Построение модели эмоционального состояния пациента на основе анализа кожно-гальванической реакции Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

4. Федотчев А.И., Бондарь А. Т., Ким Е.В. Адаптивное биоуправление с обратной связью и контроль функционального состояния человек //Успехи физиологических наук. - 2002. -Т.33. - №3. - С. 79-96.

5. Moss D. Heart Rate Variability (HRV) Biofeedback. //Psychophysiology today. - 2004. - V.1.

- Р. 4-12.

УДК 004.415.2

А.М. Унакафов, Е.И. Патана

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ЭМОЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПАЦИЕНТА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА КОЖНО-ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Проблема контроля и коррекции функционального состояния человека-оператора имеет высокую актуальность в современных условиях. Повышение требований к деятельности человека при взаимодействии со сложным оборудованием приводит к росту нервноэмоциональной нагрузки и формированию устойчивых стрессовых состояний, развитию неврозов и психосоматических заболеваний. Для своевременного выявления негативных изменений функционального состояния, их профилактики и устранения важным является контроль получения объективных данных о состоянии пациента, в частности - эмоциональном.

Методы контроля эмоционального состояния человека начали разрабатываться еще в шестидесятые годы ХХ века, в настоящее время описаны десятки конкретных методов и приемов [2], рекомендуемых для использования в диагностических целях. В качестве индикаторов динамики эмоционального состояния человека рассматриваются разнообразные показатели, в частности электроэнцефалограмма, электромиограмма, кожно-

гальваническая реакция, частота сердечных сокращений, тонус сосудов, величина диаметра зрачка и многие другие. Однако важной и не вполне решенной на данный момент проблемой является интерпретация зафиксированных изменений; известно, что изменения физиологических показателей может быть связано как с реакциями человека на внешние факторы, так и с фоновой спонтанной активностью. Высокая спонтанная активность, как правило, является признаком возбуждения, часто - неблагополучного эмоционального состояния [1]. Помимо диагностической ценности, анализ спонтанной активности важен при разработке методов тренировки эмоционального самоконтроля человека.

В частности, одной из задач такого анализа является выявление характерных уровней спонтанной активности [3]. В данной работе рассматривается построение модели эмоционального состояния пациента на основе анализа кожно-гальванической реакции (КГР) в состоянии покоя и выявления трех наиболее характерных уровней фоновой активности.

Будем рассматривать физическую составляющую КГР как дискретную случайную величину ^, подверженную влиянию большого числа факторов, и, как следствие, распределенную по нормальному закону £ єN(т,—) с плотностью

( ( Ч 2 Д

(х - m )

f (х ) = —72=ехР

— 2п

2—2

Предположение о законе распределения справедливо в силу центральной предельной теоремы (теоремы Ляпунова).

Для случайной величины % экспериментально получена выборка ограниченного объема (, х2,..., хя), х/ > 0, V/ е[0, N ]. В работе ставится и решается задача определения

по элементам данной выборки трех фаз психоэмоционального состояния пациента: спокойствия, среднего фонового возбуждения, высокого фонового возбуждения.

Для определения оценок математического ожидания т и дисперсии а2 случайной величины % воспользуемся следующими формулами соответственно:

где N - объем выборки. Оценки (1) являются состоятельными, ах - несмещенной и эффективной.

В качестве значения уровня спокойствия Х0 целесообразным представляется использовать наиболее часто повторяющиеся значения случайной величины %, т.е. моду распределения. Однако, в силу того, что в процессе измерения КГР возможны проявления случайных факторов внешней среды (артефакты записи, дрейф нуля фазической составляющей КГР в следствие поляризационных эффектов), использование моды является не вполне оптимальным, что было подтверждено результатами экспериментов. Следовательно, необходима другая числовая характеристика распределения, позволяющая более корректно оценить уровень спокойствия. По известному в теории вероятности правилу трех сигм

имеет место неравенство р {% - т| < 3а} , что означает практически полное сосредоточение нормальной случайной величины в интервале ((т-За),(т + 3а)). Рассмотрим интервал наиболее вероятных значений для %, а именно: ((х - Бх), (х + Бх)), который показан на рис. 1 серым цветом.

На указанном интервале найдем оценку математического ожидания случайной вели-

х+Sx

чины [ х/(х)ёх. Для построения дискретного аналога указанного интеграла восполь-

х0 = х - Бх, xN-1 = х + Бх - Ах. Значение оценки рассматриваемого математического ожидания будет соответствовать значению Х0.

