17 февраля 2016г.
В современном мире человеко-машинных систем резко возрастает психофизиологическая нагрузка на составляющую этой системы – человека-оператора. Одним из самых опасных факторов «отказов» нормативной работы такой системы является дремота (засыпание) оператора. В системах водитель - транспортное средство, по оценкам экспертов ЕС, 30% аварий со смертельным исходом случается по причине засыпания водителя за рулем. Увеличивается количество исследований, посвященных проблеме создания систем контроля состояния оператора, однако наибольшую сложность представляет выбор эффективных критериев, которые позволили бы максимально точно и оперативно определять момент перехода от бодрствования ко сну. Итак, стоит задача обнаружения состояния утомления водителя, которое может привести к засыпанию за рулем и, как следствие, к ДТП.
Утомление — временное снижение работоспособности, вызванное длительной или интенсивной работой. Существует три вида утомления: физическое, умственное и эмоциональное. У водителя они чаще всего возникают одновременно, так он сочетает физический труд с умственной деятельностью и большим эмоциональным напряжением. Степень утомления зависит от продолжительности работы. Чем больше рабочий день водителя, тем более выражено утомление, более вероятны ошибки. Причины утомления - избыточность или недостаточность информационной нагрузки, сложная или слишком однообразная дорожная обстановка. Опасные для водителя состояния, приводящие к утомлению - стресс и монотония. Для предотвращения дремоты (засыпания) водителя необходимо обнаружить функциональное состояние, ему предшествующее – сонливость. Общий алгоритм работы систем контроля бодрствования заключается в получении данных об определенном показателе, их обработке и активации системы тревоги в случае, когда уровень бодрствования падает ниже критического.
Существующие системы контроля бодрствования водителей делятся на 2 группы: с использованием физиологических и нефизиологических методик. К нефизиологическим методикам относятся: контроль стиля вождения (угловая скорость поворота руля, стандартное отклонение от траектории), контроль внешнего поведения человека (частота моргания, угол наклона головы, PERCLOSE – отношение в % части интервала времени, в течение которого глаза закрыты на 80 и более %, ко всему интервалу), определение времени реакции на стимул. Физиологические методики базируются на анализе электрофизиологических показателей (ЭКГ, ЭЭГ, ЭДА).
Наиболее точными и эффективными считаются физиологические методики, также существуют интегрированные методики (определяются несколько разнохарактерных показателей). Среди физиологических показателей наиболее удобным для снятия в условиях вождения является ЭКГ.
Актуальной является задача мониторинга состояния водителя по ЧСС, т.к. метод регистрации ЧСС – наиболее простой и быстрый (по максимумам сигнала ЭКГ). Установлено, что при засыпании наблюдаются признаки брадикардии (ЧСС<60уд/мин). Однако порог засыпания по ЧСС может варьировать для разных людей, поэтому необходимо осуществлять контроль дополнительных параметров ЭКГ. Перспективным способом контроля бодрствования по ЭКГ является анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) – изменения длительности кардиоциклов (кардиоинтервалов) от цикла к циклу. ВСР отражает степень влияния на сердечный ритм симпатического и парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (ВНС).
Анализ ВСР включает 3 этапа: измерение длительности R-R интервалов и представление динамических рядов кардиоинтервалов в виде кардиоинтервалограммы, анализ динамических рядов кардиоинтервалов, оценку результатов анализа ВСР. Спектральный анализ ВСР – определение изменения энергетической активности диапазонов спектра динамического ряда кардиоинтервалов по 5-минутным записям ЭКГ.
Диапазоны спектра мощности ВСР:
1) Высокочастотный (HF) (0,15-0,4 Гц) - связан с дыхательными движениями (высокочастотный пик RF совпадает с частотой дыхания), характеризует влияние на сердечный ритм парасимпатического отдела ВНС.
2) Низкочастотный (LF) (0,04-0,15 Гц) - характеризует влияние на сердечный ритм обоих отделов ВНС, но в большей степени симпатического.
3) Очень низкие волны (VLF) (0,0033-0,04 Гц), сверхнизкие волны (ULF) (0-0,0033 Гц) - отражают действие различных факторов, к которым относят, например, сосудистый тонус, систему терморегуляции, нейрогуморальную активность и др.
