CC BY
280
Граб И.Д. , Затылкин А.В., Алмаметов В.Б., Юрков Н.К. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПСИХОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБУЧАЕМОГО НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОКОЖНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Важным моментом в оценке функционального состояния обучаемого является уровень его нейропсихи-ческого (эмоционального) напряжения. Известно два типа разбалансирования регуляторной функции в этой сфере - гипермобилизация (чрезмерное возбуждение) и развитие тормозных процессов (охранительное торможение). Для обоих случаев характерны специфические проявления нарушения способности произвольного переключения от состояния релаксации к активации (концентрации на предстоящем действии), и наоборот [1, 2]. Поскольку такая картина отражает объективные процессы, происходящие в
организме, оба случая можно определить как полярные проявления психофизического состояния (ПФС).
Многие исследователи отмечают, что слежение за эмоциональным напряжением позволяет при определенных условиях предсказывать возможное ухудшение работоспособности человека до того, как это произошло [3]. При этом в качестве информативного показателя изменения ПФС используются сигналы его вегетативной реакции. Наиболее часто применяются два метода - метод Тарханова, основанный на измерении биопотенциалов на поверхности кожи и метод Фере, основанный на измерениях электрокожной проводимости (ЭКП) или электросопротивления кожи (ЭКС). Сигнал, получаемый по второму методу традиционно называется кожно-гальванической реакцией (КГР).
Кожно-гальваническая реакция — биоэлектрическая активность, фиксируемая на поверхности кожи, обусловленная деятельностью потовых желез и выступающая компонентом ориентировочного рефлекса, эмоциональных реакций организма, связанных с работой симпатической нервной системы. Может регистрироваться с любого участка кожи, но обычно используются пальцы и кисти рук или подошв ног. Служит для анализа состояний человека, его эмоционально-волевых и интеллектуальных процессов. В структуре КГР могут быть выделены различные составляющие: уровень тонической активности как некое фоновое, относительно длительное состояние, реакция в ответ на раздражители, которая продолжается в течение нескольких секунд, и „спонтанная— реакции, несвязанная с каким-либо определенным раздражителем. При этом уровень тонической активности выступает как показатель функционального состояния центральной нервной системы: сопротивление кожи повышается при расслабленном состоянии,
понижается при активации.
В частности, А.А. Алдерсонс [5] отмечает, что КГР "используется во всех случаях как индикатор - и притом весьма чувствительный - состояния активации человека". Однако проблема количественного оценивания ПФС затруднена рядом технических сложностей. Ведь при регистрации электрофизических параметров, характеризующих функциональное состояние биологического объекта (в т.ч. ЭКС), сам объект и средство измерения находятся в двустороннем взаимодействии. Степень и характер такого взаимовлияния отражаются на погрешности измерения, что приводит к снижению диагностической ценности измеряемого параметра.
Данная методика основана на таком известном факте, как изменение ЭКС человека в состоянии релаксации и активации психомоторных функций. Доказано, что в норме электрокожное сопротивление человека в состоянии релаксации растет, а в состоянии активации уменьшается.
Согласно теории генеза кожно-гальванической реакции секреторная деятельность потовых желез тесно связана с активностью нервной системы человека. Активация психомоторных функций вызывает обильное выделение пота, и сопротивление кожи падает. При обратном течении процесса пот поглощается, и сопротивление кожи растет. Причем первое состояние ЦНС принято называть концентрацией, а второе - релаксацией. [6 ]
Известны исследования, устанавливающие взаимосвязь способности человека к произвольному изменению уровня активности центральной нервной системы (ЦНС) с готовностью к высокорезультативной деятельности. Более того, на основе изучения особенностей изменения показателя ЭКС определены как взаимосвязь этой динамики с успешностью деятельности, так и 9 основных графических конфигураций этой динамики. При этом динамика значений ЭКС, отмеченная у испытуемых при произвольном переходе от релаксации к активации, классифицирована соответственно на 9 вариантов, характеризующих различные состояния ЦНС [7] (Таблица 1):
Таблица 1. Состояния ЦНС (первая стрелка - релаксация, вторая - активация)
Графическая конфигурация Характеристика состояния
/\ Состояние высокой «боевой» готовности
\ Некоторое преобладание возбуждения, способность к релаксации ослаблена
\ Чрезмерное возбуждение, «предстартовая лихорадка»
/ * Начальная стадия охранительного торможения. Заторможенность локомоций.
