Диагностические измерения в медико-биологических электронных системах: Методические указания к выполнению лабораторных работ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В МЕДИКОБИОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ Методические указания к выполнению лабораторных работ

СанктПетербург 2007

Cоставители: кандидат технических наук, доцент Л. А. Кулыгина; ас систент М. В. Боковенко Рецензент доцент В. И. Искаков Методические указания предназначены для выполнения лабораторных ра бот по курсу «Диагностические измерения в медикобиологических электрон ных системах» и соответствуют материалу, читаемому студентам по специаль ности 210304 (201600) «Радиоэлектронные системы» со специализацией «Меди кобиологические электронные компьютеризированные системы». Студенты знакомятся с методами диагностики и аппаратурой, используе мой в медицинской электронике. Указания предназначены для студентов днев ной формы обучения. Подготовлены кафедрой радиоэлектронных комплексов и рекомендованы к изданию редакционноиздательским советом СанктПетербургского государ ственного университета аэрокосмического приборостроения.

Редактор А. Г. Ларионова Верстальщик Т. М. Каргапольцева Сдано в набор 02.02.07. Подписано к печати 09.03.07. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,5. Уч.изд. л. 3,0. Тираж 100 экз. Заказ № Редакционноиздательский центр ГУАП 190000, СанктПетербург, Б. Морская ул., 67

© ГУАП, 2007 2

Лабораторная работа № 1 ДИАГНОСТИКА СЛУХОВОГО АНАЛИЗАТОРА Цель работы: изучение биологии слухового анализатора, мето дики аудиометрии, схем аудиометра и слуховых аппаратов.

1. Теоретические положения 1.1. Основные понятия биологии слуха Биотехнология — это настоящее, но еще в большей мере — буду щее науки и будущее человечества. Восстановление поврежденных или замена полностью утраченных в результате болезни или травмы отдельных органов человека – одна из проблем биотехнологической медицинской практики, которой сегодня занимаются врачи в тесном союзе со специалистами в области медицинской радиоэлектроники и бионики. Слух необходим для восприятия звуковых колебаний в довольно широком диапазоне частот. В юношеском возрасте человек различа ет звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, однако уже к 35 годам верх няя граница слышимых частот падает до 15 000 Гц. Помимо созда ния объективной целостной картины об окружающем мире, слух обес печивает речевое общение людей. Потерями слуха в той или иной форме страдают многие люди. Эти потери становятся критическими, когда они начинают препятство вать нормальному речевому общению между людьми. Возрастное ухудшение слуха, перенесенные болезни уха, звуковые травмы, ото токсическое действие некоторых лекарств и другие причины приво дят к тому, что около 2 % населения для того, чтобы быть полно правными членами общества, нуждаются в применении слуховых ап паратов (СА). Историческое развитие СА отражает развитие техники и научных представлений о механизмах функционирования слуховой системы человека и причинах ухудшения слуха. Технология производства СА за последние 100 лет прошла путь от механических приспособлений 3

в виде раструбов до внутриканальных аппаратов с цифровой обра боткой сигналов. В отношении методов обработки сигналов в СА эво люция взглядов не была столь стремительна. В основном применя лось усиление звука и формирование частотной характеристики на основе измерения аудиограммы пациента (зависимости порогов слы шимости и дискомфортной громкости от высоты звука). Дальней шие исследования способов обработки сигналов в СА ведутся в обла стях повышения помехоустойчивости восприятия речи за счет адап тивного шумопонижения, формирования пространственных диаг рамм направленности микрофонов и моделирования механизмов функционирования периферии слуховой системы. Следует также упо мянуть слуховое протезирование с помощью имплантации электро дов в улитку уха, которое выходит за рамки традиционных СА. В настоящее время на рынке представлен широкий спектр СА, выполненных в виде карманных, заушных, внутриушных и внутри канальных устройств. В основном это аналоговые СА. Долгое время широкому внедрению цифровых методов обработки звука в СА пре пятствовали габариты и потребляемая мощность цифровых схем. С другой стороны, в аналоговых аппаратах ощущался недостаток гибкости настроек для согласования параметров СА с индивидуаль ным характером потерь слуха у пациентов, связанный с ограничени ем числа механических регулировок, особенно в миниатюрных вари антах. Вследствие этого в конце 80х гг. появились аналоговые ап параты с цифровым программированием настроек. В 1996 г. на рын ке появляются полностью цифровые заушные и внутриушные СА фирм Oticon и Widex, реализованные на базе специализированных микропроцессоров с жесткой внутренней структурой, напряжением питания 0,9–1,2 В, током потребления 1–2 мА и производительно стью от 14 до 40 млн операций в секунду. В настоящее время еще несколько фирм (Bernafon, Resound, Siemens, Sonic, Starkey и др.) выпускают внутриушные и внутриканальные цифровые СА со сред ней стоимостью порядка $1300 на базе собственных цифровых плат форм. Таким образом, барьер больших габаритов и большого потребле ния питания цифровых микропроцессоров с производительностью, достаточной для реализации сложных алгоритмов обработки сигна лов в реальном масштабе времени, препятствовавший их широкому внедрению на рынок СА, основную долю которого занимают зауш ные и внутриушные аппараты, успешно преодолен. Успехи цифро вой миниатюризации заставляют предполагать, что в скором време ни большинство СА станут цифровыми. Поэтому в дальнейшем раз витии СА на первый план выходит задача разработки новых алго 4

ритмов цифровой обработки речевых сигналов, способных качествен но изменить подходы к обработке сигналов в СА и улучшить реаби литацию пациентов. Для подбора СА крайне важной является качественная диагнос тика слухового анализатора человека.

1.2. Биология слуха Воспринимающей частью слухового анализатора является ухо (рис. 1). В анатомическом отношении в ухе человека различают три отдела: 1) наружное ухо, состоящее из ушной раковины и наружного слухового прохода; 2) среднее ухо, составленное барабанной полос тью и имеющее придатки — евстахиеву трубу и ячейки сосцевидного отростка; 3) внутреннее ухо (лабиринт), состоящее из улитки (слу ховая часть), преддверия и полукружных каналов органа равнове сия. Если присоединить к этому слуховой нерв и слуховые пути в продолговатом и большом мозгу, а также центральные слуховые поля в коре височных долей, то весь комплекс представляет собой слухо вой анализатор. В функциональном отношении ухо можно разделить на две части — звукопроводящую (раковина, наружный слуховой проход, барабанная перепонка и барабанная полость, лабиринтная жидкость) и звукопринимающую (слуховые клетки, окончания слу хового нерва). 1 12

5

67

9 12 11

2

3

4 10 8

Рис. 1. Схема строения правого слухового органа человека: 1 — ушная раковина; 2 — наружный слуховой проход; 3 — барабанная перепонка; 4 — барабанная полость; 5 — молоточек; 6 — наковальня; 7 — стремя; 8 — евстахиева труба; 9 — полукружные каналы; 10 — улитка; 11 — слуховой нерв; 12 — чешуя височной кости

5

Барабанная перепонка — тонкая соединительнотканная мембра на в ухе. Барабанная перепонка ограничивает наружный слуховой проход от барабанной полости. Звуковые волны вызывают колеба ния мембраны, которые посредством слуховых косточек передаются во внутренне ухо. Барабанная полость — полость среднего уха, заполненная возду хом. Барабанная полость вмещает слуховые косточки, сообщается с полостью глотки евстахиевой трубой. Внутреннее ухо — система сообщающихся, заполненных жидко стью каналов и полостей в хрящевом или костном лабиринте у по звоночных животных и человека. Во внутреннем ухе расположены воспринимающие части органов слуха и равновесия: улитка и вести булярный аппарат. Евстахиева труба — канал, соединяющий глотку с барабанной полостью у многих позвоночных. Выравнивает давление воздуха в среднем ухе по отношению к окружающей среде. Кортиев орган — рецепторная часть слухового анализатора. Пре образует энергию звуковых колебаний в нервное возбуждение. Кор тиев орган расположен на основной мембране в улитковом канале внутреннего уха, заполненном эндолимфой. Состоит из ряда внут ренних и трех рядов наружных воспринимающих звук волосковых клеток, от которых отходят волокна слухового нерва. Наружное ухо — внешний отдел слуховой системы. Среднее ухо — отдел слуховой системы, состоящий из барабанной перепонки; барабанной полости, заполненной воздухом, находящих ся в ней слуховых косточек евстахиевой трубы. Стремечко — косточка среднего уха, передающая звуковые коле бания от наковальни во внутреннее ухо. Улитка — в анатомии — часть внутреннего уха; спирально изви тый канал, разделенный продольными перепонками и мембранами на несколько частей, внутри которых циркулируют перилимфа и эн долимфа. Ушная раковина — наружная часть слухового анализатора. Уш ная раковина образована эластичным хрящом, покрытым кожей. Ушная раковина способствует улавливанию и усиливанию звуков, определению положения источников звука. У многих животных ушная раковина участвует в терморегуляции. Слуховой анализатор — совокупность структур, обеспечивающих восприятие звуковой информации, преобразование ее в нервные им пульсы, последующую ее передачу и обработку в центральной нервной системе. Слуховой анализатор включает в себя орган слуха, слухо вой нерв и центры мозга, анализирующие слуховую информацию. 6