При засыпании увеличивается средняя длительность кардиоцикла, СКО R-R интервалов увеличивается, изменяется энергетический спектр ВСР – мощность диапазонов VLF и LF уменьшается, а HF увеличивается.
По ВСР также определяют стресс-индекс (индекс напряжения Баевского) путем построения гистограммы – кривой распределения кардиоинтервалов как случайных величин. Основание гистограммы (вариационный размах) - разность между максимальным и минимальным кардиоинтервалом, по оси абсцисс - длительность кардиоинтервалов, по оси ординат – процент числа кардиоинтервалов с заданной длительностью.
Ин = АМо /(2 * Mо* MxDMn), где Мо – мода (наиболее вероятная длительность), Амо – амплитуда моды (число кардиоинтервалов, соответствующих значению моды, в % к объему выборки), МxDMn – вариационный размах.
Таким образом, для контроля уровня бодрствования водителя предлагается использовать показатели вариабельности сердечного ритма, получаемые при анализе кардиоинтервалограмм длительностью 5 мин:
LF/HF (отношение мощности диапазона LF (0,04 – 0,15 Гц) к мощности HF (0,15 - 0,40 Гц) спектра ВСР) - отражает баланс влияния на сердце парасимпатического и симпатического отделов вегетативной нервной системы. Норма в спокойном состоянии: LF/HF = 1,5…2. Падение LF/HF ниже нормы указывает на сонливость, засыпание. LF/HF > 2 - человек сильно мобилизован.
Стресс-индекс (индекс напряжения Баевского, ИН) характеризует активность механизмов симпатической регуляции, состояние центрального контура регуляции. Активация центрального контура, усиление симпатической регуляции во время психических или физических нагрузок проявляется стабилизацией ритма, уменьшением разброса длительностей кардиоинтервалов, увеличением количества однотипных по длительности интервалов (рост АМо). В норме ИН 50-150у.е., <50 – состояние расслабления, >150 – состояние стресса.
Было проведено исследование изменения трех показателей ЭКГ (ЧСС, LF/HF, ИН) во времени. В качестве источника данных была выбрана запись холтеровского мониторирования с нормальным синусовым ритмом с сайта www.physionet.org, значения показателей вычислялись с помощью программ Cygwin с установленным пакетом функций WaveForm DataBase Toolbox, Kubios HRV и Matlab. Результаты показали, что во время активного бодрствования ЧСС находится в пределах нормы, во время засыпания ниже 60 (около 58 для выбранной ЭКГ), при бодрствовании LF/HF принимает значения от 1,5 и выше, от 2 до 5, в состоянии пониженной активности опускается ниже 1,5, ИН также соответствует известным критериям.
На кафедре РТС КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева разработаны портативное устройство оперативного съема одного отведения ЭКГ и система передачи полученных данных на удаленный сервер по GPRS-каналу. Портативный прибор состоит из следующих блоков: блок съема ЭКС, блок первичной обработки сигнала, блок передачи. Для съема ЭКС наиболее удобно применять бесконтактные емкостные электроды, не мешающие водителю и позволяющие получать качественный биоэлектрический сигнал на расстоянии 20-30 см от поверхности тела. На сервере осуществляется итоговая обработка данных, получение показателей, принятие решения о состоянии водителя и выдача ответного сигнала портативному устройству, которое активизирует систему тревоги (при обнаружении состояния сонливости или стресса).
Использование в системе сервера позволяет оперативно обрабатывать большой объем данных и получать необходимые показатели, что достаточно трудно реализовать отдельно в портативном устройстве, находящемся в салоне транспортного средства.
Список литературы
1. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных кардиографических систем (часть
1) / Баевский Р. М. [и др.] // Вестник аритмологии.- 2002.- №24.- C. 65
2. Кирюхин А.В. Система для предупреждения водителя об опасном движении транспортного средства. Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные вопросы биомедицинской инженерии - 2013». Саратов: ООО «Издательство Научная книга», 2013. С.497-503.
3. Щербакова Т.Ф., Седов С.С., Хомяков А.В. Анализатор аритмий в системе связи пациента с лечебным центром. Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов. VI Международная научно-техническая конференция. Казань, 2007. с.355
