия решения. Имеет место также рост мощности дельта- и тета-ритмов. И то и другое - свидетельство умственного напряжения.
Разработанная БТС является инструментом для специалистов в области психонейрофизиологии, изучающих механизмы мыслительных процессов. Её использование даёт возможность оценивать состояние шахматиста, его функциональные резервы. Психофизиологические реакции на ошибочные тактические и стратегические решения, цейтнот, просмотры также представляют интерес.
Разработана и реализована структура биотехнической системы для исследований психофизиологических маркеров напряжённой интеллектуальной деятельности. В соответствии с целью решена проблема синхронизации всех этапов и элементов системы - текущая позиция на шахматной доске в любой момент времени соответствует временному срезу психофизиологических параметров.
Научные результаты, полученные на разработанном и испытанном комплексе, могут иметь большое значение для нейрофизиологов, занимающихся изучением нераскрытых психофизиологических механизмов интеллектуальной деятельности, а также для специалистов в области искусственного интеллекта.
Биотехническая система внедрена и используется в исследованиях лаборатории нейроэкологии НИИ экспериментальной медицины РАМН и лаборатории сте-реотаксических методов Института мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН.
Рис. 4. Топограммы спектров мощности ЭЭГ: вверху - расслабленное бодрствование, глаза закрыты (фон до партии), внизу - принятие решения во
время партии - 13-й ход)
Исследования поддержаны грантом научной программы Санкт-
Петербургского научного центра РАН за 2009 год «Исследование возможностей психофизиологической поддержки лиц, занятых непрерывной напряжённой интеллектуальной деятельностью - шахматистов высшей квалификации» и выполнялись при содействии шахматной федерации Санкт-Петербурга.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Суворов Н.Б., Мясников А.В., Попечителев Е.П. Аппаратная часть биотехнического комплекса для исследования кардиореспираторного взаимодействия // Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, серия Биотехнические системы в медицине и экологии. - 2004. - №2. 2. - C. 38-42.
2. Fritz 11: Обзор - статьи об игре Fritz 11. - http://gameguru.ru/articles/525/view.html.
Суворов Николай Борисович
НИИ экспериментальной медицины РАМН.
E-mail: [email protected].
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Павлова, 12.
Тел: 88122340925.
Абрамов Валентин Анатольевич
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики.
E-mail: [email protected].
197101, г. Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49.
Тел.: 88122335952.
Козаченко Александр Викторович
E-mail: [email protected].
Полонский Юрий Зусьевич
Институт мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН.
E-mail: [email protected].
197376, г. Санкт-Петербург, ул. акад. Павлова, 12а.
Тел.: 88122349257.
Suvorov Nikolay Borisovich
Research Institute for Experimental Medicine RAMS.
E-mail: [email protected].
12, Pavlov street, Saint-Petersburg, 197376, Russia.
Phone: +78122340925.
Abramov Valentin Anatolievich
State University of Information Technology, Mechanics and Optics. E-mail: [email protected].
49, Kronverkskiy Av., Saint-Petersburg, 197101, Russia.
Phone: +78122335952.
Kozachenko Alexander Victorovich
E-mail: [email protected].
Polonsky Yuriy Zusievich
Institute of Human Brain named after N.P. Bekhtereva RAS.
E-mail: [email protected].
12a, acad. Pavlov street, Saint-Petersburg, 197376, Russia.
Phone: +78122349257.
УДК 616.74-009.54
И.Б. Старченко, Ю.С. Перервенко, О.С. Борисова, Т.В. Момот
МЕТОДЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ
ПРИЛОЖЕНИЙ
Рассмотрены примеры анализа биомедицинских сигналов с использованием методов нелинейной динамики. Рассмотрены два вида сигналов: речевой и электроэнцефалографи-ческий. Показана возможность использования инвариантов нелинейной динамики в качестве информативных показателей.
Нелинейная динамика; биомедицинский сигнал; инвариант.
I.B. Starchenko, J.S. Perervenko, O.S. Borisova, T.V. Momot NONLINEAR DYNAMICS METHODS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS
The examples of analysis of biomedical signals by nonlinear dynamics methods were considered in the article. Two kinds of signals were investigatedл speech signal and EEG. The possibility of applicationof nonlinear dynamics invariant as informative features was shown.
Nonlinear dynamics; biomedical signal; invariant.
Методы обработки сигналов методами нелинейной динамики нашли свое применение во многих сферах науки и техники. Во многих научных статьях и трудах они используются для анализа временных рядов. В данной работе будет рассмотрено две области приложений нелинейно-динамического анализа в биомедицине: применительно к речевым сигналам и электроэнцефалографическим данным.
