CC BY
119
ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ МОЗГА У ЛЕТЧИКА ПРИ ГРАВИТАЦИОННОМ СТРЕССЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ НА ЦЕНТРИФУГЕ
Н.Н. Василевский
А.Л. Евстигнеев1, С.Н. Филипенков1, А.М. Клочков1
1 - Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова (ЛИИ), г. Жуковский, Россия
E-mail: flvsim-lii@mtu-net.ru 2 - НИИ Экспериментальной медицины АМН СССР
Количественный анализ результатов электроэнцефалографии (ЭЭГ) позволяет разработать показатели уровня психической нагрузки и выраженности психофизиологических реакций на перегрузки летного труда. Целью работы являлась апробация активных электродов на динамическом пилотажном стенде (ДПС) и определение ЭЭГ - индикаторов утомления в случае моделирования наиболее напряженных пилотажных задач маневрирования. При 70-секундных профилях перегрузок 2, 5 и 9 G (со скоростью нарастания ~1 ед/с и длительностью каждой площадки - 20 с) с участием двух добровольцев (новичка и опытного летчика - испытателя) моделировали полет в сочетании с операциями слежения за другим летательным аппаратом (ЛА) и одновременно регистрировали ЭЭГ в лобно-затылочном биполярном отведении. Каждые 20 с моделирования выполнялся анализ ЭЭГ методом быстрого преобразования Фурье. Из спектральной функции выделили следующие ритмы: 8 (0,5-4,0 Гц), 0 (4-8 Гц), а (8-13 Гц) р (13-30 Гц). у-ритм и высокочастотный спектр ЭЭГ не анализировали по причине использования в экспериментальном устройстве двух узкополосных фильтров (40 и 50 Гц).
ЭЭГ характеристиками гравитационного стресса при моделировании пилотажных перегрузок являлись высокая 8 и 0 активность при низкой а и р активности в лобно-затылочном биполярном отведении. Мощность а - ритма, также как и соотношение мощности а/р составляющих спектральной функции, относительно возрастало лишь при визуальном контроле испытателями собственных двигательных операций. Была подтверждена отрицательная корреляция между а -индексом и качеством сенсомоторных реакций в задаче слежения, в том числе, при ухудшении координации и дезинтеграции психофизиологических реакций в задаче управления объектом. Однако, не удалось выявить различий в ЭЭГ показателях между опытным летчиком-испытателем и новичком, впервые участвовавшим в исследованиях. Для определения вклада гравитационного стресса в психофизиологическую нагрузку от летной деятельности необходимо продолжить исследования с привлечением опытных летчиков.
Результаты настоящего исследования свидетельствуют об оптимальности использования активных электродов для надежной регистрации ЭЭГ у летчиков. При пилотировании спектральные характеристики 8-, 0- и а-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. Однако уровень исходной летной подготовки не повлиял на характеристики ЭЭГ при моделировании маневренного полета с высокими гравитационными перегрузками.
Введение
На центрифуге (ЦФ) проведены исследования по регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с помощью накладных активных электродов. В качестве чувствительного элемента активного датчика применялся чашечкообразный Л§/Л§ С1 стандартный ЭЭГ - электрод, на котором крепился бескорпусный транзистор, обеспечивающий предварительное усиление сигнала. Система съема и регистрации биотоков мозга состояла из следующих основных элементов: активных и индифферентных электродов для отведения ЭЭГ - сигнала в стандартных монополярных отведениях в международной системе 10/20 ^, Fd, Os, Od, Cs) и в лобно-затылочном биполярном отведении; специального, эластичного, металлизированного шлема с натяжным замком; усилителей, фильтра низких частот ^ = 4 Гц), фильтра высоких частот ^ = 40 Гц) и режекторного фильтра ^ р = 50 Гц), гальванической развязки, соединительных кабелей для передачи сигналов от обследуемого к самописцу - регистратору.
Методика
В процессе подготовки обследуемого к эксперименту фиксация электродов производилась в лобно-затылочном биполярном отведении при помощи
медицинского клея. После этого, 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 операций управления и использовании оператором защитного шлема, кислородной маски и противоперегрузочного костюма.
После размещения испытателя в имитаторе кабины летательного аппарата (ЛА) производилось подключение кабельной линии к аналоговому блоку обработки и к регистратору сигнала. Измерение биопотенциалов мозга и регистрация ЭЭГ производилась в двух диапазонах полосы частот Д^=4-32 Гц (полная ЭЭГ) и Дf2=8-12 Гц (отфильтрованный а - ритм). Перед вращением на ЦФ и сразу же после его окончания регистрировали также фоновую ЭЭГ в стандартных монополярных отведениях по международной системе 10/20 (Те, Fd, Os, Od, Cs) и в лобнозатылочном биполярном отведении. 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.
Выполнение оператором целевой задачи по управлению абсолютным и относительным движением двух объектов 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. На фоне выполнения двумя испытателями (опытным летчиком и новичком) операций с органами управления во время моделирования маневра ЛА на организм летчика 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 в лобно-затылочном биполярном отведении.
