Метод оценки функционального состояния и функционального резерва организма и его систем в условиях действия электромагнитных факторов.

Одним из важных условий сохранения здоровья и эффективного функционирования человеко-машинных систем, включая предприятия электроэнергетики, является оптимизация функционального состояния человека при проектировании, создании и эксплуатации технических систем путем выбора адекватных эргономических характеристик предприятий электроэнергетики и средств индивидуальной и коллективной защиты от вредных факторов.

В общем виде под функциональным состоянием организма понимают сложную реакцию индивида на воздействие факторов внешней и внутренней среды в процессе трудовой деятельности. Из этого определения следует, что условия труда и эргономика технической системы, с которыми контактирует работник предприятий электроэнергетики в значительной мере формируют его функциональное состояние (ФС) [88].

В основе общей классификации ФС человека лежат два основных критерия надежность и цена деятельности.

Под надежностью с позиций оценки ФС понимают вероятность выполнения человеком задач профессиональной деятельности в заданных параметрах. С позиций выбранной методологии синтеза гибридных нечетких решающих правил решая задачу оценки надежности работы человека, занятого в управлении предприятиями электроэнергетики, необходимо построить математическую модель оценки уверенности в безошибочной (в заданных параметрах) работе человека оператора, возможно с нечеткой классификацией уровня надежности (классификационная задача) и (или) оценки уверенности в том, что через выбранное время T₀уверенность в безошибочной работе остается на заданном (пороговом) уровне (прогностическая задача) [81, 130, 131].

Цена деятельности (физиологическая стоимость работы) - это величина физиологических и психологических затрат, обеспечивающих выполнение работы на заданном уровне. С позиций физиологических и

психологических затрат организма он может находиться в классах нормальных, пограничных и патологических состояний.

Пограничные состояния создают повышенные риски появления и развития заболеваний, а патологические состояния характеризуются срывом механизмов адаптации.

С учетом этого показатели, характеризующие цену деятельности, включаются в состав диагностических и прогностических моделей типа (2.33).

К одному из общепринятых функциональных состояний относят утомление, под которым понимают нормальное функциональное состояние, возникающее в процессе работы, которое характеризуется ощущением усталости, ухудшением функций организма, снижением работоспособности и исчезновением этих признаков после адекватно организованного отдыха. Хроническое утомление относят к классу пограничных функциональных состояний. Этот тип утомления сохраняется к началу трудового цикла. Для его ликвидации требуется дополнительный отдых.

Переутомление относят к классу патологического функционального состояния, для нормализации которого необходимо специальное лечение.

Таким образом, показатели, характеризующие утомление должны быть включены как в модели прогнозирования и диагностики профессиональных заболеваний, так и в модели оценки надежности работы человека-оператора в человеко-машинной системе.

Существует достаточно много методик, позволяющих давать количественную оценку уровня утомления в виде субъективных тестов и физиологических проб.

В работах [66, 75, 88, 122] описывается вариант оценки уровня утомления YU определяемого по характеристикам показателей внимания V, шкалам субъективных тестов T_uи энергетическому разбалансу биологически активных точек B_u«связанных» с ситуацией утомление.

гдеизмеренное значение уровня утомления с областью определения [0,

- функция агрегации показателей

В работах [66, 75] показано, что для оценки показателяможно использовать сокращенный состав показателей, например только энергетический разбаланс БАТ, но при этом несколько снижается точность в оценке уровня утомления.

Для оценки длительности утомления, включая хроническое утомление и переутомление в выражение (2.34) целесообразно ввести временную поправку пропорциональную времени нахождения человека-оператора в рамках определенных значений YU аналогично тому, как это сделано в выражении (2.30).

Параметр хронического утомления при синтезе прогностических и диагностических моделей является составной частью выражения (2.32), где

На шкалемогут быть построены функции

принадлежности к лингвистическим переменным, определяющим понятия: отсутствие утомленияутомлениехроническое утомлениеи

переутомление ((рис.2.2).

66

Рисунок 2.2 - Нечеткая классификация функционального состояния - утомление.

Решение о принадлежности к классу утомления Ω_rпринимается по максимальной величине функции принадлежности:

где r=o, y, x, п.