(1),

і=0

Рис. 1. Пример распределения случайной величины %

Значению уровня средней фоновой активности Х1 будет естественным поставить в соответствие точку перехода от наиболее часто повторяющихся значений х/ к менее повторяющимся на распределении случайной величины ^, т.е. Х1 = х + ^, т.к Ух1 > 0 ,

V/ е [0, N] .

Для нахождения значения уровня высокого фонового возбуждения Х2 найдем площадь фигуры, показанной на рис. 1 штриховкой. Эта фигура соответствует той части выборки, значения которой оказались выше среднего уровня фонового возбуждения. Вычис-

ляется площадь этой (

фигуры по формуле | / (х) ёх, где х

- максимальное значение

исходной выборки, в нашем случае для дискретной случайной величины ^ / (х, )Дх.

х, = х+Sz

Так как необходимо найти не случайные всплески КГР, а именно средний уровень высокого фонового возбуждения, то решим интегральное уравнение относительно

: | /(хх)ёх =1 | /(хх)ёх, Для построения дискретного аналога указанного интегра-

2_

ла

І 1 N-1

вновь воспользуемся формулой левых прямоугольников: Ах^ / (хі ) = 2 Ах'Е f (х),

і=0 2 і=0

N =

хтах - (х + ^х )

Ах

хі = х + + і Ах, х0 = х + Бх, xN-1 = хтах - Ах . Значению Х2 по-

ставим в соответствие решение этого уравнения хІ.

Результаты работы метода на реальных результатах съема КГР представлены на рис. 2, а и 2, б.

.

а

б

Рис. 2. КГР. а - уровни на гистограмме значений КГР; б - уровни на графике КГР

На рис. 2, а в дополнение к порогам изображена мода. На рис. 2, б несложно видеть, что Х0 обеспечивает оптимальное определение уровня спокойствия по сравнению с мо-

л.

дой, значение которой в данном случае ниже. X1 достаточно точно определяет уровень среднего фонового возбуждения. Из рисунков становится ясным физический смысл Х2 -чем чаще и сильнее превышает КГР уровень Х1, тем сильнее Х2 отличается от Х1. Относительно небольшое отклонение Х2 от Х1 в рассматриваемом примере связано с небольшим (2 раза) числом превышений реакцией уровня Х1 .

На основании анализа соотношения величин Х0, Х1 и Х2 можно судить об эмоциональном состоянии человека. Так, очевидно, что небольшие отклонения Х2 и Х1 от Х0 свидетельствуют о спокойном состоянии пациента, а, напротив, существенные отклонения - о возбуждении или общем высоком уровне фоновой активности, который может быть связан, например, с высокой степенью концентрации на внутреннем мире характерной для интровертов. Различить эти две ситуации можно, например, с помощью психологического тестирования.

В качестве показателей эмоционального состояния пациента могут быть использованы,

ХХ

например —-, —- . В ряде методов физическая составляющая КГР рассматривается с

Х0 Х0

учетом изолинии («дрейфующего нуля»). В этом случае Х0 к 0 и целесообразно использовать такие показатели, как Х1 - Х0 и Х2 - Х0. Следующим шагом представленной работы будет являться построение экспертной системы на основе представленной модели, что требует проведения дополнительных работ совместно с психофизиологами для более корректного моделирования оптимальных показателей и настройки индивидуальных для каждого пациента пороговых значений.

Результаты данной работы могут быть использованы как самостоятельно, так и в качестве промежуточных для получения более точной информации о состоянии пациента. В частности, перспективным представляется исследование психоэмоционального состояния с помощью анализа характеристик реакций, достигающих пороговых уровней (Х1, Х2) -частоты из появления, спектральных и вероятностных характеристик и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Астапов В.М. Функциональный подход к изучению состоянии трево-ги//Психологический журнал. 1992. Т. 13. - №5. - С. 111.

2. Леонова А.Б. Психодиагностика функциональных состояний человека. - М.: МГУ, 1984.

- 200 с.

3. Михалевская М.Б. О возможности использования некоторых свойств кожногальванического рефлекса при определении порога. «Доклады АПН РСФСР». - № 1. 1962.

УДК 612.8.04

А.В. Адамчук

ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПСИХИЧЕСКОЙ СТРЕССОУСТОЙЧИВОСТИ НА ОСНОВЕ БОС-ТРЕНИНГА

Информационная теория эмоций Симонова П.В. [1] указывает на два основных пути борьбы с негативными эмоциональными состояниями.