Периферическая часть органа слуха, т. е. орган слуха, состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. Звуковоспринимающий аппарат — спиральный орган, состоящий из основной мембраны с рецепторными клетками и покровной мемб раны. В основной мембране расположено около 25 тыс. рецепторных волосковых клеток различной длины. Высокие звуки вызывают ко лебания более коротких волокон, а низкие – более длинных. В результате колебаний волокон основной мембраны возбужда ются рецепторные волосковые клетки, и сигнал по волокнам слухо вого нерва передается сначала в ядра нижних бугров четверохолмия, оттуда в медиальные коленчатые тела таламуса и, наконец, в височ ные доли коры больших полушарий, где и находится высший центр слуховой чувствительности. Нарушение слуховой функции может быть обусловлено не только ухудшением чувствительности рецепторов внутреннего уха, ведущим к увеличению порогов восприятия тональных звуковых сигналов той или иной частоты, но и целым рядом факторов, существенно влияю щих на восприятие человеком сигналов, особенно со сложной спект ральной структурой. Функциональное состояние наружных волосковых клеток суще ственно влияет на характер колебаний базилярной мембраны под действием звукового стимула, причем не только на амплитуду, но и на остроту частотных характеристик соответствующих ее участков. Влияние наружных волосковых клеток проявляется также эффек том компрессии, при котором слабые звуковые колебания усилива ются соответствующими участками колебательной системы внутрен него уха значительно больше, чем сильные. Тем самым обеспечива ется восприятие слуховой системой человека расширенного диапазо на амплитуд колебаний звуковых сигналов. Соответственно нарушение функционирования наружных волосковых клеток ведет к значительным изменениям в характеристиках колебаний базиляр ной мембраны, что сказывается в первую очередь на ухудшении ее частотноселективных свойств, а также на характеристике, описы вающей связь амплитуды колебаний участков базилярной мембра ны с амплитудой воздействующих на нее звуковых колебаний. Та ким образом, колебания базилярной мембраны внутреннего уха ока зываются существенно нелинейными, а их характеристики — зави сящими как от уровня, так и от структуры действующего звукового сигнала. По существу, колебательная система улитки производит достаточно сложную обработку сигнала и формирует его отображе ние, которое с помощью внутренних волосковых клеток преобразу ется в поток импульсаций в афферентных волокнах слухового нерва. 7

Из сказанного следует, что такие эффекты как кохлеарный фильтр, двухтоновое подавление, компрессия формируются механизмами внутреннего уха, регулирующими колебания базилярной мембраны, а не процессами в звуковоспринимающем отделе звукового анализа тора, как это предполагалось ранее. Предполагается, что именно структуры внутреннего уха, обуслов ливающие обратные связи, а таковыми являются наружные волос ковые клетки, обеспечивают высокие частотноселективные свойства слуховой системы, а также ее способность адаптироваться к различ ным условиям окружающей среды. Кроме того, функционирование механизмов обратной связи зависит от структуры действующего зву кового сигнала. Следует также различать глобальные и локальные связи во внутреннем ухе. Исследование порогов слухового ощущения производится с помо щью аудиометров.

1.3. Методика аудиометрии Аудиометр представляет собой, по сути, генератор звуковой час тоты, частоту и интенсивность звука которого можно регулировать с большой точностью. Острота слуха определяется главным образом порогом восприя тия звука. Основными физическими характеристиками звука явля ются: интенсивность звука [Вт/м], частота колебаний [Гц] и звуко вое давление [Па]. Интенсивность звука связана со звуковым давле нием выражением J = VP, где P — среднеквадратичное звуковое давление, Па; V — среднеквад ратичное значение колебательной скорости частиц в звуковой волне, м/с. Минимальная интенсивность звуков, различаемая слухом чело века, называется пороговой: J0 = 10–12 Вт/м2, а верхняя по интенсив ности граница звука — порог болевого ощущения: Jmax = 10 Вт/м2, что превышает нижнюю пороговую в 1013 раз. Для оценки звука пользоваться таким широким диапазоном неудобно (например, при бор для измерения уровня шума в указанном диапазоне с делениями в 1 мм должен бы иметь шкалу длиной в 1 млн км), поэтому относи тельные уровни по отношению к пороговым значениям принято из мерять и оценивать в логарифмической форме: — уровень интенсивности: L1 = 10lg (J/J0), [дБ]; — уровень звукового давления: L2 = 20lg (Р/Р0), [дБ]; 8

При этом весь диапазон слышимых звуков укладывается в преде лах от 0 до 140 дБ. Давление звука в 2 × 10–5 Па принято брать за 0 дБ. В других физических единицах это соответствует интенсивности звука в 2 × 10–6 Вт/см2. Исследование слуха с помощью аудиометра называют аудиомет рией чистого звука. Порог слышимости определяется так: врач до тех пор повышает интенсивность звука на определенной частоте, пока пациент через наушники не уловит звук и не просигнализирует об этом, нажав кнопку, находящуюся у него под рукой. Воспринятая интенсивность звука и будет порогом возбуждения на данной часто те. После этого врач проводит исследование на других частотах. Для исключения помех целесообразно помещать больного в звукоизоли рованную камеру (сурдокамеру). О необходимых действиях врач го ворит через наушники, надетые больному. Чистый звук от аудиомет ра, передаваемый воздушной подушкой между мембраной наушника и барабанной перепонкой, попадает во внутренние органы уха. Есть и такой метод исследования слуха, когда звук с определен ной частотой и интенсивностью подают не в ушную раковину, а на кость позади уха — так называемый сосцевидный отросток. Здесь звук передается черепной костью. Оба метода исследования играют важную роль в дифференциаль ной диагностике. Если при обследовании с помощью наушников ус танавливают потерю слуха, а обследованием с подачей звука на кос ти черепа повреждения слуха не обнаруживают, то ясно: беда не во внутреннем ухе и не со слуховыми нервами – недуг следует искать в среднем ухе, чаще всего около слуховых косточек. Ни при одном из описанных методов не удается избежать прохож дения колебаний через черепную кость. Поэтому во время обследова ния одного уха звуки попадают и в другое, а это мешает обследова нию, тем более, когда необходимо осмотреть только одно ухо. Для устранения такого положения неисследуемое ухо «маскируют», т. е. подают на него звук определенной силы (так называемый «белый шум»). Для этой цели в аудиометр монтируется специальный шумо вой генератор, сигнал от которого можно подключить к любому на ушнику. Итак, с помощью аудиометров можно определять, по сути дела, кривую порога слуха. Однако врача интересует скорее то, какова по теря слуха у больного на отдельных частотах по сравнению со здоро вым человеком. Это определяется разницей между кривой порога слы шимости у больного и здорового человека (рис. 2.). Именно поэтому аудиометры, изготовленные для устранения потери слуха, генериру 9

L1, дБ

Болевой порог

120

80

40

Порог поврежденного слуха

Диапазон речи Порог нормального слуха

0 0,01

0,1

1

10 f, кГц

Рис. 2. Диапазон слуха нормального человеческого уха

ют на различных частотах звуки различной интенсивности, соответ ствующей ходу кривой порога нормального слуха. Это значит, что аудиометр в диапазоне 1÷2 кГц дает звук меньшей интенсивности, чем на более низких или более высоких частотах. Изменение интенсивности звука таково, что человек со здоровым слухом судит о звуках различной частоты как о звуках одинаковой громкости, хотя они имеют различную реальную в физическом смыс ле интенсивность. Следовательно, при изменении частоты оценка пациентом громкости остается постоянной. Как известно, ухо улавливает звуки, однако ухо человека способ но воспринимать не всякий звук. Диапазон слышимых звуков имеет свои границы и по частоте, и по интенсивности. Чувствительность здорового уха при увеличении частоты до нескольких килогерц воз растает, затем снова уменьшается, т. е. среди звуков одинаковой ин тенсивности низкие мы слышим хуже, высокие – лучше, а затем еще более высокие снова хуже. Известно также и то, что ухо может слышать звуки только в пре делах 15–15 000 Гц, если их интенсивность выше порога возбужде ния. Интенсивность звука тоже имеет верхнюю границу. Дело в том, что звуки с интенсивностью выше определенной просто вызывают боль. Если дополнить пороговую кривую кривой боли, то получим диапазон слуха нормального человеческого уха (см. рис. 2). Мы можем воспринимать только такие звуки, интенсивность и частота которых находится в этом диапазоне. В диаграмму стоило бы вписать и диапазон, характерный для нормальной речи, который 10

как по частоте, так и по интенсивности существенно уже, чем диапа зон полного слуха. Диапазон речи, естественно, зависит от силы зву ка и от расстояния, на котором находится говорящий. Диапазон речи обычно определяют силой нормального звука в комнате на расстоя нии от говорящего 1 м. В зависимости от характера и степени по вреждения слуха эта область может значительно сузиться, что обус лавливается отчасти отклонением кривой порога слышимости вверх, а отчасти — сокращением полосы частот. Кривая порога боли обыч но не меняется, хотя иногда отклоняется вниз. Цель исследования слуха — определить область слышимости и причины ее сужения. На основании этого можно решить, нуждается ли слух пациента в корректировке и можно ли ее осуществить с помо щью слухового аппарата. Кривая порога поврежденного слуха (см. рис. 2), например, пересекает диапазон речи, иначе говоря, па циент, имеющий такую кривую порога слуха, уже глухой, он плохо понимает речь, поскольку не воспринимает звуки в диапазоне речи, по интенсивности находящиеся ниже кривой порога поврежденного звука. Сигнал, поступающий от задающего генератора (рис. 3), обраба тывается в блоке формирования таким образом, что из него образу ются тестовые сигналы с необходимыми амплитудночастотновре

1 5

3

7

10 2 4 9 6 8

Рис. 3. Структурная схема аудиометра: 1 — задающий генератор тона; 2 — задающий генератор шума; 3 — блок формирования тестовых сигналов; 4 — блок управления и ком? мутации; 5 — усилитель мощности; 6 — узел переключения кана? лов; 7 — регулируемый аттенюатор; 8 — головные телефоны право? го и левого уха; 9 — костный вибратор; 10 — громкоговоритель

11

менными характеристиками. В качестве тестовых сигналов аудио метра могут служить тональные сигналы, речевые сигналы, шумо подобные сигналы. Необходимые уровни тестовых сигналов устанав ливаются посредством регулируемого аттенюатора, от которого они поступают на головные телефоны, громкоговоритель, костный виб ратор. При использовании в качестве тестового сигнала речи в аудио метре предусматриваются источники речевого сигнала (магнитная фонограмма, синтезатор речи). С помощью простых проверочных аудиометров можно генериро вать звуки на определенных частотах (например, 500, 1000, 2000 и 4000 Гц) с интенсивностью звука от 0 до 60 дБ. С другой стороны, более сложные клинические аудиометры позволяют генерировать 8–10 сигналов различной частоты: при использовании наушников с максимальной интенсивностью — 110 дБ, при подаче звука на кости черепа — 60 дБ. Как частота, так и интенсивность регулируется сту пенчато. В последнее время стали выпускать автоматические аудиометры. Таков, например, аудиометр Бекеши, который автоматически запи сывает аудиограмму. Изменение частоты и интенсивности звука осу ществляется автоматическим устройством, а фиксация соответству ющей точки диаграммы происходит при нажиме больным кнопки. Такие аппараты нужны, главным образом, для проведения серии об следований. Иногда необходимо исследовать степень понимания больным обыч ной речи. Особенно обосновано такое аудиометрическое обследова ние на речь, когда пациент не доволен предписанным ему слуховым аппаратом, не слышит с его помощью достаточно хорошо, хотя его жалобы не подтверждаются аудиометром чистого звука. Аппараты для обследования на понимание речи называют рече выми аудиометрами. С магнитофонной пленки проигрывают независимо одно от друго го смысловые одно или многосложные слова или цифры, изменяя интенсивность звука. Пациент должен повторять или записывать эти слова, а врач оценивает, какую часть слов больной понял точно. Слова подбираются с учетом языковых особенностей. Амплитуда и характер кривой речевой аудиограммы (рис. 4) многое говорят врачу о природе заболевания и возможностях его лечения. Рассмотренные выше аудиометрические исследования субъектив ны, так как сигнал о восприятии услышанного зависит от желания пациента. Решение врача также субъективно. Прежде чем перейти к рассмотрению объективной аудиометрии, рассмотрим методику определения дифференциальных порогов слы 12