► ► Глубокая заторможенная апатия, нет динамики процесса «релаксация-активация»
\ . Крайняя степень возбуждения, на грани адаптации возможны неадекватные реакции
// Переутомление на грани срыва адаптации, вялость
Срыв адаптации, состояние болезни
Запредельное переутомление ЦНС, депрессия, состояние болезни
Существует два принципиально разных метода контактного измерения электрических параметров кожи : по Тарханову (регистрация электрических потенциалов кожи) и по Фере (регистрация электриче-
ского сопротивления кожи). Оба метода, как показатели состояния организма, дают идентичные результаты, только латентный период изменения сопротивления кожи несколько выше, чем при изменении потенциалов кожи. В таблице 2 представлена сравнительная характеристика обоих методов.
Таблица 2. Методы исследования электрической активности кожи
Фере Тарханов
активный (с внешним источником поля) пассивный
наложение электродов непосредственно на кожу испытуемого (контактные)
экзосоматический эндосоматический
измерение сопротивления или электропроводимости измерение электрических потенциалов кожи
Рис. 1. Принципиальные различия активного (Фере) и пассивного (Тарханов) методов исследования
электрической активности кожи.
Таблица 3. Качественные характеристики методов измерения КГР
Характеристики Методы измерения КГР
Пассивный (Тарханов) Активный (Фере)
Возмущающее воздействие на объект исследования слабое от слабого до сильного
Помехоустойчивость плохая хорошая
Информативность состояние поверхности кожи, величина электродного потенциала, состояние подкожной структуры состояние поверхности кожи, состояние подкожной структуры,
Техническая реализация сложная (фильтрация, обработка и выделение полезного сигнала, масштабирование, преобразование) простая (формирование измерительного сигнала масштабирование, преобразование)
К негативным сторонам метода Фере следует отнести и то, что, пользуясь этим методом, регистрируют изменения двух видов сопротивлений: сопротивление самой кожи и контактного сопротивления
электродов.
Недостатком методики оценки ПФС обучаемого является то обстоятельство, что абсолютные значения ЭКС, фиксируемые в контрольных точках, весьма существенно различны у разных испытуемых даже при принципиально одинаковой форме кривой. Это объясняется различной силой нервных процессов, связанной как с индивидуальными особенностями ЦНС, так и со стадией развития контролируемого процесса у испытуемого. Кроме того, абсолютные значения ЭКС в принципе весьма индивидуальны, что делает невозможным сравнение этих показателей у разных испытуемых. Поэтому очевидно, что качественной оценки способности к изменению активности ЦНС совершенно недостаточно для успешного контроля функционального состояния. Для ведения контроля за силой и глубиной процесса, за его динамикой внутри одного качественного диапазона необходимо иметь возможность получения интегральной количественной оценки.
В соответствии с методикой, предложенной Ф.Я.Верховским и модернизированной О.В.Жбанковым, специалистами Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э.Баумана был разработан аппаратно-программный комплекс «Visual SGR», который позволяет объективно определять психофизическое состояние человека на основе относительного изменения электрокожного сопротивления.
Согласно теории генеза кожно-гальванической реакции секреторная деятельность потовых желез тесно связана с активностью нервной системы человека. Активация психомоторных функций вызывает обильное выделение пота, и сопротивление кожи падает. При обратном течении процесса пот поглощается, и сопротивление кожи растет. Причем первое состояние ЦНС принято называть концентрацией, а второе - релаксацией.
