ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2015, том 65, № 1, с. 5-13
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 612.821.6
ЭЭГ-КОРРЕЛЯТЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПИЛОТОВ В ДИНАМИКЕ ТРЕНАЖЕРНЫХ ПОЛЕТОВ
© 2015 г. В. Н. Кирой, Е. В. Асланян, О. М. Бахтин, Н. Р. Миняева, Д. М. Лазуренко
Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии, НИИнейрокибернетики им. А.Б. Когана, Ростов-на-Дону, e-mail: kiroy@krinc.ru Поступила в редакцию 29.11.2013 г. Принята в печать 20.10.2014 г.
С использованием дисперсионного и дискриминантного анализа исследовали спектральные характеристики ЭЭГ, зарегистрированной от 15 отведений у двух профессиональных летчиков, имеющих стаж летной работы более 15 лет, в частотной полосе 0.1—70 Гц в динамике полетов на тренажере самолета ТУ-154, включающих взлет, посадку (в т.ч. в сложных условиях) и горизонтальный полет. Показано, что спектральные характеристики ЭЭГ являются высокоинформативным показателем текущего функционального состояния пилотов, отражающим различные фазы полета. Высокая достоверность различий, обнаруженных при учете индивидуальных особенностей, указывает на их неслучайный характер и возможность построения по показателям ЭЭГ системы контроля состояния пилота на всех этапах полета.
Ключевые слова: ЭЭГ, функциональное состояние, спектральные характеристики, авиаперелеты.
EEG-Correlates of Pilots' Functional Condition in Simulated Flight Dynamics
V. N. Kiroy, E. V. Aslanyan, O. M. Bakhtin, N. R. Minyaeva, D. M. Lazurenko
A.B. Kogan Research Institute for Neurocybernetics, Southern Federal University, Rostov-on-Don,
e-mail: kiroy@krinc.ru
The spectral characteristics of the EEG recorded on two professional pilots in the simulator TU-154 aircraft in flight dynamics, including takeoff, landing and horizontal flight (in particular during difficult conditions) were analyzed. EEG recording was made with frequency band 0.1—70 Hz continuously from 15 electrodes. The EEG recordings were evaluated using analysis of variance and discriminant analysis. Statistical significant of the identified differences and the influence of the main factors and their interactions were evaluated using Greenhouse — Gaiser corrections. It was shown that the spectral characteristics of the EEG are highly informative features of the state of the pilots, reflecting the different flight phases. High validity of the differences including individual characteristic, indicates their non-random nature and the possibility of constructing a system of pilots' state control during all phases of flight, based on EEG features.
Keywords: EEG, Brain states, Spectral characteristics, Flights. DOI: 10.7868/S0044467715010049
Человеческий фактор — один из ключевых элементов, определяющих безопасность на транспорте, в т.ч. воздушном. Как отмечается в отчетных документах различных организаций, контролирующих авиационный транспорт, таких как ICAO [Руководство..., 2006] и CAANL [2008], а также в сведениях, опубликованных корпорацией Боинг [Boeing, 2011],
более чем в 80% случаев авиационные происшествия связаны с ошибками, допускаемыми пилотом или диспетчером. Важнейшими факторами, влияющими на характеристики их работоспособности, в т.ч. уровень допускаемых ошибок, являются индивидуальные особенности и текущее функциональное состояние. Несмотря на это, а также интенсив-
ное развитие беспилотной авиации, исключение человека из системы управления на воздушном транспорте даже в среднесрочной перспективе не представляется возможным. Автоматические системы управления надежно функционируют лишь в хорошо формализованных, предусмотренных их создателями ситуациях, в то время как человек оказывается незаменим в непредвиденных ситуациях, вероятность возникновения которых неизмеримо возрастает в условиях все увеличивающейся сложности летательных аппаратов, их скоростей и заселенности воздушного пространства. В связи с этим все более актуальной является проблема контроля и прогнозирования динамики функционального состояния пилотов и лиц диспетчерского состава не только в режиме предсменных обследований, но также непосредственно на рабочем месте.
Функциональное состояние (ФС) человека рассматривают как одно из его базовых свойств, которое, как правило, анализируется в рамках представлений об уровнях активации и уровнях бодрствования в контексте теории активации Д.Б. Линдсли [Линдсли, 1962]. Текущее ФС формируется на основе актуальных потребностей в процессе реализации различных поведенческих программ и является одним из приспособительных механизмов живых систем всех уровней организации, опосредуя собой любое их взаимодействие с окружающей средой. Все многообразие "функциональных рабочих состояний" (утомление, монотония, врабатывание, оптимальная работоспособность и др.) можно рассматривать как результат изменения основных, базовых уровней, традиционно выделяемых на шкале бодрствования различными "деформирующими" факторами [Асланян, 2002; Aslanyan, Kiroy, 2009]. Нейрофизиологической основой формирования этих состояний является нейродинамика биоэлектрической активности мозга, которая адекватно отражается в паттернах активации нервных центров. На системном уровне формирование ФС связано с деятельностью регулятор-ных систем мозга, в связи с чем одним из наиболее информативных методов его контроля непосредственно в динамике реализации профессиональной деятельности является метод ЭЭГ.