Относительное число понятных слов, %

80

–20

2

1

3

40 4

20

40

60

80

100 L1, дБ

Рис. 4. Речевые аудиограммы: 1 — при нормальном слухе; 2–4 — при различных недостатка слуха

шимости. При исследованиях с силой звука в качестве исходной ве личины берут значения на 60 дБ выше порога слышимости и произ водят отклонения от нее в сторону увеличения и уменьшения интен сивности. Испытуемому сначала дают запомнить исходную интен сивность, затем, увеличивая или уменьшая ее, спрашивают, что ис пытуемый слышит. Он говорит: «громче» или «тише». В норме дифференциальный порог по силе звука колеблется от ±0,5 дБ при частоте 100–1024 Гц. Аналогично определяют и дифференциальные пороги по высоте тона. Сначала дают исходный тон – интенсивностью 60 дБ и часто той 1024 Гц. Испытуемый должен его запомнить. Затем изменяют частоту и фиксируют то минимальное значение, которое почувство вал испытуемый. В норме этот порог находится в пределах ± 5 Гц. Следующий параметр — порог маскировки. В случае его опреде ления дают сигнал на фоне шума. Определяют уровень полезного сиг нала для частоты 1024 Гц, который испытуемый воспринимает как второй, едва ощутимый тон на фоне тона шума. В норме этот пара метр составляет 30–40 дБ. Определение критической частоты прерывистого шумового раз дражителя позволяет характеризовать лабильность слухового ана лизатора. Исследование функционального состояния слухового ана лизатора производится также по прослеживанию за изменением в динамике работы для критической частоты «звуковых мельканий». Методика заключается в определении максимального количества звуковых шумовых «мельканий» в секунду, которое испытуемый воспринимает как прерывистый шум. При дальнейшем увеличении 13

частоты перерывы сливаются и шум воспринимается как сплошной. Следует отметить, что здесь есть зависимость от спектрального со става шума. Более высокочастотный шум оказывает большее влия ние на функциональную подвижность. Испытания проводят также с использованием парных или ритми ческих звуковых сигналов. Испытуемый должен отметить, при ка ком интервале впервые появляются два раздельных слуховых ощу щения (в радиотехнике – разрешающая способность). Лабильность по принятой в медикобиологических исследованиях методике рас считывается по формуле Л = 1000/Т [мс], где Т — наименьший интервал дискретности. Ясно, что формула по лучена эмпирически. Следует иметь в виду, что величина Т обратно пропорциональна интенсивности стимулов. Для однозначности раз личных замеров используют звуковые стимулы с превышением поро га слуха на 50 дБ и более. Технические характеристики аудиомера Напряжение питания Частоты Уровень звука: максимум минимум Регулировка уровня: до 30 дБ от 30 до 80 дБ Точность частоты Точность уровня Искажение

(+15 ±1) % Вт 0,125; 250; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 6; 8; 10 80 дБ (на всех частотах) 0 дБ (на всех частотах) по 5 дБ (ступенчато) по 10 дБ (ступенчато) ± 3% ± 3 дБ максимум 3%

1.4. Схемы слуховых аппаратов После рассмотрения методики аудиометрии понятным становит ся схемное построение слуховых аппаратов (рис. 5). Технические характеристики слухового аппарата Коэффициент усиления Максимальное напряжение на выходе при сопротивлении нагрузки 60 Ом Рабочая полоса частот Напряжение питания

14

5000 0,5 В 300–7000 Гц 9В

15

81 29

21 46

2 1233

8

129

174 1

84 5719

82 97 9

8 643 1

1 1

43731 13 1

1





1373113 1

24  4 8

4 1

8 719

89

799

1

 1373113 1

Рис. 5. Принципиальная схема слухового аппарата

 1

173

1

4 13731 13 1

1

9 173

85 149

86 433 9

71 75 8

22  4 8

41

74 758

6 173

23 1

52 65134

913 29

11

Ток, потребляемый в режиме молчания Максимальный потребляемый ток

7 мА 20 мА

Усилитель аппарата трехкаскадный. Первые два каскада охваче ны отрицательной обратной связью по постоянному току с целью ста билизации коэффициента усиления. Частотная характеристика в области верхних частот имеет завал, что осуществляется включени ем конденсатора С3 между коллектором и базой транзистора Т2. С целью снижения собственных шумов усилителя первый каскад вы полнен на малошумящем транзисторе. С коллектора транзистора Т2 сигнал поступает на потенциометр R7, выполняющий роль регуля тора усиления. Оконечный каскад собран по схеме усилителя с пла вающей рабочей точкой, что позволяет резко уменьшить ток, потреб ляемый каскадом в режиме молчания. Светодиод Д3 служит индика тором включения. Для качественной разработки СА снимается характеристика по терь слуха с конкретным телефоном, выбранным для данной схемы. Аудиограмма плохослышащего сравнивается с аудиограммой здоро вого человека. Разницей этих двух аудиограмм является характери стика потерь слуха (рис. 6). Снятие аудиограммы проводится следующим образом. Вначале устанавливается частота и минимальный уровень сигнала с выхода генератора звуковых частот. Затем телефон, на который рассчитан разрабатываемый аппарат, помещается в слуховой проход. Уровень сигнала постепенно увели чивается до тех пор, пока он не становится слышимым. Производит

123456 789 1 2 62 52 42 32 12 275

271

Рис. 6. Характеристика потерь слуха 16

6

5

4

11



1

1234356 789937  1 62 52 42 32 12 275

271

6

5

4

11

7

1

Рис. 7. Характеристика устройства коррекции

ся измерение сигнала с выхода генератора. Затем нормально слыши мый сигнал постепенно уменьшается. Когда звук в телефоне пропа дает, измеряют милливольтметром сигнал с выхода генератора. Сред неарифметическое значение первого и второго сигнала генератора и будет пороговым уровнем. Необходимо провести измерение порого вых уровней в диапазоне частот 200÷7000 Гц. Для повышения точ ности измерений и исключения случайных ошибок снятие аудиограм мы можно повторить 3–5 раз. Из характеристики потерь видно, что на участке до 1000 Гц наблю дается подъем с наклоном примерно 12 дБ/окт., а после 1000 Гц — резкий спад: до 2500 Гц с наклоном 26 дБ/окт., затем еще больше. Наложив на характеристику потерь слуха усредненную АЧХ микро фона, мы можем получить характеристику устройства коррекции (рис. 7). Такая характеристика может быть получена с помощью за градительного фильтра (рис. 8). 1

12 3425

15 3425

92 7466 

16 257 5

1234 95 28

96 28

19 2 7 18 257 5

6 1 57695 8

2

2481 16234 1 94 5 1 57

Рис. 8. Принципиальная схема заградительного фильтра 17

18

43

13 6 1

1 4351

3 55

2

14

1



16 7891

26 3

17 98 1

1 45

27 3 29 3

12 345 1 2 1 98 1 3 56

19 395

135 3451



139 451

Рис. 9. Принципиальная схема слухового аппарата с коррекцией

783

2 5834 56

23 384 56 1 7 7

13 3 1

133 483 1 13

1 13 7 5

22 35 56 1 7 7



1445 9

6

136 235

134 55

7

4

132 7 5

9

23 356 1 7 7

233 3556 1 7 7

137 791

2

3555

1 5 79

Cлуховой аппарат с коррекцией (рис. 9) содержит двухкаскадный входной усилитель, устройство коррекции, представляющее собой заградительный фильтр, двухкаскадный оконечный усилитель, со бранный по двухтактной бестрансформаторной схеме, и импульсный индикатор включения СА. Акустическое усиление аппарата 87 дБ, максимальный выходной уровень 124 дБ. Начальный ток потребле ния (без сигнала) не более 108 мА. Частота вспышек светодиодного индикатора подобрана примерно 0,5 Гц, а соотношение выключен ного и включенного состояний светодиода — около 7, поэтому его потребление от источника питания мало. Питается СА от двух батарей напряжением 1,5 В. Размещен он в пластмассовом корпусе размером 59×85×16 мм. По субъективной оценке, этот СА обеспечивает хорошую разборчивость речи и позво ляет улучшить качество прослушивания музыки. Особенно большой выигрыш получен на участке 1–3 Гц, тогда как при использовании обычных слуховых аппаратов без коррекции звуки с такими часто тами практически не прослушиваются.

2. Методика и порядок выполнения лабораторной работы В лабораторной работе рассмотрены вопросы, связанные с измере нием слуховой чувствительности при определении состояния слухо вого анализатора, а также вопросы исследования порогов слухового ощущения с помощью аудиометров. Лабораторная работа выполня ется на компьютере. Программный продукт, используемый в лабораторной работе, предназначен для исследования и оперативного анализа аудиограм мы. Программное обеспечение является имитационным и обрабаты вает данные, генерируемые в самой программе. Задачи, предназначенные для реализации в программе, можно изобразить в виде модулей, выполняющих основные функции: — формирование интерфейса, позволяющего организовать связь пользователя, программной и аппаратной (если она есть) частей сис темы (модуль интерфейса); — генерацию исходных данных, обеспечивающую возможность проведения вычислений (модуль генерации выборки); — формирование результатов работы, которое должно происхо дить в двух модулях: вычисления показателей и построения кривой. 19

Исходные данные

Модуль вычисления показателей

Модуль интерфейса

Результаты

Выборка

Модуль генерации аудиограммы

Выборка, результаты

Модуль группировки и построение кривой

Рис. 10. Структурно?функциональная схема программы

Потоки исходных данных, формируемой выборки и результатов образуют замкнутую структуру приложения (рис. 10).