Функции принадлежности, графики которых приведены на рис 2.2 могут использоваться как в нечетких продукционных правилах определения частных уверенностей в появлении и развитии заболеваний ω_i, так и в оценке уверенности в безошибочности работы человека - оператора.

В нечетких моделях оценки уверенности в безотказности работы человека-оператора могут использоваться частные решающие правила вида: где URU - частная уверенность в безошибочности работы оператора от действия утомления;- функция принадлежности к понятию

безошибочная работа оператора с учетом уровня утомления;-

временная поправка вводимая аналогично

Еще одним показателем функционального состояния является монотония вызываемая действием ограниченного набора раздражителей вызывающих однообразные стрессовые реакции.

К важному показателю, описывающему функциональное состояние человека оператора относят психоэмоциональное напряжение (ПЭН)

характеризующееся выражением эмоциональных реакций направленных на мобилизацию функций для успешного выполнения профессиональной деятельности. Как и утомление неадекватный уровень ПЭН может приводить к появлению и развитию заболеваний и к снижению уровня надежности работы человека-оператора.

Аналогично уровню утомления в работах [72, 85, 120, 121, 122, 150] приводятся аналитические выражения для расчета текущего уровня ПЭН:

Уровень ПЭН аналогично YP_hможет быть использован в выражении 2.32 как информативный признак в задачах прогнозирования и ранней диагностики заболеваний. По показателю YP_h, аналогично (2.33) может быть оценена уверенность в безошибочности работы операторов предприятий электроэнергетики.

При оценке надежности работы предприятий электроэнергетики следует учитывать, что в зависимости от вида деятельности человека- оператора критичными могут оказаться не только общее функциональное состояние организма, но и его отдельные психические и (или) психофизиологические функции (KRF). Например, для операторов атомных электростанций важно, чтобы у них во время трудовой деятельности сохранялись на достаточно высоком уровне переключаемость, устойчивость и концентрация внимания.

Методики и аппаратура для исследования профессионально важных свойств человека описаны в специальной литературе, например в [66, 74, 75, 83].

С учетом сказанного в общем виде модели оценки уверенности в безотказности работы человека UBRh при выполнении работы h определяются нечеткими выражениями:

где- уверенность в безотказности работы человека по

показателям уровня хронического утомления, длительного ПЭН и монотонии соответственно.

В модели (2.37) учтено, что на надежность работы человека существенно влияет его состояние здоровья SZ, определимое с использованием выражений аналогичных (2.33).

В работах [22, 66, 119, 127] показано, что при решении задач прогнозирования и ранней диагностики заболеваний целесообразно использовать показатели, характеризующие функциональный резерв организма FR_e, противодействующий появлению и развитию заболеваний ω_e

Кроме функционального состояния организма человека в целом в медицинской практике часто используются показатели, характеризующие функциональное состояние его отдельных органов и систем. Для их количественного определения разработано достаточно большое количество методов и средств.

Анализ многочисленных работ и собственные исследования показали, что одним из перспективных подходов к оценке функционального состояния и функционального резерва организма человека является исследование энергетического разбаланса его меридианных структур без нагрузки и под нагрузкой, включая нагрузку, создаваемую нормированным электромагнитным излучателем.

Методы оценки состояния здоровья органов и систем по величинам электрических характеристик БАТ хорошо отработаны [34, 67, 72, 75, 76, 77].

Известно, что организм человека в норме сбалансирован по циркуляции меридианной «энергетики» [39]. Нарушение в состоянии

здоровья или функциональном состоянии вызывает разбаланс отдельных БАТ и меридианных структур [39, 67]. Энергетика отдельных БАТ и меридианной системы оценивается различными способами: по величине электродвижущей силы; сопротивления; интенсивности инфракрасного излучения и др. В работах [34, 67, 72, 76, 77] было показано, что достаточно приемлемая точность измерений достигается при измерении сопротивления БАТ на переменном токе частотой 1 кГц при силе тока 2-5 мкА.

В работах [34, 67, 72, 75] показано, что все БАТ меридиан, включая точки используемые в данной работе имеют связь с несколькими органами, которые в признанных справочниках по рефлексо-диагностике определяются на уровне синдромов, симптомов, диагнозов и органов и систем [34, 39, 76, 77].

Учитывая множественность этих связей с различными органами и системами получить достаточно точную оценку состояния здоровья и функционального состояния по электрическим характеристиками одной БАТ весьма сложно.