Результаты и обсуждение
На рис. 1-3 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 анализа представленных фрагментов ЭЭГ, полученные результаты свидетельствуют о том, что при регистрации в диапазоне частот Д^ на полной записи ЭЭГ (верхняя кривая на представленных иллюстрациях) удается выявить следующие ритмы: - 5 (1-4 Гц), 9 (4-8 Гц), а (8-13 Гц) и в (13-30 Гц). В случае фильтрации в узком диапазоне частот 8-12 Гц при регистрации ЭЭГ в диапазоне Дf2 (нижняя кривая на всех представленных иллюстрациях) надежно выявляется лишь высокоамплитудный а-ритм, который можно использовать для формирования различных вариантов способа биотехнического управления. Подобный вариант использование а-ритма является наиболее перспективным поскольку целый ряд отечественных и зарубежных авторов применяли подобные методики
биоуправления в летной практике и при экспериментах на ЦФ для оценки состояния ЦНС и мониторинга работоспособности летчика в наиболее сложных условиях пилотирования ЛА при действии ускорений и больших перегрузок [1,2,7,9-14].
Рис. 1. Регистрация ЭЭГ в левом лобнозатылочном биполярном отведении при перегрузках 2 единицы: «глаза открыты» во время «движения правой и левой рукой поочередно», а затем «упора в правую и левую педаль поочередно».
Рис. 2. Регистрация ЭЭГ в левом лобнозатылочном биполярном отведении при перегрузках 5 единиц: «глаза открыты» во время «движения правой и левой рукой поочередно», а затем «упора в правую и левую педаль поочередно».
М^Л'.'лу',
Рис. 3. Регистрация ЭЭГ в левом лобнозатылочном биполярном отведении при перегрузках 9 единиц: «глаза открыты» во время «движения правой и левой рукой поочередно», а затем «упора в правую и левую педаль поочередно».
Благодаря использованию активных электродов, усиливавших ЭЭГ-сигнал, а также с помощью фильтрации ЭЭГ в диапазоне частот Д^=4-32 Гц (верхняя кривая на каждой из иллюстраций) 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 стандартной 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 аваиционно-космической области. В наших экспериментах не наблюдалось достоверных изменений характеристик а-ритма под действием гравитационного стресса 2-9 единиц G на протяжении всей циклограммы моделирования полета на ЦФ. Однако, И.Б. Ушаков и соавт. [9], А.Ф. Изнак и соавт. [3,15] в летных исследованиях, а также А.Ф. Хижун и соавт. [6,8] в наземных экспериментах обнаружили, что вспышки а-ритма, изменение его декремента затухания и любые смещения его спектральных показателей соответствуют эпизодам снижения качества слежения и грубым ошибкам операторской деятельности в экстремальных условиях.
После оцифровки записей ЭЭГ, полученных в диапазоне частот Д^=4-32 Гц и зарегистрированных в течение 20-секундной площадки на перегрузках от 2 до 9 ед., был выполнен спектральный анализ ритмов ЭЭГ на персональной ЭВМ с помощью программы быстрого преобразования Фурье. Результаты спектрального анализа для перегрузки 9 единиц представлены на рис. 4.
Спектральный анализ подтвердил наличие 9 -ритма с пиком на частоте 4 Гц и а ритма с пиком на частоте 10 Гц. Наличие двух пиков 5 - ритма в диапазоне 1-4 Гц (пунктирная кривая) не было достоверным, т.к. применялась фильтрации ЭЭГ в диапазоне частот Afi=4-32 Гц. Между тем, в современных исследованиях ЭЭГ в полете на реактивных ЛА и при тренировках на пилотажных стендах уделяется большое внимание именно спектральным характеристикам, которые обнаруживают высокую корреляцию с состоянием ЦНС при решении сложных задач пилотирования ЛА [9,11,16,17]. Более того, усиление 5 и 9 - ритма считается характерным для наиболее сложных операций взлета и посадки ЛА [1,9,12,13,18]. В некоторых исследованиях 5 и 9 -ритмы также отмечаются перед потерей сознания в результате воздействия высоких перегрузок [1,2,9]. Причем в работе специалистов ГНИИИ Военной медицины [9] в требованиях к создаваемой бортовой автоматизированной системе опасного состояния при действии пилотажных перегрузок определены следующие предельные изменения показателей ЭЭГ: сдвиг частоты пика а-ритма за пределы диапазона 8-13 Гц, а также появление 5 и 9 ритмов. Результаты экспериментов на ЦФ с активными электродами для регистрации ЭЭГ у летчиков при моделировании близких к реальным условиям профессиональной деятельности показали перспективность использования таких электродов. За рубежом в XXI веке создано третье поколение активных электродов датчиков, например, система Acti Cap фирмы Brain Products Gmbh [5]. 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 [10,16]. Исследования в данном направлении, начатые в ЛИИ в 1988 году, остаются актуальными и сегодня. 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
По сравнению со стандартной методикой исследования ЭЭГ разработанная система регистрации с активными электродами более надежна и хорошо адаптирована к применению защитного снаряжения летчика, что позволяет рекомендовать ее к применению в психофизиологических и других медикобиологических исследованиях операторской деятельности человека.
