CC BY
63
3
БИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
ВЫЯВЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ ЛЮДЕЙ ПРИ ВОСПРИЯТИИ МУЗЫКИ
МЕТОДОМ ГРВ А.Ю. Гришенцев, Е.В. Исаева, Е.Н. Петрова, А.В. Шапин Научный руководитель - д.т.н., профессор К.Г. Коротков
Проведено исследование по выявлению реакций людей при восприятии музыки и синемафонии (исполнение симфонии сопровождается показом кинофильма) в следующих режимах: слушатель (прослушивание музыки), зритель (просмотр фильма без музыки), свидетель (просмотр синемафонии).
Введение
Свечение объектов различной природы в электромагнитных полях высокой напряженности было обнаружено более 200 лет назад и с тех пор постоянно привлекало внимание исследователей [1]. Однако только с созданием программно-аппаратных комплексов газоразрядной визуализации (ГРВ) в 1995 году исследование этих свечений получило статус научного направления. С тех пор были детально исследованы физические механизмы формирования свечений [2]. Было показано, что характеристики свечения поверхности кожного покрова человека зависят, в первую очередь, от активности вегетативной нервной системы с учетом системы адаптационных уровней [3].
Программно-аппаратные ГРВ биоэлектрографические комплексы нашли практическое применение в следующих основных областях:
• медицина - для анализа состояния вегетативной нервной системы и мониторинга реакций организма в процессе проводимой терапии [4];
• спорт - для оценки уровня соревновательной готовности спортсменов [5];
• исследование жидкостей и материалов - для выявления отличия натуральных и синтетических масел [6], оценки качества косметических препаратов [7], волос человека [8], опасности аллергенов по параметрам ГРВ свечения образцов крови и целого ряда других приложений.
Данная работа посвящена исследованию по практическому применению метода газоразрядной визуализации для выявления реакций людей при восприятии музыкального произведения и синемафонии. Основные задачи:
• выявление критических интервалов реакции и корреляция этих областей у отдельных людей и в целом по группе;
• выявление амплитуды реакции в критических областях;
• сопоставление амплитуд Слушатель + Зритель => Свидетель;
• выявление эмоциональных резонансов и оценка уровня психической энергии для перехода между состояниями Слушатель + Зритель => Свидетель;
• прямой синтез слух + зрение - топографическое смещение внимания.
Физические принципы формирования изображений при газоразрядной визуализации
Для понимания принципов работы приборов газоразрядной визуализации (ГРВ) рассмотрим принципиальную схему устройства прибора (рис. 1).
Исследуемый объект помещается на поверхности диэлектрической (в большинстве модификаций - кварцевой) пластины, на которую подаются импульсы напряжения от импульсного генератора, для чего на обратную сторону пластины нанесено прозрачное
токопроводящее покрытие. При высокой напряженности поля в газовой среде пространства контакта объекта и пластины развивается разряд в газовой фазе, носящий название «скользящий газовый разряд» [9], параметры которого определяются свойствами объекта. Свечение разряда 6 с помощью оптической системы и ПЗС-камеры преобразуется в видеосигналы, которые поступают в виде одиночных кадров или серии кадров в компьютер. Специализированный программный комплекс позволяет провести обработку изображений (ГРВ-грамм), представляющих собой пространственное распределение освещенности, зависящее от состояния исследуемого объекта.
9 10
Рис. 1. Принципиальная схема метода газоразрядной визуализации (ГРВ): 1 - исследуемый объект; 2 - диэлектрическая пластина (кварц); 3 - прозрачное токопроводящее покрытие; 4 - генератор импульсов; 5 - скользящий газовый разряд; 6 -свечение разряда; 7 - оптическая система и ПЗС-камера; 8 - компьютер; 9, 10 - система связанных 1_О контуров, образованных элементами схемы прибора и эквивалентной емкостью исследуемого объекта
а
б
Рис. 2. Примеры ГРВ-грамм: а - палец руки практически здорового человека; б - палец руки кардиологического больного; в - палец руки человека в стрессе; г - капля жидкости
в
г
Для примера на рис. 2 приведены изображения газоразрядного свечения пальцев рук человека, типичные для различных состояний здоровья. У практически здорового человека (рис. 2а) свечение равномерное и яркое по всей окружности пальца. У больного (в данном примере кардиологического) свечение характеризуется меньшей яркостью и наличием провалов свечения (рис. 2б), в то время как у человека в состоянии физиологического стресса (рис. 2в) это свечение имеет только ряд отдельных выбросов. На этом же рисунке приведено характерное свечения капли жидкости (рис. 2г), несущее информацию о ее физико-химических свойствах.