Ситуация осложняется тем, что «энергетика» БАТ зависит от «энергетики» меридиана в целом, к которому эта точка принадлежит, а также от состояния «сопряженных» меридиан, от времени суток и т.д.

Для достижения приемлемого для практики качества оценки состояния здоровья и функционального состояния человека на кафедре биомедицинской инженерии ЮЗГУ разработан метод определения таких подмножеств БАТ, одновременная энергетическая реакция которых уточняет искомый диагноз, исключая другие машающие ситуации и факторы.

В работах [66, 67, 75, 76, 77] описаны метод и алгоритм определения таких групп БАТ, получивших название диагностически значимых точкек [ДЗТ], которые наряду с другими информативными точками используются для синтеза нечетких решающих правил. Базовыми элементами этих правил являются функции принадлежности μ_ω (δR₁) к исследуемым классам

состояний ωс базовой переменной, определяемой величиной относительного отклонения сопротивлений БАТ с именем Yот своих номинальных значений - SR_j.

Понятие функционального состояния (ФС) в данной работе рассматривается как готовность к выполнению заданного вида деятельности, а функциональный резерв (ФР) как скрытая возможность обеспечивать длительное функционирование органов и систем в целях качественного выполнения сложной эмоционально перегруженной работы в условиях действия существенных факторов риска. Функциональное состояние по электрическому сопротивлению БАТ оценивается в состоянии оперативного покоя. Функциональный резерв определяется по изменению электрического сопротивления тех же БАТ при использовании стандартных нагрузок или по искусственно создаваемому энергетическому разбалансу меридианных структур.

При таких методах оценки ФС и ФР следует считать, что если все БАТ, выбранные для анализа исследуемых систем (сердечно-сосудистой, нервной дыхательной и т.д.) находятся в номинальном состоянии (δR_j=0), то это свидетельствует о наилучшем функциональном состоянии анализируемых систем. Наличие энергетического разбаланса (∣SRj∣>0) соответствует ухудшению функционального состояния исследуемой системы. Для каждой из БАТ, входящих в состав ДЗТ, определяется функция уровня функционального состояния FS_l(δR_j) свойства которой соответствуют классической функции принадлежности к лингвистической переменной функциональное состояние с базовой переменной δR_j-μ_fsl(δR_j).

Вариант графика функции уровня ФС изображен на рис. 2.3.

Рисунок 2.3. Типовой график функции уровня ФС с базовой переменной δR_j

Величинаопределяется экспертами и корректируется по

результату статистической проверки с учетом доверия экспертов к информативной ценности точки с номером j имея в виду ее возможность характеризовать функциональное состояние исследуемой системы, при этом следует учитывать то, что различные точки (сигнальные, главные, сочувственные и т.д.) несут различную информацию о ФС исследуемых систем. Следует учитывать, что величиныдля различных БАТ, в общем случае различны. Они зависят от того, насколько по электрическому разбалансу БАТ можно судить о снижении уровня функционального состояния.

Учитывая, что по одной точке нельзя судить о том, что исследуемая система не может выполнять свою работу следует, что

В соответствии с рекомендациями [67, 75, 76, 77] уровень ФС UFS_i исследуемой системы с номером I определяется выражением:

где Y_j- имя БАТ с номером j, выбранный для прогноза (диагноза, ФС, ФР) ω; δR_j- величина относительного отклонения сопротивления БАТ Y_jот

номинального значения;- пороговое значение отклонения

сопротивления БАТ от своего номинального значения, после которого энергетическое состояние точки считается не номинальным; ω_s,- имя класса с номером I; J- количество точек, входящих в ДЗТ_£; UFS₁- величина, характеризующая информативную ценность БАТ, выбранных в качестве ДЗТ, для оценки уровня функционального состояния исследуемой системы.

Как отмечалось выше при действии электромагнитных полей на организм человека прежде всего страдает иммунная и нервная системы, причем иммунная система не представлена в известных атласах меридиан. Поэтому учитывая системный характер иммунной системы на действие «мощных» внешних неблагоприятных факторов риска, предлагается, в первом приближении, рассмотреть возможность оценки функционального состояния иммунной системы по электрическому разбалансу сопротивлений БАТ, характеризующих «энергетику» всего организма.