Порядок выполнения лабораторной работы 1. Включить компьютер. 2. Запустить программу «Prj». На мониторе появится главное окно программы. 3. В главном окне программы необходимо: — установить частоты звука в “диапазоне частот”, в котором бу дет производиться тестирование; — установить число циклов тестирования (максимум 3); — задать, с какого уха начнется тестирование (л/п); — выбрать вид отклонения из предложенных (по умолчанию бу дет выводиться норма). 4. Затем при желании можно заполнить необязательные поля: — ФИО пациента, возраст, пол. Данные поля представляют интерес при сохранении результатов. 5. Для начала обработки нужно нажать кнопку «файл», где будет кнопка «начать тестировать». 6. В главном окне программы представляются результаты обра ботки: — кривые (аудиограммы) для левого и правого уха; — в окне «краткое заключение» выводится краткая оценка со стояния слуха пациента. 20

7. Заполнить таблицу, выбрав два различных заболевания слуха, и зарисовать кривые аудиограммы для данных патологий. Кривая интенсивности слуха при различных патологиях Заболевание 1 — Частота, Гц

125

250

500

1000

1500

2000

3000

6000

8000

125

250

500

1000

1500

2000

3000

6000

8000

Уровень звука, дБ Заболевание 2 — Частота, Гц Уровень звука, дБ

8. Выход из программы осуществляется нажатием кнопки в верх нем правом углу окна или через кнопку «файл», нажатием на кнопку «выход». 3. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: 1) титульный лист; 2) графики аудиограмм; 3) выводы по проделанной работе.

4. Контрольные вопросы 1. Объяснить строение уха, состав слухового анализатора. 2. Рассмотреть структурную схему аудиометра и объяснить на значение и работу ее основных блоков. 3. Объяснить методику аудиометрии. 4. Рассказать о технических характеристиках аудиометра. 5. Почему человек, кривая порога слуха которого является кри вой поврежденного слуха (см. рис. 3), уже глухой, плохо понимает речь? 6. Объяснить принцип построения и работу принципиальных схем слуховых аппаратов.

21

Рекомендуемая литература 1. Розенблюм А. С., Цирульников Е. М. Новые методы диагности ки нарушения слуха. М.: Медицина, 1993. 53 с. 2. Катона Золтон. Электроника в медицине: Пер. с венг./Под ред. М. К. Размахина. М.: Сов. радио, 1980. 141 с. 3. Зайченко К. В., Кулыгина Л. А., Виноградова Е. П. Диагностиче ские измерения в медицинских системах: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2002. 156 с.

22

Лабораторная работа № 2 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ СТРЕССА Цель работы: ознакомление с методикой проверки лояльности персонала на фирме, изучение медикобиологических аспектов стрес совой ситуации при проверке на детекторе лжи (полиграфе).

1. Теоретические положения 1.1. Типы существующих детекторов лжи Известно, что именно на персонале фирмы лежит основная ответ ственность за ее успехи и неудачи. Люди способны выступать не толь ко источником конфиденциальной информации, но и субъектом зло намеренных действий. Руководство любого предприятия должно быть достаточно мудрым, интеллигентным и новаторским, чтобы понять простую истину: информационную безопасность в процессе отбора, проверки, подготовки, выдвижения и увольнения кадров обеспечить легче и дешевле, чем потом охранять. В настоящее время уверенно считается, что детекторы лжи оказывают неоценимую помощь в про верке кандидатов для работы с высокой степенью ответственности, в том числе связанных с большими материальными ценностями. Об эффективности работы этих устройств говорит тот факт, что доказа тельства, полученные с помощью детекторов лжи, признаются суда ми большинства штатов США. Например, доказательства, добытые с применением детектора лжи фирмы Dektor модели PSE101, при знаются судами шестнадцати штатов США. Определение лжи основывается на том факте, что человек, произ носящий заведомую ложь, испытывает в этот момент некоторый пси хологический стресс, вызывающий, в свою очередь, определенные физиологические изменения в его организме. Такие факторы как из менение размера зрачка и пересохший рот использовались для опре деления лжи на протяжении веков. Существуют два основных типа детекторов лжи: полиграф и ана лизатор стресса по голосу. Также существуют детекторы лжи, определяющие стресс по тре мору действий, по температуре. Полиграф — аппаратурный комплекс, служащий для объектив ной регистрации физиологических показателей: кожногальваниче 23

ской реакции, электроэнцефалограммы (ЭЭГ), электромиограммы (ЭМГ), артериального давления, плетизмограммы и т. д. — в целях анализа эмоциональных ответов на стимулы, предъявляемые во вре мя беседы, допроса. Первый полиграф запатентован Леонардом Кил лером в 1927 г. Сознательный контроль вегетативных функций, связанных с пере живанием тех или иных эмоций, для нетренированных испытуемых практически недоступен, в силу чего по получаемым показателям мож но сформулировать диагноз эмоциональной динамики во время диа лога. Показатель эффективности этой процедуры достигает 90 %. Для отображения данных полиграф использует не менее двух са мописцев: кардиографический и пневмографический. Выпускаются портативные и стационарные комплексы полигра фов. Эти устройства используются во многих направлениях для из мерения психофизического состояния человека, в том числе для рас следований, проводимых полицией, службой безопасности и част ными детективами. В последнее время полиграфы находят примене ние для оценки состояния космонавтов, летчиков, спортсменов, водителей транспортных средств, а также в медицине. Переносные 4 и 5канальные полиграфы позволяют записывать на обычную бумагу чернилами или на термобумагу показания кож ногальванической реакции человека, показания дыхания и крово обращения. Кроме так называемых перьевых, сейчас широко исполь зуются компьютерные полиграфы. Анализатор стресса по голосу использует особенности речи ис пытуемого при волнении. Известны различные методы и схемные ре ализации таких детекторов. Разработанный Дектором в 1970 г. PSE (психологический опре делитель стресса) запатентован в США, Великобритании, Канаде и Японии. PSE отражает неврологические изменения. В человеческом организме существует явление, называемое психологической дрожью или мускульной микродрожью. Она (дрожь) может проявляться по разному, с различной частотой. Дрожь проявляется как кратковре менные колебания или волнообразные движения работающих мышц. Величина этих колебаний наибольшая, когда организм находится в спокойном состоянии, и убывает пропорционально уровню стресса. Мембраны, образующие голосовые связки, управляются тремя груп пами мышц, придающих им такую форму, что воздух, проходя через мембраны, создает звук, высота которого частично зависит от напря жения мышц. Эффект мышечной микродрожи способен в небольших пределах влиять на частоту звука. Изменение частоты звука прямо пропорционально величине дрожи. Отклонения настолько малы, что 24

не улавливаются человеческим ухом. Тем не менее, этот эффект про является как в частотной модуляции голоса, так и в изменении его тембра. Мышечные вибрации происходят в диапазоне от 7 до 15 Гц, и соответственно, в этих же пределах изменяется звучание. Когда человек говорит в состоянии стресса, вызывая снижение модуляции, PSE реагирует на частотную демодуляцию голоса (ос новную и тембровую), сигнал обрабатывается, и результат представ ляется в виде ленточного графика. В обработке сигнала использует ся технология, почти на полвека опережающая применяемую в по лиграфе. Она позволяет избавиться от побочной информации и обес печивает более простую форму представления результата. Анализатор стресса по голосу VSA был запатентован Фредом Фул лером около двух лет спустя после появления PSE. Отличия VSA от PSE незначительны и вызваны, предположительно, требованиями патентования и маркетинговой компанией. Прибор снабжен цифровым дисплеем и печатающим устройством, что делает возможным последующий анализ результатов. Прибор VSA модели ІMARKIIІ портативен, помещен в элегантный атташе кейс. В комплект входят: кассетный магнитофон, ролики для графо построителя, выносной микрофон, телефонный адаптер и обучаю щая кассета. Габариты 33 × 14 × 43 см Вес 26 кг Питание 120–240 В, 50/60 Гц В конце 2000 г. южнокорейская компания 911Computer Co разра ботала карманный детектор лжи. Аппарат под названием «Handy Truster» размером с ладонь анализирует спектральный состав голоса человека и сравнивает его с паттернами (от англ. pattern — «обра зец», «шаблон»), соответствующими голосу человека, говорящего правду и преднамеренно лгущего. Предварительно проводится ка либровка. Идея сама по себе не нова, но для ее реализации с приемле мой эффективностью необходимы достаточно громоздкие вычисле ния. Благодаря современным технологиям специалистам удалось сде лать требуемый вычислитель весьма компактным. Результат отображается на экране в виде надкушенного яблока и крышки над чайником. Яблоко характеризует волнение и лукавство: слегка надкушенное — подозрительное волнение, половинка — по пытка избежать ответа, худой огрызок — ложь. Положение крышки описывает уровень стресса: на чайнике — человек спокоен, подлете ла в воздух — раздражен, вскипела до предела — взбешён. Анализатор стресса по температуре. Ученые из клиники Майо, штат Миннесота, разработали принципиально новый детектор лжи. 25

Принцип действия основывается на том, что, когда человек испыты вает психический дискомфорт — лжет либо лукавит, внутриглазное давление повышается, наблюдается прилив крови к глазным ябло кам, изза чего температура окологлазного пространства выше стан дартной. Прибор представляет собой термокамеру, фиксирующую в инфракрасном изображении изменение температуры. Самая малень кая камера может иметь размеры почтовой марки. Изображение по ступает на ПК. В России полиграфы действующим законодательством отнесены к специальным техническим средствам негласного получения инфор мации. В то же время допускается их использование в сфере частного предпринимательства как «технологии двойного назначения». Од нако использование детекторов лжи в России пока ограничено изза отсутствия правовых норм, устанавливающих четкие критерии и области их применения. В то же время крупные банки, корпорации, посреднические агентства по найму персонала реально нуждаются в применении этих приборов.