Анализ больших баз данных людей в различном состоянии позволил с помощью методов компьютерной обработки изображений определить комплекс параметров, которые в ряде случаев позволяют формировать диагностические заключения. В специализированном программном ГРВ-комплексе вычисляются следующие параметры: площадь изображения (количество пикселей изображения ненулевой яркости), распределение пикселей изображения по яркости и ряд других, описываемых ниже.
При всем многообразии конкретных технических решений сущность процесса визуализации может быть сведена к некоторой теоретической схеме [2]. Первичным процессом является процесс взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с объектом исследования, в результате которого при определенной напряженности ЭМП с поверхности объекта возникает эмиссия заряженных частиц и фотонов, участвующих в инициировании начальных фаз газового разряда. Газовый разряд, в свою очередь, может влиять на состояние объекта, вызывая вторичные эмиссионные и тепловые процессы. Неоднородность поверхности и объема исследуемого объекта, процессы эмиссии заряженных частиц или выделения газов оказывают влияние на параметры электромагнитного поля, за счет чего изменяются характеристики тока разряда и оптического излучения. При этом основная информация извлекается из характеристик свечения. Приемник излучения преобразует пространственное распределение освещенности в изображение, анализ которого приводит к формированию набора параметров. Из параметров строится симптомокомплекс, необходимый для формирования заключения: анализа состояния пациента при конкретном заболевании, количественной оценки уровня психоэмоциональной реакции испытуемого на воздействующие стимулы, оценки уровня стресса и так далее. Дополнительная информация извлекается из анализа динамических рядов изображений, т.е. временной динамики процессов [10].
Методика эксперимента
Эксперимент проводился в три последовательных этапа. Была набрана группа из 10 человек. На первом этапе испытуемые прослушивали седьмую симфонию Д. Д. Шостаковича, на втором просматривали специально подобранную документальную кинохронику режиссера Г. Параджанова, а на третьем им была представлена синемафония (классическое исполнение седьмой симфонии Д. Д. Шостаковича с показом документальной кинохроники).
Запись данных проводилась со среднего пальца правой руки испытуемых в течение всего времени исполнения музыки, а также 3 минут до начала и 3 минут после окончания музыкального произведения. Использовались приборы «ГРВ Компакт», работающие в автоматическом режиме: каждые 15 секунд подавался импульс напряжения, и проводилась запись сигнала свечения с пальца исследуемого в компьютер. По окончании каждого эксперимента все данные обрабатывались: вычислялись параметры свечения и строились временные ряды этих параметров.
Для определения статистически значимых точек реакции исследуемых для каждого участка симфонии вычислялись средние значения сигнала по временному участку, и определялись 25 % и 75 % перцентали. Вычислялись все точки, имеющие значения, выходящие за величины перценталей. Эти точки представляли собой статистически
значимые отклонения от среднего уровня с учетом вариации, т.е. статистически значимые реакции психофизиологического состояния исследуемых на музыкальные моменты. Значения реакции могли быть как положительны, так и отрицательны, в обоих случаях они характеризовали эмоционально значимые моменты для данного человека. Строились графики временных зависимостей этих отклонений, вычислялись линии тренда путем усреднения по каждым 5 точкам. Такая обработка позволяет наглядно представить кривую изменения энергетики человека и оценить выраженность психоэмоциональной реакции в различных частях симфонии.
Алгоритм построения графиков
Построение индивидуального графика эмоциональная реакция каждого исследуемого осуществлялось по следующей схеме.
• Полученная серия ГРВ-грамм обрабатывалась в программе «GDV Scientific Laboratory» c формированием файла числовых параметров.
• Полученные данные (сформированный файл) переносились в программу Excel.
• Из вычисленных параметров для дальнейшего анализа использовалась только площадь изображения.
