1.3.Методика физиологических экспериментов

В процессе подготовки обследуемого к эксперименту на ЦФ фиксация электродов производилась при помощи гарнитуры крепления и медицинского клея. 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 профессиональных по управлению ЛА и использовании оператором защитного шлема, кислородной маски и противоперегрузочного костюма. После размещения испытателя в имитаторе кабины ЛА производилось подключение кабельной линии к аналоговому блоку обработки и к регистратору ЭЭГ-сигнала. Измерение биопотенциалов мозга и регистрация ЭЭГ производилась в двух диапазонах полосы частот f₁=1-100 Гц (полная ЭЭГ) и f₂=4-40 Гц. При вращении на ЦФ и сразу же после его окончания регистрировали также контрольную ЭЭГ в стандартных монополярных отведениях по международной системе 10/20 (Fs, Fd, Os, Od).

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. Профиль перегрузок воздействовавших на организм человека при вращении на ДПС «Маневр-2» представлен на рис. 4.

На фоне выполнения испытателями и опытным летчиком операций с органами управления во время моделирования маневра ЛА на организм человека 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.

Рис. 4. Профиль перегрузок, развиваемых при вращении на центрифужном стенде

во время моделирования маневров летательного аппарата при отработке БТС

1.4.Анализ и оценка результатов экспериментальных исследований

На рис. 5-рис.8 приведены записи ЭЭГ при различных видах мышечного нап-ряжения 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 сравнения представленных фрагментов ЭЭГ, зарегистрированных штатной системой, с синхронными записями при помощи экспериментальной БТС, полученные результаты свидетельствуют о том, что при регистрации полной ЭЭГ в диапазоне 1-100 Гц (верхняя кривая на представленных иллюстрациях) удается выявить следующие ритмы: -  (1-4 Гц),  (4-8 Гц),  (8-13 Гц) и  (13-30 Гц). Однако из-за сильного воздействия помех сигнал полной ЭЭГ практически не пригоден для последующей автоматизированной обработки с применением математических методов анализа (спектрального анализа с дискретным преобразованием Фурье, авто- и кросскорреляционного анализа). В случае фильтрации в более узком диапазоне частот 4-40 Гц при регистрации с помощью БТС (нижняя кривая на всех представленных иллюстрациях) надежно выявляется высоко амплитудный -ритм совместно с  и  ритмологическими компонентами ЭЭГ. Данный ЭЭГ-сигнал можно использовать для автоматизированной обработки. Подобный вариант выделения -ритма с окружающими  и  ритмологическими компонентами является наиболее перспективным методом по данным ряда отечественных и зарубежных авторов, пригодным для оценки функционального состояния и мониторинга работоспособности летчика в наиболее сложных условиях пилотирования ЛА при действии ускорений и больших перегрузок [2, 3, 6, 7, 8, 10, 11]. После оцифровки ЭЭГ, зарегистрированной в течение 20-секундной площадки на перегрузках от 2 до 9 единиц, был выполнен спектральный анализ ритмов ЭЭГ на персональной ЭВМ с помощью программы быстрого преобразования Фурье. Спектральная функция ЭЭГ на перегрузках от 2 до 5 единиц статистически значимо не отличалась от исходной, полученной до вращения на ЦФ.

Усредненные по всем испытателям-добровольцам результаты спектрального анализа действия перегрузки 2-5-9 единиц представлены на рис. 9.

Рис. 5.Запись фоновая ЭЭГ в левом лобно-затылочном

монополярном отведении при перегрузке n_у =1q.

Фоновая регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при n_у =1q.: “глаза закрыты» во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС

Рис. 6. Запись ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении

при перегрузках n_у =2q.

Регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при перегрузках n_у =2q: “глаза открыты” во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС.

Рис. 7. Запись ЭЭГ сигналов в левом лобно-затылочном монополярном

отведении при перегрузках n_у =5q.

Регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при перегрузках n_у =5q: “глаза открыты” во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС.

Рис. 8. Запись ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении

при перегрузках n_у = 9q.

Регистрация ЭЭГ в левом лобно-затылочном монополярном отведении при перегрузках n_у = 9q: “глаза открыты” во время “движения правой и левой рукой поочередно”, а затем “упора в правую и левую педаль поочередно”, где вверху показана ЭЭГ, зарегистрированная штатной системой, а внизу приведена запись ЭЭГ с помощью экспериментальной БТС.