1.2. Особенности и методика использования полиграфов — детекторов лжи Проблема выявления лжи или обнаружения неискренности в по ведении человека имеет довольно давнюю историю, потому что в ос нове этого испытания лежит твердо установленный и известный факт, что наше телесное состояние связано очень тесно и прямо с душевны ми переживаниями. Если мы встревожены, обеспокоены, возбужде ны, нам страшно, то у нас появляется эмоциональное напряжение. Это эмоциональное напряжение проявляется в различного рода фи зиологических показателях: учащается или снижается частота пуль са, ритм дыхания, статическая проводимость кожи, температура кожи, характер биотоков кожи. Таким образом организм реагирует на возникшие затруднения, стараясь выйти из создавшегося поло жения, занимая состояние повышенной мобилизованности. Можно зафиксировать такую эмоциональную реакцию человека, сопровождающуюся физиологическими изменениями, которые воз никают ввиду создавшихся трудностей. Эмоции — это непосредственная реакция человека на внешнее или внутреннее воздействие, выражающая его готовность действовать определенным образом. Эмоции находят проявление в показателях и, что характерно, эти показатели проявляются непроизвольно, про тив воли и желания человека. Конечно, коекакие реакции человек 26

может регулировать физиологически, но далеко не все, а тем более, когда он находится в состоянии напряжения, в состоянии интеллек туального поиска, как правильно сказать, как правильно среагиро вать, как правильно держаться. Многое упускается изпод контро ля, а вот полиграф фиксирует эти реакции объективно. Имеет колоссальное значение психологическая подготовка опера тора и его умение воздействовать на испытуемого. То, что мы получа ем в записи, мы используем как средство воздействия на испытуемого с тем, чтобы потом по результатам обсуждения с ним того, что мы получили в записи, добиться какихто дополнительных показаний. Но есть и слабые стороны проверки, которые нельзя упускать из виду. Вопервых, реакция человека, такая как частота пульса, ды хание и др., имеет универсальный характер и проявляется не только на те стимулы, которые мы создаем, задавая ему вопросы, но и на смех, кашель, боль, лекарственные препараты. Важная, значимая для оператора реакция, которую он ищет, может быть растворена и в других подобных проявлениях. Человек, например, сжимает паль цы сильно в кулак и у него может пойти такая же реакция, которая возникает, когда мы задаем вопрос, имеющий отношение к расследо ванию. Это проявляется так называемый ориентировочный рефлекс. Очень трудно подобрать вопрос, чтобы он был значим для прове ряемого, особенно при подборе кадров. Есть две очень важные, раз личающиеся одна от другой процедуры. Когда мы ведем расследова ние по поводу конкретного поступка, хищения, например, денег из кассы — это конкретный факт, а когда мы берем на работу человека, нужно выяснить, какое у него прошлое, как он вел себя на прежних местах работы, и здесь действовать приходится вслепую. Нужно найти и задать именно те вопросы, которые будут значимы для этого человека. Чтобы это понять, нужно провести с ним дли тельное собеседование, изучить его образ жизни, выяснить его жиз ненный путь. Найти нужные вопросы — это искусство оператора по лиграфа, искусство экзаменатора. В некоторых случаях происходит вытеснение неприятных переживаний не только из сознания, но и из подсознания. У проверки на полиграфе есть особенности, которые не позволяют говорить, что эта методика 100%ная и даст нам то, что мы хотим. Она даст нужный эффект, если мы будем соблюдать те требования, о которых пойдет речь дальше. Создание «атмосферы» проверки. Полиграф работает тогда, когда есть испытуемый, есть датчики, которые мы на него ставим, делаем запись, регистрируем все показа тели, сравниваем потом значимые с незначительными моментами и 27

делаем соответствующие выводы. Трудности заключаются в том, что человек помещается в какието необычные условия. Он должен сесть в кресло, ему ставят датчики — все это напоминает медицинское об следование, и у проверяемого возникает возбуждение. Известны случаи, когда человек, приходя к врачу измерить давле ние, сразу реагирует повышением давления на сам факт, что давле ние будет измеряться. Здесь тоже возникает ориентировочный реф лекс, который надо бы снять. Поэтому задача заключается в том, чтобы приблизить испытания на полиграфе к естественным услови ям, т. е. сделать так, чтобы не надо было ставить датчики, чтобы проверяемый вообще не предполагал, что его испытывают. Есть полиграфы, которые ориентированы на анализ самой инфор мации, есть попытки создания полиграфов, когда в качестве физио логического показателя эмоционального напряжения рассматрива ется запах человеческого тела (есть такой эффект, когда испытуе мый помещается в специальную камеру, где вокруг тела образуется светящийся электрический разряд). Подбор кандидатов для проверки на полиграфе. Не всякий человек пригоден для испытаний на полиграфе, так как есть очень эмоционально возбудимые личности, которые на са мые безобидные вопросы реагируют с повышенной эмоциональнос тью. Есть люди, наоборот, эмоционально «уплощенные», у них до зна чимого вопроса дойти весьма сложно. Поэтому для испытаний на по лиграфе подходит нормальный, эмоционально уравновешенный че ловек, который нормально, адекватно реагирует на то, что с ним про исходит, и тогда его можно действительно проверять на полиграфе. Вопросник для проверки на полиграфе. В настоящее время разработаны принципы по выбору вопросов, которые задаются во время проверки с помощью полиграфа. Выбор нужного метода целиком зависит от ситуации, в которой проводится проверка. Как известно, если проверяется конкретный инцидент, конкретное преступление, нужна одна серия вопросов. Если необходимо отобрать человека с точки зрения надежности его работы, то задаются другие вопросы. Критические вопросы имеют прямое отношение к предмету проверки. Например, к одному из ас пектов произошедшей кражи в учреждении вопросы были поставле ны конкретно: «Вы взяли из кассы 500 долларов?» Это целевой, кри тический вопрос, который нам нужно выяснить. В более широком плане он может быть таким: «Вы сообщали секретные сведения ли цам, которым не положено их знать?» Нейтральные вопросы, в от личие от целевых, значимых, не имеющие отношения к проводимо 28

му расследованию, оказывают незначительное воздействие на нервную систему, не должны создавать повышенной эмоциональной реакции. Например, вопросы: «Ваша фамилия Петров?» или «Сегодня — чет верг?» — это нейтральные вопросы, которые нужны, чтобы создать фон для сравнения реакции испытуемого на критические вопросы и нейтральные. Если различие будет значительным, то делается вы вод, что этого человека нужно взять на контроль, на подозрение. Контрольные вопросы, как и нейтральные, не связаны с предме том расследования, но в отличие от последних они несут все же зна чительную эмоциональную нагрузку. Можно спросить испытуемого: «Вы когданибудь нарушали закон?» Такой вопрос является конт рольным, так как каждый человек в течение своей жизни когдани будь совершал правонарушения. Методики постановки вопросов. Имеется три типа вопросов: значимые и целевые вопросы, нейт ральные для создания фона и контрольные. Для того чтобы отли чить реакции на нейтральные и целевые вопросы, избирается опреде ленная техника постановки вопросов. Так называемый нейтрально?целевой метод был разработан клас сиком полиграфии Макстаном еще в 1917 г. Он долгое время являл ся стандартным при проверке. Существо нейтральноцелевого мето да в следующем. Берется группа вопросов: — нейтральные, не имеющие отношения к делу; — значимые, которые мы хотим выяснить, ведущие к цели рас следования, чтобы определить отношение человека к тому или ино му делу. В разных вариантах они могут идти вперемешку, например, один значимый, потом нейтральный; или могут идти зонами, например, пять нейтральных, затем группа из пяти критических, потом опять пять нейтральных — пять критических. Все это записывается на бумагу и на фонограмму, и операторы смотрят, как человек реагиро вал на группу нейтральных вопросов и на критическую группу — есть различия или нет. Идет полное сравнение ответов испытуемого на те или иные вопросы. Если вопросы задавались вперемешку, то, соответственно, смотрят по отдельности, как он реагировал на эти вопросы. Считается, что люди, говорящие правду, будут во всех слу чаях реагировать одинаково, спокойно воспринимая как нейтраль ные, так и критические вопросы, поскольку критические вопросы отношения к ним не имеют. Конечно, каждый хочет предстать честным, порядочным, лояль ным человеком. Иногда эмоционально утонченные и легко возбуди мые люди приходят в замешательство и от нейтральных вопросов. 29

Например, даже вопрос: «Ваша фамилия какая?» — может вызвать затруднение. Здесь есть проблема свершения реакции на значимые и на нейтральные вопросы. Кроме того, физиологические функции, искажая общую картину, могут иметь решающее влияние, если к тому же они усиливаются или подавляются, например, медикаментами, а также начальным эмоциональным состоянием человека, усталостью, тревогой и дру гими факторами. Данный метод, будучи относительно простым, обладает комбина цией различных вариаций. Особенно, когда оператору известна ин формация, которую пытается скрыть проверяемое лицо. Такой ме тод может быть единственно доступным при приеме на работу. Организаторам проверки чаще всего неизвестно, что является глав ным скрываемым моментом у проверяемого, что он совершил, какие недостатки у него имеются в характере, в поведении. Поэтому ему задаются нейтральные с точки зрения оператора вопросы. Методика постановки вопросов с включением пяти конт? рольных вопросов является наиболее распространенной при прове дении расследования по конкретным делам, когда чтото конкретное уже произошло. Методика содержит значимые вопросы, которые, как кажется, вызовут соответствующую реакцию у виновных лиц. Этот тест включает и контрольные вопросы, сформулированные таким образом, чтобы заставить невиновного заметно изменить свои физи ологические показания. Идея состоит в том, чтобы измерить таким образом общую неактивность индивида, сравнить ее с реакцией на значимые вопросы. Если четкого различия не усматривается, то счи тается, что тест не дал однозначного результата и нет необходимости его повторять. Контрольные вопросы необходимо тщательно формулировать. От вечая на них, невиновный, как правило, испытывает сомнение отно сительно искренности, правдивости собственных слов. Обычно по добные вопросы касаются прошлых поступков человека, похожих на совершенное преступление, или личных, мелких проступков, ко торые присущи большинству людей. Контрольный вопрос может звучать так: «Совершали ли Вы в воз расте до 25 лет кражи на вашем рабочем месте?» Или, например, есть такой вопрос: «Изменяете ли Вы своей жене?», т. е. должны касаться какихто нарушений или проступков в жизни человека. Если человек действительно не виновен, его это заставит поколебаться. Если человек виновен в чемто, то этот вопрос будет для него важ ным. 30