• Вычислялась площадь свечения пальца в относительных величинах по формуле
А _ =ук , (1)
где Аотн - площадь свечения в относительных величинах, А - площадь свечения в пикселях, А ср - средняя площадь свечения по рассматриваемой части симфонии.
• Строился график А отн (t), где t - время по хронометражу.
• На построенном графике строилась линия тренда по формуле
р^ = At + At-i +... + At-n+i (2)
n
где Ft - значение точки линии тренда, Аt - значение точки ряда данных, n - значение периода.
Построение усредненного графика эмоциональной реакции по каждой группе (слушатель, зритель, свидетель) проводилось в следующем порядке.
• Для испытуемого находились точки, выходящие за 25 % и 75 % перцентили.
• Вычислялось отклонение этих точек от перцентилей и сводилось в отдельную таблицу для всей группы. Отклонение от перцентилей находилось по следующему алгоритму :
If area > per 75 Then G = area - per 75 End If
If area < per 25 And area <> 0 Then G = area - per 25 End If,
где area - значение площади свечения в относительных единицах, per 25 и per 75 -значение 25 % и 75 % перцентили, G - значение отклонения от перцентили.
• В таблице находилось среднее значение отклонений в каждый момент времени по группе (по каждой строчке).
• Строился график Fcp (t), где t - время по хронометражу.
Построение сравнительного графика количества реакций в группе в процентах (реакцией в данный момент времени назвали превышение сигнала выше 75 % или ниже 25 % перцентили) проводилось по следующей схеме.
• По группе находили процент реакций в каждый момент времени.
• Для сопоставления данных для разных режимов измерения на одной координатной оси строили графики зависимости процента реакций каждой группы от времени.
Результаты исследования
-10 per. Mov. Avg. (Свидетель) -10 per. Mov. Avg. (зритель)
-10 per. Mov. Avg. (Слушатель)
другой видео ряд -10 per. Mov. Avg. (Свидетель)
-10 per. Mov. Avg. (зритель) -10 per. Mov. Avg. (Слушатель)
10 per. Mov. Avg. (другой видео ряд)
Рис. 3. Временная зависимость отклонений от перцентилей площади свечения во время прослушивания симфонии с графиками усреднения по 5 точкам в различных режимах
Одним из направлений исследования было выявление специфичности созданного видеоряда. Для этого был проведен эксперимент по регистрации реакции той же группы испытуемых на музыку седьмой симфонии Шостаковича при одновременном просмотре другого видеоряда. На рис. 3 приведены графики реакций по всему времени симфонии для трех режимов и с наложением графика реакций при другом видеоряде. Анализ этих графиков позволяет сделать следующие выводы.
1. В начальной фазе, примерно до 1600 с, реакция на другой видеоряд существенно отличается от реакции на синемафонию.
2. В области 1700-2000 с наблюдаются согласованные пики реакции, в основном с режимом «свидетель».
3. Наиболее выраженная реакция, хорошо согласованная как со Зрителями, так и со Свидетелями, наблюдается в области 2400-3000 с. Этой области соответствует сильная эмоциональная реакция.
4. В последних частях симфонии можно отметить некоторое соответствие реакций, однако происходящее со значительным сдвигом во времени.
5. Практически не наблюдается корреляций с реакциями Слушателей.
Эти результаты могут быть интерпретированы как доказательства сильного влияния эмоционально значимых моментов музыки Шостаковича, даже при наличии раздражающего влияния «постороннего».
Заключение
В ходе проведенных исследований были зафиксированы реакции большой группы испытуемых на воздействие музыки седьмой симфонии Шостаковича в режимах прослушивания музыки (Слушатель), просмотра видеоматериала без музыки (Зритель) и синемафонии (Свидетель). На первом этапе был исследован ряд испытуемых при произвольном характере чередования режимов. Анализ данных показал, что для адекватных выводов необходимо провести обследование группы испытуемых при смене режимов в определенном порядке. Анализ экспериментальных данных для обеих групп позволяет сделать следующие заключения:
1. Разработанный метод регистрации и обработки экспериментальных данных позволяет выявлять статистически значимые критические интервалы реакции испытуемых на воздействие музыки и/или видеоряда.