Как следует из графиков ЭЭГ, индикаторами гравитационного стресса при моделировании пилотажных перегрузок на площадках n_у = 5 и n_у = 9 единиц q (длительностью 20 с каждая) являлись высокая  и  активность при нормальной  и сниженной -активности. Мощность -ритма, также как и соотношение мощности / составляющих спектральной функции, относительно возрастало лишь при визуальном контроле испытателями собственных двигательных актов и операций слежения за целью. Однако, была выявлена отрицательная корреляция между -индексом и качеством сенсомоторных реакций в задаче слежения, в том числе, при ухудшении координации и дезинтеграции психофизиологических реакций в задаче управления объектом в моменты пространственной дезориентации и в состоянии, близком к наступлению перегрузочной потери сознания. Однако, как следует из рис. 10, нам не удалось выявить статистически значимых различий в ЭЭГ показателях между опытным летчиком-испытателем и новичком, впервые участвовавшем в исследованиях. Но наличие одновременно двух пиков -ритма в диапазоне 1-2 Гц отмечалось только у опытного оператора, хотя оно и не было статистически значимым, т.к. в исследованиях с БТС ЭЭГ фильтровалась в диапазоне частот 4-40 Гц (рис. 10).Спектральный анализ подтвердил снижение работоспособности операторов при появлении на выс оких перегрузках -ритма с пиком на частоте 4 Гц и сохранении  ритма с пиком на частоте 10 Гц.

Рис. 9.График изменения средних значений спектральной плотности мощности

при перегрузке n =1 q.

Средние значения спектральной плотности мощности ЭЭГ-сигнала в нормальных условиях (1G) и при операторской деятельности во время нарастания перегрузки в направлении «голова – таз» (+2+5+9 Gz).

Следует отметить, что в большинстве современных исследований ЭЭГ в полете на ЛА и при тренировках на динамических пилотажных стендах аналогичные изменения спектральных характеристик с увеличением мощности -и -ритмов также имеют высокую корреляцию с ухудшением функционального состояния ЦНС и снижением работоспособности оператора при решении сложных задач маневрирования на ЛА [5-8]. Усиление мощности  и -ритма, наблюдавшееся в наших исследованиях, рядом авторов [4, 9, 11] считается характерным для наиболее сложных операций взлета и посадки ЛА. В некоторых исследованиях - и -ритмы также отмечаются перед потерей сознания в результате воздействия высоких перегрузок [7, 8].

Рис. 10. Сравнение результатов спектрального анализа ЭЭГ при выполнении операторской деятельности опытным летчиком-испытателем и добровольцем новичком по моделированию пилотирования ЛА при перегрузке n_у = 9q.

В физиологических экспериментах на ЦФ ЛИИ не наблюдалось достоверных изменений мощности и частоты -ритма под действием гравитационного стресса в диапазоне от n_у = 2 до n_у = 9 единиц q на протяжении всей циклограммы моделирования полета, но при нарастании перегрузки в диапазоне 5-9 единиц q всегда имело место усиление мощности - и -ритма. В докладе специалистов ГНИИИ Военной медицины [6] по требованиям к создаваемой бортовой автоматизированной системе опасного состояния при действии пилотажных перегрузок определены следующие предельные изменения показателей ЭЭГ: сдвиг частоты пика -ритма за пределы диапазона 8-13 Гц, а также появление  и  ритмов. И.Б. Ушаков, М.Н. Хоменко, М.В. Дворников и соавт. [6], А.Ф. Изнак и соавт. [2, 11] в летных исследованиях, а также А.Ф. Хижун. [5] в наземных экспериментах обнаружили, что вспышки -ритма, изменение его декремента затухания и любые смещения его спектральных показателей соответствуют эпизодам снижения качества слежения и грубым ошибкам операторской деятельности в экстремальных условиях.

В итоге, в современных исследованиях ЭЭГ в полете на высокоманевренных ЛА и при тренировках на динамических пилотажных стендах наибольшее внимание должно уделяется динамике спектральных характеристик ЭЭГ с появлением мощных  и  ритмов, которые обнаруживают высокую корреляцию с измененным состоянием ЦНС при решении сложных задач пилотирования ЛА [7, 8, 11]. Благодаря использованию активных электродов, усиливавших ЭЭГ-сигнал, а также с помощью фильтрации ЭЭГ в рабочем диапазоне частот БТС, 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 штатной 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 авиационно-космической области. Результаты экспериментов на ЦФ с активными электродами для регистрации ЭЭГ у летчиков при моделировании близких к реальным условиям профессиональной деятельности показали перспективность использования активных электродов. За рубежом в XXI веке создано третье поколение активных электродов датчиков, например, система Acti Cap фирмы Brain Products Gmbh. 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 [7, 8, 10, 11].

Исследования в данном направлении, начатые ЛИИ совместно с НИАО, продолжают оставаться актуальными. 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.