Подобные контрольные вопросы, как правило, охватывают зна чительные периоды жизни, что с большей вероятностью способно породить неуверенность и вызвать сомнения в правдивости своих ответов. Вот это и нужно нам создать. Чтобы облегчить ответы на критические вопросы, мы начинаем серию таких контрольных воп росов. Как правило, материал для формулирования контрольных вопросов собирается в ходе предварительных интервью или каких либо других действий, связанных с изучением проверяемого поли графом лица. Оператор не информирует проверяемого о различиях между значимыми и контрольными вопросами, а поясняет, что пос ледние необходимы для определения общей способности лица совер шить расследуемый поступок. Инструктируя, оператор специально подчеркивает моментность коротких, но категоричных ответов, т. е. «Да» или «Нет», и предупреждает, что прибор зарегистрирует лю бую неуверенность, неточность, неискренность. Другими словами, создается ситуация, заставляющая проверяемого поверить, что от него требуется сущая правда. В действительности экзаменатор хочет вызвать у объекта чувство собственной искренности. Поэтому конт рольные вопросы задаются преднамеренно таким образом, чтобы на них было практически невозможно ответить в категоричной форме, хотя оператор просит отвечать «Да» или «Нет», и по-этому вызыва ют замешательство. Тест со скрытыми вопросами (ТСВ) — эта такая разновидность техники постановки вопросов, которая базируется на совершенно других предпосылках, чем тест нейтральноцелевых вопросов или тест контрольных вопросов. Данный тест, в частности, имеет целью выяснить такие познания о преступлении, которые доступны лишь лицам, его совершившим. Тут нужно точно знать какието конкрет ные детали, которые мог видеть только этот человек. Деталь или подробность играет ключевую роль. Это и есть скрытый вопрос. В свое время ТСВ был предложен в качестве альтернативного тес ту контрольных вопросов, однако специалисты не прибегают к нему, когда концентрируют события доверия или недоверия. Проведение ТСВ возможно только в том случае, когда экзаменатор располагает большой информацией, т. е. мы должны знать детали, которые неви новный не знает, но виновному они очень хорошо известны. При этом эти подробности не могут быть обличены в нейтральную форму. Эти три последовательности вопросов в основном исчерпывают ме тодику испытаний на полиграфе. Есть и другие варианты. Можно, например, не задавать вопросы человеку, а говорить отдельные сло ва, отвечать на которые проверяемому нужно только первым при шедшим в голову словом. Когда идет значимое слово, у проверяемого 31

появляется замешательство: он говорит с задержкой дыхания, мо жет кашлянуть, может улыбнуться непроизвольно, т. е. происходит какаято реакция, которая особо заметна.

1.3. Физиологические основы проведения проверки на полиграфе Для того чтобы представлять стрессовую реакцию, мы должны сначала понять ее основы, связанные с анатомией и физиологией не рвной системы человека. Основной анатомической единицей нервной системы является ней? рон. Функция нейрона заключается в проведении сенсорных, мотор ных или управляющих сигналов через все тело (рис. 1). Нейрон со стоит их трех основных функциональных элементов: дендритов, ко торые принимают приходящие к нейрону сигналы; клеточного тела или сомы нейрона, которое содержит в себе клеточное ядро, и аксона, который отводит импульсысигналы от клеточного тела и передает сигнал на другой дендрит или соответствующий органмишень. Од нако прежде чем произойдет эта передача сигнала, импульс должен пойти через область, называемую синапсом. Этот переход осуществ ляется при помощи различных медиаторов, которые являются не чем иным, как химическими веществами, высвобождаемыми в нервных окончаниях аксона. Эти вещества — нейротрансмиттеры — преодо левают синаптическую щель и дают возможность импульсу продол жить свой путь. Медиаторами, вызывающими наибольший интерес при изучении стресса, являются норадреналин (норэпинефрин) и аце тилхолин. Акт передачи импульса по нейрону основан на сложных процес сах электрохимической проводимости. Эта электрохимическая ак Дендрит

Путь нервного импульса Синапс Тело клетки

Аксон Ядро клетки

Рис. 1. Строение нейрона 32

Нервные окончания

тивность появляется при движении ионов через мембрану аксона. Передача импульсов является электрическим феноменом, который можно измерить, и затем наблюдать увеличение амплитуды пика по тенциала действия при деполяризации (рис. 2). Этот поддающийся измерению электрический феномен лежит в основе электрофизиоло гических исследований, таких как электромиография, электрокар диография и др. Согласно анатомической точки зрения, существуют две основные нервные подсистемы: центральная нервная система (ЦНС) и перифе рическая нервная система. Центральная нервная система состоит из головного и спинного моз га. П. Маклейн (Paul MacLean, 1975) назвал мозг человека «тройным мозгом» изза наличия в нем трех функциональных уровней (рис. 3). Неокортекс представляет собой высший уровень тройного мозга и является наиболее сложно устроенным компонентом мозга челове ка. Помимо таких функций, как декодирование и интерпретация сен + 40 мВ

Потенциал последействия

– 70 мВ Потенциал покоя

Потенциал действия 1,5 мкс

Na+

Cl–

Cl– Na+

Cl– K+ A–

K+

A–

K+

A–

Na +

Поляризация

Деполяризация

Реполяризация

Отрицательный заряд внутри аксона, положи тельный — снаружи

Возникает при движении ионов Na + в аксон

При движении ионов K + наружу

А– — органические анионы

Рис. 2. Передача сигнала через нейрон 33

Неокортекс Неокорти кальный уровень

Лобная доля

Поясная извилина Гипоталамус

Таламус Либический уровень

Область пере городки Миндалевидное тело Гипофиз Гипокамп

Вегетативный уровень

Спинной мозг Ретикулярная формация

Рис. 3. Строение головного мозга

сорных сигналов и сообщений, высшее управление поведением в мо торнодвигательной (скелетномышечной) сфере, неокортекс (преж де всего, лобная доля) управляет процессами воображения, логиче ского мышления, построения умозаключений, памяти, решения про блем, планирования и прогнозирования. Лимбическая система является главным компонентом второго уровня тройного мозга. Лимбическая область мозга представляет интерес в обсуждении проблемы стресса вследствие ее роли как цент ра эмоционального (аффективного) контроля, которую она выпол няет в мозге человека. Лимбическая система рассматривается имен но как система, состоящая из многочисленных нервных структур, например гипоталамуса, гипокампа, перегородки, поясной извили ны и миндалевидного тела. Гипофиз играет в этой системе важную роль, поскольку является ее самой главной эндокринной железой. Ретикулярная формация и ствол мозга представляют собой низ ший уровень тройного мозга. Основная роль этого уровня состоит в управлении вегетативными функциями (сердцебиение, дыхание, ва зомоторная активность) и в проведении импульсов через ретикуляр ную формацию и передаточные центры таламуса по направлению к высшим уровням тройного мозга. Что касается спинного мозга, то он представляет собой централь ный путь, который состоит из нейронов, проводящих сигналы в мозг и от него. Он участвует также в осуществлении некоторых рефлексов с автономной регуляцией. 34

Периферическая нервная система включает в себя все нейроны организма, которые не входят в ЦНС. Анатомически перифериче скую нервную систему можно представить себе как продолжение ЦНС — в том смысле, что функциональные центры управления пе риферической нервной системой находятся в ЦНС. Периферическую нервную систему можно разделить на две подси стемы: соматическую и автономную. Соматическая система передает сенсорные и моторные сигналы к ЦНС и от нее. Она иннервирует органы чувств и поперечнополоса тую мускулатуру, т. е. обеспечивает их нервами и, следовательно, связью с ЦНС. Автономная система передает импульсы, осуществляющие регу ляцию внутренней среды организма и поддержание гомеостаза (ба ланса). Автономная система, следовательно, иннервирует сердце, гладкую мускулатуру и железы. Автономную нервную систему можно далее подразделить на два отдела — симпатический и парасимпатический. Симпатический от дел автономной нервной системы связан с подготовкой организма к действию. Его влияние на иннервируемый орган заключается в об щей активации. Парасимпатический отдел автономной нервной сис темы связан с восстановительными функциями и расслаблением орга низма. Его основное действие проявляется в торможении и поддер жании гомеостаза организма. Основные специфические эффекты сим патической и парасимпатической активации на соответствующие «концевые органы» обобщены в табл. 1. Единой нитью рассмотрения биологии нервной системы человека является представление о временной последовательности процесса Таблица 1 Критерий и органы

Симпатическая НС

Парасимпатическая НС

Функция

Эрготропная Катаболизм

Трофотропная Анаболизм

Активность

Диффузная

Дискретная

Анатомия Отходит от спинного мозга

Груднопоясничный отдел

Черепномозговой и крестцовый отделы

Расположение ганглиев

Вблизи от спинного мозга

Вблизи от органа мишени

Норадреналин (адренергический)

Ацетилхолин (холинергический)

Постганглиозный ме диатор

35

Окончание табл. 1 К ритерий и органы

Симпатическая НС

Парасимпатическая НС

Специфическое действие Зрачок глаза

Мидриаз

Миоз

Молочная железа

–

Стимулируется секреция

Слюнные железы

Скудный, густой секрет

Обильный, водянистый секрет

Сердце

Увеличение ЧСС

Уменьшение ЧСС

Увеличение сократи мости

Замедление метаболизма

Возрастание темпа спонтанных желудо чковых водителей ритма

–

Кровеносные сосуды Кожи и слизистой

Сокращение

–

Скелетных мышц

Расширение

–

Мозговые

Сокращение

Расширение

Почечные

Сокращение

–

В основном сокраще ние

–

Бронхи

Расширение

Сокращение

Потовые железы

Стимуляция

–

Печень

Глюкогенолиз (для выделения глюкозы)

Изгоняется желчь

Селезенка

Сокращение (для вы деления в кровь за паса эритроцитов)

–

Мозговой слой надпочечников

Выделение адренали на (эпинефрин) и норадреналина (норэпинефрина)

–

Желудочнокишечная система

Тормозится пищева рение

Усиливается пищева рение

Уменьшается пери стальтика и тонус

Усиливается пери стальтика и тонус

Уменьшается мочевы деление

?