1. Барер А.С., Зубавин В.Б. Характер ЭЭГ и работоспособность человека при действии ускорений, направленных по оси «спина - грудь». Проблемы косм. биол., т. IV, М., 1965, с. 349.
2. Барер А.С., Зубавин В.Б. ЭЭГ человека при действии ускорений. В кн.: Электрофизиология нервной системы. Ростов на Дону, 1963, с. 36-39.
Рис. 4. Спектральные характери-тики ЭЭГ при выполнении операторской деятельности по моделированию пилотирования ЛА на перегрузке 9 единиц.
3. Изнак А.Ф., Чаянов Н.В. Экспресс-диагностика функционального состояния оператора в процессе профессиональной деятельности. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции «Экстремальная физиология, гигиена и средства индивидуальной защиты человека». М., ИБФ МЗ СССР, 1990, с. 471.
4. Каплан А.Я. Проблемы и перспективы интерфейса «мозг - компьютер». Тезисы докладов ХХ - го съезда физиологического общества им. И.П. Павлова, М., 2007, с. 45.
5. Проспект фирмы Нейроботикс (г. Зеленоград, Московской области). МАКС-2007, с. 1-6.
6. Сайко Ю.В., Кислухин С.Р., Рябцев К.Л., Хижун А.Ф. Декремент затухания
альфа - ритма как индикатор изменений функционального состояния человека в
экстремальных условиях Тезисы докладов III Всесоюзной конференции «Экстремальная физиология, гигиена и средства индивидуальной защиты человека». М., ИБФ МЗ СССР, 1990, с. 508-509.
7. Ступаков Г.П., Ушаков И.Б. Авиационная антропоэкология. М. - Воронеж, 1999, с. 297-338.
8. Хижун А.Ф. Декрементные характеристики альфа - ритма человека в фоне, при рутинных умственных нагрузках и в некоторых неординарных ситуациях. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции «Экстремальная физиология, гигиена и средства индивидуальной защиты человека». М., ИБФ МЗ СССР, 1990, с. 515.
9. Ушаков И.Б., Хоменко М.Н., Дворников М.В., Вартбаронов Р.А., Черняков
И.Н., Степанов В.К., Сухолитко В.А., Шишов А.А., Усов В.М. Бортовая активная система обеспечения безопасности полета. В кн.: Актуальные проблемы
авиационной и космической медицины. Материалы всеармейской научной конференции посвященной 45-летию кафедры авиационной и космической медицины ВМА. Санкт-Петербург, 2003, с. 71-73.
10. Dussault C., Jouanin J-C., Guesenec C.Y. EEG and ECG changes during selected flight sequences. Aviat. Space Environ. Med., v. 75, N 10, 2004, pp. 889-897.
11. Dussault C., Jouanin J-C., Philippe M., Guesenec C-Y. EEG and ECG changes
during simulator operation reflect mental workload and vigilance. Aviat. Space Environ.
Med., v. 76, N4, 2005, pp. 344-351.
12. Franks W.R., Kerr W.K., Rose B. Some neurological signs and symptoms produced by centrifugal force in man. J. Physiol. V.104, N1, 1945, pp. 10P-11P.
13. Houghton J.O., McBride K.D., Hannah K. Performance and physiologic effects of acceleration induced loss of consciousness. Aviat. Space Environ. Med., v. 56, N 11, 1985, pp. 956-965.
14. Hankins T.C., Wilson F.G. A comparicion of heart rate, eye activity, EEG, and subjective measures of pilot mental workload during flight. Aviat. Space Environ. Med., v. 69, N 3, 1998, pp. 360-367.
15. Iznak A.F., Chayanov N.Y., Akimenkov A.V. Human EEG alpha during simulated and real jet-plane piloting. Abstracts of the First International Aerospace Congress (IAC’94) “Theory, Applications, Technologies”, Moscow, 1994, p. 52-53.
16. Schwartz-Ottersbach E., Goldberg L. Activation levels, EEG, and behavioural responces. Int. J. Psychophysiol. 1986, v. 4, N1, pp. 7-17.
17. Sterman M.B., Mann C.A. Concepts and applications of EEG analysis in aviation performance evaluation. Biol. Psychol. 1995, v. 40, N1, 115-130.
18. Stupakov G.P., Khomenko M.N. Increase of High Sustained +Gz Tolerance at the Expense of Pilot's Working Posture Change. Ch. 6 in AGARD LECTURE SERIES No. 202: “Current Concepts on G-Protection Research and Development” 15-16 June 1995 Ohio, USA; Konigsbriick, Germany; Famborough, UK.