Анализ известных атласов меридиан, например [39] показал, что существует несколько способов выбора искомых наборов БАТ.

Первый способ использует контроль сопротивления сигнальных точек (Р1, Е25, VC12,VC13, VC14, VC4, VC3, УВ25, МС1, VC5, УВ23, F14), а энергетическое состояние системы в целом определяется как функция от сбалансированности каждого из контролируемых меридиан.

Второй способ основан на оценке отношения (или разности) сопротивлений сочувственной и сигнальной точек. Принято, что при заниженном сопротивлении сигнальной точки, следует считать, что энергетика меридиана в целом занижена и наоборот. Функциональное состояние определяется по результатам энергетических оценок меридиан.

Третий способ используют разность «энергетики» начальных и конечных точек меридиан.

Четвертый способ учитывает, что переднесрединный и заднесредин­ный меридианы представляют собой сосредоточение (ЛО пункт) всех ян и

инь всех меридианов. Учетом этого, энергетическую сбалансированность (разбаланс) можно определить по двум точка VC1 и VG1.

Пятый способ основывается на то, что меридианы, проходящие по конечностям, соприкасаются друг с другом в четырех точках называемых групповыми Ло пунктами [39]. Это точки TR8, МС5, RP6 и УВ39.

Выбор того или иного варианта осуществляют эксперты исходя из доступности и целей измерений, учитывая роли точек в оценке ФС и ФР.

В общем виде, энергетический разбаланс меридианной системы определяется выражением:

где A_ij - весовые коэффициенты, определяющие вклад точки с номером j в энергетическую характеристику меридиана с номером i; F^ - функция агрегации на уровне меридиана с номером i; Bi- весовые коэффициенты, определяющие вклад каждого из меридиан в энергетическое состояние меридианной структуры; F_s-функция агрегации энергетического состояния исследуемых меридиан в величину уровня функционального состояния организма UFSM.

Конкретные виды математических моделей типа (2.39) могут определяться различными методами, например, с использованием метода группового учета аргументов, регрессионного анализа, и др. В работах [66, 67, 72, 75] рекомендуется для оценки энергетического разбаланса

меридианных структур и , далее ФС и ФР при синтезе моделей типа (2.39) использовать нечеткую логику принятия решений. В работе [119] приводится вариант нечеткой модели расчета величины UFS_m.Следует учитывать, что для различных видов деятельности модели (2.39) могут быть различны, поэтому для их синтеза рекомендуется использовать метод синтеза гибридных нечетких решающих правил [66, 75].

Для использования показателя UFS_mкак показателя функции иммунной системы в прогностических и математических моделях (2.32) и

74

затем в (2.33) показатель UFS_mиспользуется как базовая переменная 8_к функции принадлежности(иммунная система).

Приведенный механизм оценки функционального состояния иммунной системы, основанный на оценке общей меридианной энергетики признается - экспертами достаточно точной, но он требует значительных затрат на проведение измерительных процедур.

С учетом этого предлагается оценку функционального состояния иммунной системы проводить по энергетическому разбалансу общесистемных БАТ, как это сделано в работах [66, 67, 75] при оценке защитных механизмов организма. В соответствии с данными [67] к общесистемным БАТ относятся точки E23, E36, RP6, V40, V6 и VB20 во Французской классификации, из них диагностически значимыми точками (ДЗТ) являются точки E23 и V60.

Для этих точек выражение для оценки уровня функционального состояния для иммунной системы UFSопределяется выражениями:

Учитывая, что иммунная система «на прямую» не представлена на биологически активных точках для уточнения ее функционального состояния эксперты дополнительно предлагают использовать показатели перекисного окисления липидов (ПОЛ) и активно окислительную активность (АОА).

В качестве базовых переменных для оценки функций FS₁₁ предлагается использовать относительную разность между номинальными значениями ПОЛ и АОА и их текущими показателями. То есть,

где- ПОЛ и АОА, измеренное на репрезентативной группе

здоровых людей;- ПОЛ и АОА у обследуемого работника.