Поднятие волоса

–

Эякуляция

Эрекция

Внутрибрюшные

Почки Волосяные фолликулы Мужские половые органы

36

стрессовой реакции. Наиболее быстрый ответ на стрессовый раздра житель осуществляется через прямую иннервацию концевых орга нов. Стрессовые эффекты средней продолжительности связаны с ней роэндокринной осью «битва—бегство». Время реакции этой оси уменьшается за счет использования в качестве транспортного меха низма системы кровообращения. Однако эффекты этой оси, варьиру ясь от среднепродолжительных до хронических, могут перекрывать ся воздействием последней системы, реагирующей на раздражи тель, — эндокринными осями. Эндокринные оси представляют со бой пути, по которым реагирование на стрессоры происходит в последнюю очередь. Это обусловлено прежде всего тем, что практи чески единственным транспортным механизмом реакции является система кровообращения и что для активации этой оси требуется бо лее интенсивный раздражитель. Механизмы стрессовой реакции представляют собой набор реак ций, которые потенциально могут возникнуть при воздействии стрес сора на организм человека. Из описания влияния стресса на функ ции организма непосредственно следует, что для многофункциональ ного анализатора информативными физиологическими параметра ми являются: 1) частота сердечных сокращений (пульс); 2) изменение кровяного давления; 3) частота и глубина дыхания; 4) температура кожи; 5) кожногальванический эффект (электрическая проводимость кожного анализатора); 6) электромиография.

1.4. Устройства съема информации, свидетельствующей о стрессе Электромиографические методы измерения Электромиография — метод исследования нервномышечной сис темы, основанный на регистрации и анализе биоэлектрических по тенциалов. Электромиография стрессовой реакции включает в себя оценку влияния стрессовой реакции на поперечнополосатую мускулатуру. ЭМГ, в сущности, можно рассмотреть как косвенное определение мы шечного напряжения. Оно является косвенным в том смысле, что измеряет электрохимическую активность нервов, иннервирующих 37

данную поперечнополосатую мышцу, а не истинное напряжение, вы зываемое сокращением мускулатуры. Активность поперечнополо сатой мышцы стала рассматриваться как индикатор стрессовой ре акции после одной из ранних работ Э. Якобсона (Edmund Jacobson, 1938), в которой он отметил существование высокой положитель ной корреляции между стрессовой активацией и напряжением попе речнополосатой мышцы. Хотя и не безоговорочно, но многие исследователи пришли к зак лючению, что регистрация ЭМГактивности лобной области может быть полезным индикатором генерализованной активности симпа тической нервной системы. Практическое преимущество использо вания ЭМГ регистрации стрессовой реакции состоит в доступности для измерения мышечных групп. Большинство клиницистов рабо тает с лобной мускулатурой, но и трапециевидная (верхние отделы), плечелучевая и грудиноключичнососковая группы мышц также могут использоваться для измерения стрессовой ситуации. Амплитуды биопотенциалов колеблются в пределах от 10 мкВ до нескольких милливольт. Частотный диапазон сигналов от 1 до 20000 Гц (имеются ссылки некоторых авторов на наличие в ЭМГ со ставляющих с частотами порядка сотен килогерц). В электромиографии используется два вида электродов по конст руктивному исполнению — поверхностные (накожные) и игольча тые (подкожные). Игольчатые электроды позволяют регистрировать потенциал дей ствия одной или немногих близлежащих мышц. Такие электроды либо хиругически имплантируют, либо вводят с помощью иглы для подкож ных инъкций. В полиграфе для съема ЭМГ используют поверхностные электроды, позволяющие измерить интерференционную (суммарную) ЭМГ. Поверхностные электроды можно разделить на металлические, емкостные, резистивные, резистивноемкостные. В полиграфе наибо лее удобно использовать плоские металлические электроды. Они пред ставляют собой пластины или диски из серебра, стали, олова и т. д. площадью около 0,2–1 см2. Два таких электрода укрепляются на коже в том месте, где контурируется мышца, вдоль хода ее волокон. Для лучшего крепления на электроды накладывают эластическую манже ту. Расстояние между электродами 2 см. Для стабилизации расстоя ния и более равномерного прижатия электродов к коже они вмонтиро ваны в рамку из пластмассы. Для снижения межэлектродного сопро тивления кожу перед наложением электрода протирают спиртом и смачивают изотоническим раствором хлорида натрия. Для снижения переходного сопротивления кожа — электрод на область кожноэлек тродного контакта наносят специальную электродную пасту. 38

Независимо от типа электродов различают два способа отведения электрической активности — моно и биполярный. В ЭМГ монопо лярным называется такое отведение, когда один электрод распола гается непосредственно вблизи исследуемого участка мышц, а вто рой — в удаленной от него области. Преимуществом монополярного отведения является возможность определить форму потенциала ис следуемой структуры и истинную фазу отклонения потенциала. Не достаток заключается в том, что при большом расстоянии между элек тродами в запись вмешиваются потенциалы от других отделов мыш цы или даже от других мышц. Биполярное отведение — это такое отведение, при котором оба электрода находятся на достаточно близком и одинаковом расстоя нии от исследуемой области мышцы. Биполярное отведение в малой степени регистрирует активность от отдаленных источников потен циала, особенно при отведении игольчатыми электродами. Влияние на разность потенциалов активности, поступающей от источника на оба электрода, приводит к искажению формы потенциала и невоз можности определить истинную фазу потенциала. Тем не менее, вы сокая степень локальности делает этот способ предпочтительным в клинической практике. Кроме электродов, разность потенциалов которых подается на вход усилителя ЭМГ, на кожу исследуемого устанавливают поверхност ный электрод заземления, который присоединяют к соответствую щей клемме на электродной панели электромиографа. Цепь этого электрода закорачивает емкостную разность потенциалов между те лом больного и землей и способствует ликвидации емкостных токов, возникающих в результате действия полей переменного промышлен ного тока. Современный электромиограф представляет собой сложное уст ройство, состоящее из электродов для снятия биопотенциалов мышц, усилительного блока, осциллоскопа, интегратора ЭМГ, анализато ра, репродуктора, вычислительного устройства и устройства вывода цифровой и графической информации (рис. 4). Часть электромиографа, состоящая из усилительного блока и ос циллоскопа, называется миоскопом. Миоскоп имеет от одного до четы рех независимых друг от друга усилительных блоков, что позволяет одновременно исследовать четыре электромиографических сигнала. Интегратор ЭМГ применяют для обработки информации, заклю ченной на электромиограмме. Анализатор ЭМГ необходим для выде ления амплитуды отдельных составляющих частотного спектра ЭМГ для последующей их обработки. В современных электромиографах обработка полученной информации осуществляется с помощью ЭВМ. 39

Репродуктор

Электроды для снятия биопотенциа лов мышц

Усилитель ный блок

Блок анализа ЭМГсигнала

Блок вывода результатов анализа

Осциллоскоп

Рис. 4. Структурная схема прибора для исследования ЭМГ покоя и про? извольного сокращения мышцы

Электронновычислительное устройство, осуществляющее обра ботку входного сигнала, состоит из двух блоков: аналогоцифрового преобразователя (АЦП), преобразующего непрерывный колебатель U, мВ 35

30

25

20

15

10

0

0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

0,24 0,28 0,32 0,36 0,4

Рис. 5. ЭМГ при норме (___) и стрессе (? ? ?) 40

0,44 0,48 t, c

ный процесс в последовательность соответствующих числовых зна чений амплитуды, снимаемых через заданные интервалы времени, и блока обработки цифровых данных. АЦП должен обладать доста точным быстродействием, чтобы обеспечить в реальном масштабе времени точное воспроизведение высокочастотных колебательных сигналов. Частота квантования зависит от типа исследуемых сигна лов, от времени обработки сигнала в вычислительной части. Вычис лительное устройство, обрабатывающее данные вызванных потен циалов, осуществляет процедуру суммации последовательных отрез ков усиленной электрической активности и сохранение их в памяти. Для этой цели используются различные ЭВМ, обладающие достаточ ным быстродействием и объемом памяти. Анализ ЭМГкривых проводится непосредственно на экране ос циллоскопа (измерение латентного периода, амплитуды, частотных характеристик) или с помощью ЭВМ (спектральный анализ ЭМГ, ав томатический подсчет латентных периодов, амплитуд, усреднение кривых). Дальнейшее развитие прибора идет по пути автоматизации управления работой прибора, автоматизации обработки ЭМГ. Обычно в современных электромиографических установках ЭМГ покоя, произвольного сокращения и вызванных потенциалов регис трируется одним прибором в разных режимах работы (рис. 5).

Гемодинамические способы измерения Измерения гемодинамических аспектов стрессовой реакции (СР) предусматривают оценку влияния СР на сердце и сосудистую систе му. Двумя наиболее распространенными гемодинамическими крите риями оценки является периферический кровоток (ПК) и частота сер дечных сокращений (ЧСС). В исследованиях ПК обычно определяют при помощи плетизмо графии. Плетизмографией называется метод непрерывной регистра ции изменений объема органа или части тела, вызванных изменени ем кровенаполнения всех находящихся в них кровеносных сосудов. Регистрируемая при этом кривая называется плетизмограммой. Са мыми частыми объектами для плетизмографических исследований являются пальцы рук и ног, икры и предплечья. У большинства лю дей при СР объем крови в этих местах уменьшается. Это явление обыч но рассматривается как следствие прямой нервной импульсации, поступающей к кровеносным сосудам и вызывающей сосудосужива ющий эффект. Уменьшение кровотока к этим областям приводит так же к понижению температуры кожи. При этом ПК может определяться 41

по температуре кожи, измеряемой в любой из четырех вышеупомя нутых анатомических областей. С клинической точки зрения, температура кожи является даже более удобным показателем по сравнению с данными плетизмогра фии. Частота сердечных сокращений определяется обычно посредством какойлибо плетизмографической методики или ЭКГ. Плетизмогра фическое определение ЧСС гораздо более удобно в детекторах лжи. В зависимости от параметра, который используется в качестве кри терия изменения объема (кровенаполнения), различают механиче скую, электрическую и фотоэлектрическую плетизмографию. Для полиграфических исследований применяют механический пальцевый плетизмограф (рис. 6). Принцип действия механических плетизмографов основан на свой стве жидкостей и газов сохранять неизменным свой объем при посто янном давлении и температуре. Исследуемая часть тела (палец) по мещается в замкнутый сосуд, заполненный воздухом и соединенный с регистрирующим устройством. В механической плетизмографии ис пользуют различные способы регистрации: оптическую, механиче скую, электрическую. При электрической регистрации используют фотоэлектрические, тензометрические, емкостные, механоэлектри ческие датчики. В полиграфе наиболее удобен тензометрический спо соб, который заключается в том, что на мембране (подвижной части) плетизмографа укрепляется проволочный тензометр, сопротивле ние которого меняется при деформации мембраны. Увеличение объе ма пальца приводит к растяжению проволоки и, соответственно, уве личению сопротивления. Кривые с выхода плетизмографа представ лены на рис. 7. В зависимости от назначения устройство съема плетизмографа при использовании его непосредственно для регистрации кровенаполне ния должно обеспечивать регистрацию истинного изменения объема без увеличения давления в системе, а при использовании плетизмо Пальцевый плетизмограф

Согласующее устройство

Блок усиления

Блок фильтрации

Аналоговое регистрирующее устройство

Дисплей

МикроЭВМ

АЦЦ

Рис. 6. Структурная схема плетизмографа 42

U, мВ 60

50

40 30

20

10 0 0

0,08 0,16

0,24 0,32

0,4

0,48 0,56 0,64 0,72

0,8

0,88

0,96 t, c

Рис. 7. Плетизмограмма при норме (___) и стрессе (? ? ?)