В настоящее время динамика спектральных характеристик ЭЭГ в диапазоне 1—30 Гц, как правило, связывается с механизмами формирования ФС мозга [Lopes da Silva,
1991; Варшавская, 1996; Palva, Palva, 2007; и др.], тогда как в диапазоне частот свыше 30 Гц — с функционированием собственно механизмов переработки информации на уровне его нейронных ансамблей [Иоффе, 1991; Кирой, Чораян, 2000; Думенко, 2002; Бехтерева, Нагорнова, 2007; Бушов и др., 2010]. В ряде работ [Borghini et al., 2012; Hart, Staveland, 2011; Holm et al., 2009; Vidulich, Wickkens, 1986; Williamson et al., 1996; Yeh, Wickens, 1988] были описаны изменения, наблюдаемые в ЭЭГ при реализации человеком профессиональной деятельности, в том числе в условиях управления различными транспортными средствами. Зачастую эти изменения носят разнонаправленный характер и имеют разную степень выраженности. Последнее, с одной стороны, не позволяет сформулировать единую точку зрения на механизмы формирования ФС, а с другой, делает проблему поиска его объективных электрографических маркеров актуальной как в теоретическом, так и сугубо прикладном аспектах.
Наконец, как было показано, в т.ч. нами ранее [Асланян, 2002; Кирой, Асланян, 2005; Гордеев, 2007; Свидерская, Антонов, 2008; Aslanyan, Kiroy, 2009], наряду с особенностями реализуемой деятельности, существенное влияние на характеристики и динамику функционального состояния работающего человека оказывают его индивидуальные особенности, в частности, пространственно-временной организации ЭЭГ.
В настоящей работе была предпринята попытка сравнительного анализа вклада индивидуальных особенностей и характера деятельности, связанной с тренажерными полетами, выполняемыми профессиональными пилотами, в динамику спектральных характеристик ЭЭГ, что крайне важно для создания автоматизированных систем контроля состояния и повышения безопасности полетов.
МЕТОДИКА
С участием двух профессиональных летчиков (ГУ и ГЦ), которые дали письменное согласие на участие в обследованиях, на базе ФГАОУДО "Северо-Кавказский учебно-тренировочный центр гражданской авиации" была проведена серия исследований, целью которых являлось изучение динамики спектральных характеристики ЭЭГ на разных фазах тренажерных полетов. Каждый из пилотов имел стаж летной работы более 15 лет. Об-
следования проводились непосредственно в кабине тренажера самолета "Ту-154", наиболее приближенного к кабине самолета "Бо-инг-747", используемого при переподготовке действующих пилотов. Учитывая, что тренировочные полеты выполнялись полным составом экипажа самолета "Ту-154", а также высокий уровень мотивации пилотов к выполнению полетного задания, регистрацию ЭЭГ осуществлялись в условиях, максимально приближенных к реальным. Имитационные полеты по маршруту Ростов-на-Дону-Москва совершались через день в течение 2-х недель. Каждый полет длился от 60 до 80 минут. ЭЭГ регистрировали только у первого пилота. Блок усилителей крепился на штативе, установленном позади спинки его кресла. Электроды соединялись с коммутационной панелью усилителей таким образом, чтобы не стеснять движения пилота и не мешать выполнению им привычных действий по управлению самолетом. Регистрирующее оборудование (ноутбук) и сами экспериментаторы находились вне кабины тренажера. Для анализа были отобраны 5 полетов, совершенные в разные дни в штатном режиме. По оценке встроенной системы управления тренажер -ным полетом и инструктора, проводившего тренинг, все полеты прошли без ошибок пилотирования.
ЭЭГ регистрировали с использованием электроэнцефалографа-анализатора ЭЭГА-21/26 "Энцефалан-131-03" (фирма "Медиком", г. Таганрог, Россия) непрерывно в течение каждого тренажерного полета монополярно в точках F3, F4, Р7, F8, С3, С4, Т3, Т4, Р3, Р4, 01, 02, Fz, С2, Р2 в соответствии с международной системой "10—20". Референтные электроды располагались на мочках ушей (референт объединенный). Частота дискретизации сигналов составляла 250 Гц по каждому из каналов, полоса пропускания — 0.1— 70 Гц. Для контроля качества записи параллельно регистрировали ЭКГ, КГР, ЭМГ и окулограмму. Для удаления сетевой наводки использовали режекторный фильтр (50 Гц). В анализ, проводимый в отсроченном режиме, отбирались 1 секундные ЭЭГ-эпохи, не содержащие артефактов миогенного и иного происхождения и соответствующие разным этапам полета: взлет (В), горизонтальная фаза полета (ГП) и посадка (П). Всего при анализе ЭЭГ, зарегистрированной в течение одного полета, отбирали от 1500 до 2200 односе-кундных ЭЭГ-эпох. Для оценки уровня
локальной синхронизации биопотенциалов рассчитывали спектры мощности (СпМ) ЭЭГ в 7 частотных диапазонах: дельта (0.1— 3.5 Гц), тета (4—7 Гц), альфа (8—13 Гц), бета-1 (
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.