Анализ динамики электрокожного сопротивления привлекателен для исследования также и с практической стороны [8], это:
Отсутствие влияния постоянного сопротивления элемента «электрод-кожа» в измерительной цепочке. Система «электрод-кожа» представляет собой комплексное сопротивление и значительно влияет на результаты конечных измерений. Для его уменьшения необходимо использовать специальные электроды и смачивание поверхности контакта электрода с кожей токопроводящим раствором. При измерении относительного изменения сопротивления эта постоянная величина вычитается и не влияет на результаты, поэтому нет необходимости использовать специальные средства измерения.
Некритичность к постоянной погрешности измерения, обусловленной техническими характеристиками средства измерения. Такие требования существенно снижают стоимость технических средств, применяемых для измерения ЭКС.
Отсутствие влияния внешних факторов на показания измерения, таких как температура окружающей среды, помехи от бытовых электрических приборов и т.д. Все постоянные помехи в результате измерения самовычитаются.
Низкие требования к персоналу, принимающему участие в процессе измерения. Нет необходимости в навыках нахождения биологически активных точек. Электроды можно накладывать на любые участки кожи пациента.
Изолируясь от абсолютных значений ЭКС и принимая за физиологическую норму рост сопротивления в фазе релаксации и уменьшение сопротивления в фазе концентрации, можно строить объективную картину психофизического состояния человека.
Тестирование проводят по специальной программе. После наложения электродов на два различных
пальца одной из рук (обычно правой) и включения прибора проходит период установления переходных
процессов и стабилизации показателя ЭКС (1 мин). Затем следуют периоды релаксации (5 мин) и активации (3 мин) с установкой для испытуемого на достижение состояний максимального расслабления или мобилизации соответственно. В процессе тестирования фиксируются три ключевых значения сопротивления:
в конце первой минуты, по завершении переходных процессов ^1);
в конце шестой минуты, по завершении фазы релаксации ^2);
в конце девятой минуты, по завершении фазы активации ^3)
По окончании времени тестирования строится график, отражающий качественную сторону процесса, а также количественная оценка — индекс психофизического состояния (ИПФС).
Значение ИПФС рассчитывается условно по формуле:
ИПФС=R3/R1+R2/R1, т.е. определяется в условных единицах.
Переход в относительную систему вычислений позволяет решить три основные методические задачи, ограничивающие широкое применение технологии в педагогической практике:
1) "уход" от оперирования с индивидуальными абсолютными значениями ЭКС, находящимися в весьма широком диапазоне;
2) нейтрализацию влияния на точность измерений усилия прижатия электродов и места их наложения;
3) оценку именно силы процесса "релаксация - активация", что дает возможность его анализа как с качественной, так и с количественной стороны (индекс ПФС).
Градация значений ИПФС в пяти уровнях выгладит следующим образом: "ОТЛ", "ХОР", "УДОВЛ",
"НЕУД", "ПЛОХО". Использование такой дифференцированной оценки позволило разработать для каждого из теоретически возможных вариантов динамики ЭКС развернутые характеристики текущего состояния психофизической сферы и рекомендации по коррекции этого состояния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крауклис А.А., Алдерсонс А.А. Условия возникновения и закономерности динамики кожногальванической реакции // Физиология человека 1982, т. 8, № 6, с. 910 - 918.
2. Психофизиологические исследования ФС человека-оператора: Сб. ст. /Под ред. Фролова. - М.:
Наука, 1993.
3. Методика исследования и диагностики функционирования человека-оператора в экстремальных условиях. - М: Ин-т психологии АН СССР, 1987, с. 290.
4. Иванов Ю.К. История, теория и практика исследования КГР у человека. Киев, 197 4.
5. Алдерсонс А.А. Механизмы электродермальных реакций. - Рига: Зинатне, 1985.
6. Жбанков О.В., Толстой Е.В. - Технология контроля психофизического состояния студентов и
управления им. http://lib.sportedu.ru/press/tpfk/1997N8/p40-43.htm
7. Электрокожное сопротивление как показатель психофизического состояния человека.
www.skgr.narod.ru
8. Дмитрий Петров Электрокожное сопротивление как показатель состояния человека.
http://medinfa.ru/article/10 9/118112/