С учетом рекомендаций [109] уровень функционального состояния иммунной системы по показателям ПОЛ и АОА определяется:

Уровень функционального состояния иммунной системы по обеим группам показателей определяется выражением:

Для использования показателяв прогностических и

диагностических моделях (2.32) и затем (2.33) на экспертном уровне определяется функции принадлежности

С учетом рассмотренных особенностей оценки функционального состояния и функционального резерва организма в целом и его систем при воздействии на человека электромагнитных полей значительной интенсивности предлагается следующий метод синтеза соответствующих решающих правил.

1. Для оценки функционального состояния всего организма с целью решения задач оценки надежности функционирования человека и физиологической цены деятельности выбираются методы и средства определения текущего (измеренного) уровня утомления YU, уровня

психоэмоционального напряжения YP_hи уровня монитонии YM _π, например в соответствии с рекомендациями [66, 75]. Остальные органы и системы подверженные риску появления и развития заболеваний, характерных для предприятий энергетики «хорошо» представлены на меридианных структурах, поэтому для них уровень функционального состояния определяется выражением (2.38).

Анализ литературных источников и собственные исследования позволили выяснить, что воздействие электромагнитного поля на рабочих местах предприятий энергетики приводит к значительному изменению энергетических характеристик БАТ за время, меньше рабочей смены. Это позволяет оценить способность человеческого организма противостоять электромагнитной «угрозе» по реакции соответствующих точек на нормированные мощности и время электромагнитного «воздействия».

«Быстрая» реакция БАТ на электромагнитные воздействия достаточной мощности позволяет производить оценку функционального резерва организма и его систем, используя в качестве нагрузочного теста электромагнитное излучение нормированной напряженности и времени воздействия.

В соответствии с рекомендациями [75, 119] для оценки

функционального резерва исследуемых систем по энергетическому разбалансу БАТ относительно исследуемой патологии ω_eбудем определять двумя показателями: отношением ON_eуровня функционального состояния до воздействия «электромагнитной нагрузкой»и после воздействия

и скоростного восстановления уровня функционального состояния

Используя показатели ON_eи VV_e, как базовые переменные определяются две частные функции уровня функционального резерва

агрегация которых определяет функциональный резерв системы I.

2. Для оценки физиологической цены деятельости по показателям

определяются нормировочные функции

которые совместно с нормировочными функциями времени соответствующими пребыванию человека под воздействие утомленияпсихоэмоционального напряженияи монотонии

используются для оценки величин хронического утомления длительного психоэмоционального напряжениядлительной мотонии

в соответствии с выражениями:

Показателииспользуются как базовые переменные

для определения функций принадлежности к появлению и развитию заболеваний классов

3. При оценке надежности работы человека, контактирующего с управляемой технической системой по показателям определяются частные решающие правила оценки уверенности в безотказной работе в соответствии с формулами:

- функции принадлежности к понятию безошибочная работа человека с учетом действия утомления, психоэмоционального напряжения и монотонии соответственно;

соответствующие временные коэффициенты (поправки), учитывающие время действия параметров YU, YPи YM.

Интегральная оценка уверенности в безотказности работы h человека описывается нечетким выражением:

где KPF- показатели, характеризующие эффективность выполнения психических функций, участвующих в управлении технической системы (показатели внимания, памяти, психомоторики, мышления и т.д.); SZ - интегральный показатель состояния здоровья «связанный» с успешностью выполнения трудовой деятельности; AGBR_h- соответствующий агрегатор.

Синтез решающих правил (2.44) осуществляется в соответствии с общей методологией синтеза гибридных нечетких решающих правил, принятых в данной работе.

4. Оценка функционального состояния отдельно взятых систем ω_i по энергетическому разбалансу биологически активных точек осуществляется с использованием выражения (2.38).

Поскольку иммунная система не имеет своего «представления» на биологически активных точках ее функциональные состояния определяется выражением (2.42).

Для включения показателя UFS_iв прогностические и диагностические модели, показатели UFS_iиспользуются как базовые переменные функций принадлежности к исследуемым классам состояний

5. Функциональный резерв исследуемых систем определяется выражением (2.43). Для включения показателя FR_iв прогностические и

диагностические решающие правила, показатели FRиспользуются как базовые переменные соответствующих функций принадлежности.

Таким образом, представленный метод синтеза математических моделей оценки функционального состояния и функционального резерва позволяет получить частные математические модели, позволяющие повысить качество решения прогностических и диагностических задач, а также оценить уровень надежности работы людей, обслуживающих предприятия электроэнергетического комплекса.