2. Количество критических интервалов зависит от выбора уровня значимости реакции путем определения граничной перцентили. Экспертным путем выбраны 25 % и 75 % перцентили. Это означает, что значимыми признаются реакции, превышающие на 75 % средний уровень вариабельности сигнала в обе стороны.
3. Критические интервалы ранжируются по степени реакции в группе (процент среагировавших в данном интервале).
4. Выявлены амплитуды реакции в критических интервалах, как индивидуальные, так и усредненные по группе.
5. Показано, что статистически значимые критические интервалы реакции коррелируют у различных испытуемых между собой и по отношению к групповым реакциям.
6. Сопоставление реакций в режимах Слушатель => Зритель => Свидетель показало наличие большого количества согласованных критических интервалов реакции, в ряде случаев сдвинутых относительно друг друга по времени.
7. Этот факт свидетельствует об объективном характере воздействия музыки седьмой симфонии Шостаковича вне зависимости от момента прослушивания и личности испытуемого.
8. Эмоциональные реакции Свидетелей, как правило, были более сильными по амплитуде по сравнению со Слушателями. Это свидетельствует о комплексном характере воздействия синемафонии через различные сенсорные системы с формированием эмоциональных резонансов на физиологически значимом уровне.
9. У Зрителей наблюдался ряд согласованных резонансов по сравнению со Свидетелями. Это может быть интерпретировано как свидетельство высокой степени корреляции эмоционального содержания видеоряда и музыкальных фраз.
10. Амплитуда эмоциональных резонансов Зрителей в ряде случаев превышала амплитуду реакций в других режимах. Это может быть интерпретировано как признак концентрации внимания на одной сенсорной системе (видеоряд) при отсутствии других сенсорных раздражителей.
11. Можно говорить о прямом синтезе Слух + Зрение, вызывающем топографическое смещение во внимание.
12. Введение случайного видеоряда приводило к появлению целого ряда эмоциональных реакций, не совпадающих с реакциями в исследованных режимах. Это подтверждает вывод об усилении эмоциональных резонансов в режиме синемафонии.
13. Разработанный подход может быть использован для исследования влияния музыкальных произведений на психоэмоциональное состояние человека.
14. Полученные данные хорошо согласуются с опубликованными результатами экспериментов по приборной регистрации психоэмоциональных реакций человека на музыку.
Литература
1. Коротков К.Г. Эффект Кирлиан. СПб: Ольга, 1995. 218 с.
2. Коротков К.Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. СПб: СПбГУ ИТМО, 2001. 356 с.
3. Полушин Ю.С., Струков Е.Ю., Широков Д.М., Коротков К.Г. Возможности метода газоразрядной визуализации в оценке операционного стресса у больных с абдоминальной хирургической патологией // Вестник хирургии. 2002. Т.161. №5. С. 118.
4. Александрова Р.А., Шульга А.Ф., Петровский И.Д., Галкина О.В., Нутфуллина Г.М., Зайцев С.В., Магидов М.Ю., Пягай Е.И. Результаты лечения больных с мультимор-бидной патологией с помощью малых воздействий // Ученые записки СПб ГМУ им. акад. И.П. Павлова. 2002. Т.1Х. № 4. С. 75-78.
5. Бундзен П.В., Коротков К.Г., Короткова А.К., Макаренко А.И. Результаты и перспективы использования технологии квантовой биофизики в подготовке высококвалифицированных спортсменов. // Теория и практика физической культуры. 2003. №3. С. 26-43.
6. Бундзен П.В., Коротков К.Г., Короткова А.К., Мухин В.А., Прияткин Н.С. Психофизиологические корреляты успешности соревновательной деятельности спортсменов Олимпийского резерва. // Физиология человека. 2005. Т. 31. № 3. С. 1-9.
7. Коротков К.Г., Крыжановский Э.В., Филатов С.И., Филиппосьянц Ю.Р. Метод выявления лиц, склонных к совершению противоправных действий. М.: ГУ НПО «Специальная техника и связь» МВД России, 2005. С. 32.
8. Дашук П.Н. Скользящий разряд в устройствах газоразрядной визуализации. / Тезисы докладов международного научного конгресса «Наука, Информация, Сознание», СПб, 1999. С. 70.
9. Бабицкий М.А. Автоматизированное проектирование систем анализа динамических газоразрядных изображений. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПбГУ ИТМО, 2003.