графа для регистрации пульсовых осцилляций при измерении арте риального давления — регистрацию истинного изменения давления без увеличения объема. Оценка ЧСС при помощи ЭКГ является, не сомненно, более точной, но и более ограниченной с практической точ ки зрения.

Измерение артериального давления Артериальное давление — важный показатель состояния сердеч нососудистой системы. Уровень артериального давления зависит от ряда факторов: количества крови, поступающей в сосудистую систе му в единицу времени, величины оттока крови через прекапиллярное русло, емкости сосудистой системы, вязкости крови. В нормальных условиях эмоциональные воздействия, особенно отрицательного характера, приводят к повышению артериального давления. Это связано в первую очередь с возрастанием тонических влияний структур гипоталамуса и лимбикоретикулярных образо ваний мозга на бульбарные симпатические (сосудосуживающие) от делы сосудодвигательного центра. Благодаря этому усиливаются то нические симпатические, а затем и гормональные влияния на арте риолы и сердце, что приводит к повышению артериального давле ния, которое остается повышенным до тех пор, пока сохраняется 43

достаточная интенсивность этих возбуждений. Любое повышение артериального давления, вызванное действием на организм физиче ских и эмоциональных факторов, является на какойто период вре мени приспособительным, так как оно обеспечивает оптимальные условия физической и эмоциональной деятельности. Из большого числа способов бескровного определения артериаль ного давления в настоящее время практическое распространение по лучили два — звуковой и осциллографический. Звуковой способ, предложенный Н. С. Коротковым (1905), благодаря простоте и дос тупности завоевал всеобщее признание и не имеет себе равных по прак тической значимости. Однако он не лишен ряда недостатков. К ним относятся субъективность, непостоянство звуковых явлений, невоз можность определить среднее артериальное давление. Данные, по лученные звуковым способом, иногда расходятся с показаниями дру гих приборов. Усовершенствованным вариантом инструментальной регистрации артериального давления явился тахоосциллографический способ, предложенный Н. Н. Савицким (1963). Его принципиальная осо бенность заключается в том, что оптически регистрируются не изме нения объема сосуда, расположенного под манжетой, а скорость этих объемных изменений. Получаемая таким способом дифференциаль ная кривая имеет характерные изменения в своем нижнем диастоли ческом отрезке. Поэтому индикатором всех видов давления являют ся не изменения высоты осцилляций, а деформация нижней части тахоосциллограммы. Это позволяет с большой точностью опреде лить 4 величины, характеризующие артериальное давление: мини мальное, среднее, боковое и максимальное. Ошибка этого способа U, мВ 180 160 140 120 100 80 60 0 0,2 0,4

0,6 0,8

1

1,2 1,4

1,6 1,8

2

2,2 2,4

Рис. 8. Изменение давления при норме (___) и стрессе (? ? ?) 44

2,6 2,8

t, c

не превышает 5–6 мм рт. ст., что значительно меньше, чем при дру гих бескровных способах регистрации. С помощью тахоосциллогра фической методики удается улавливать даже незначительные сдви ги в сердечнососудистой системе под влиянием различных воздей ствий. Методика исследования: на предплечье накладывают манжету, которая соединяется с датчиком механокардиографа. Колебания, возникающие в наполненной воздухом манжете, передаются через резиновый шланг на дифференциальный манометр, который соот ветственно фиксирует на ультрафиолетовой или фотобумаге опреде ленного вида осцилляции. Пульс регистрируется отдельным датчи ком, наложенным на лучевую артерию в области лучезапястного су става. Показатели артериального давления и пульса регистрируют ся одновременно; весь процесс записи занимает 15–20 с (рис. 8).

Пневмографические методы исследования Измерения пневмографических аспектов СР предусматривают оценки влияния СР на дыхательную систему человека. Двумя наи более распространенными показателями являются частота и глуби на дыхательных движений. Запись дыхательных движений осуще ствляется с помощью пневмографа (рис. 9). Его наиболее простая конструкция состоит из манжеты, подоб ной той, что надевается на руку при измерении давления. Манжета укрепляется с помощью тесемок к нижней части грудной клетки ис пытуемого. Затем система заполняется воздухом и герметизируется. Запись изменения давления в манжете производится на кимографе или через пьезодатчик на чернильнопишущем самописце. Недостат ком таких измерений являются большие артефакты от мышечных напряжений. Кроме гидродинамического датчика, которым являет ся манжета, можно использовать магнитные датчики (растяжение

Пневмодатчик

Согласующее устройство

Блок усиления

Блок фильтрации

Аналоговое регистриру ющее устройство

Дисплей

МикроЭВМ

АЦП

Рис. 9. Структурная схема пневмографа 45

сердечника), проволочные потенциометры, тензометрические схемы (изменение сопротивления при механической деформации) и т. п. Помимо измерений периметров грудной клетки при дыхании можно использовать датчики перемещения (резисторные, емкостные, ин дуктивные, электроконтактные, пьезоэлектрические, фотодатчики). С помощью пневмографа регистрируется относительная глубина ды хания и его частота. Точность зависит от места и способа фиксации датчиков. Пневмотахометрия — метод исследования механики дыхания, ос нованный на записи скоростей движения и объема вдыхаемого и вы дыхаемого воздуха. Запись, получаемая при этом, называется пнев мотахограммой. Пневмотахограф является частью ряда современных приборов и аппаратов, используемых для диагностики. Пневмота хографы работают по открытой системе, т. е. при вдыхании пациен том окружающего воздуха. Наиболее простые пневмотахографы со стоят из преобразователя расхода воздуха в электрический сигнал и регистратора. С их помощью определяют объемную скорость движе ния воздуха при спокойном и форсированном дыхании, частоту ды хания, длительность вдоха и выдоха. Большинство пневмотахогра фов снабжено интегратором, позволяющим вместе с пневмотахограм мой записывать спирограмму, а также устройствами для вычисле ния параметров пневмотахограммы и спирограммы и устройствами, преобразующими результаты измерений в цифры на световом инди каторе, но в детекторах лжи они не совсем удобны. Преобразователи расхода воздуха могут быть термоанемометри ческими, акустическими или работать по перепаду давления (трубки Пито, Флейша). Колебания объема легких чаще всего определяют путем инструментального интегрирования показателей скорости воз душного потока с помощью спирометра. Также дыхательную актив ность измеряют при помощи импедансного пневмографа. V, л 3,5 5 2,5 2 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Рис. 10. Изменение объема легких при норме (___) и стрессе (- - -) 46

28 t, c

В полиграфических исследованиях наиболее удобен метод измере ния, основанный на изменении длины окружности грудной клетки при вдохе и выдохе. Грудь испытуемого обхватывают трубкой с про волочным тензометром. При растяжении проволоки сопротивление меняется, это изменение пропорционально изменению объема лег ких. На рис. 10 приведен график изменения объема легких при норме и стрессе.

Электрокожные методы измерения К электрокожным способам измерения относится оценка влия ния стресса на электрические характеристики кожи. Наиболее широко применяемый метод электрокожного измерения стрессовой реакции основан на явлении кожного сопротивления (иногда сокращенно обозначаемого КГС — кожногальваническое сопротивление). Метод измерения КГС основан на использовании слабого электрического тока между двумя электродами на поверхно сти кожи. В этой системе кожа функционирует как электрическое сопротивление. Этот факт может помочь нам измерить СР, если мы вспомним, что во время нее у большинства индивидов через потовые каналы выделяется разное количество содержащего соль пота. Акт потоотделения в значительной мере изменяет сопротивление кожи. Было обнаружено, однако, что метод измерения КГС подвержен ошибкам различного происхождения, в результате многие специ алисты начали искать другие методы измерения электрокожного фе номена. Одной из таких пригодных альтернатив КГС в измерении элект рической активности кожи является измерение кожного потенциала (КП) электрокожного сопротивления (ЭКС). Этот метод основан на измерении естественной биоэлектрической активности кожи, а не на пропускании электрического тока через поверхность кожи, как при КГС. Одно из преимуществ КП по сравнению с КГС состоит в том, что КП характеризуется более коротким временным интервалом между предъявлением стимула и ответной электрической реакцией кожи. Средний интервал для КЧС составляет 2–3 с. При использовании КП этот интервал в большинстве случаев сокращается вдвое. Снятие КП называют методикой исследования кожногальвани ческого рефлекса (КГР). Между двумя точками поверхности кожи постоянно существует разность потенциалов, обусловленная местным обменом веществ, потоотделением, состоянием сосудов, гидрофильностью кожи. Участ 47

V, л 18 16 14 12 10 8 6

0

0,02 0,06

0,1

0,14

0,18 0,22 0,26

0,3

0,34 0,38 0,42

0,46 t, c

Рис. 11. Кривая КГР при норме (___) и стрессе (???)

ки, наиболее богатые потовыми железами, — электроотрицатель ны, участки, бедные потовыми железами, — электроположительны. Существует полный параллелизм между густотой потовых желез и КГР. На участках тела, анатомически не имеющих потовых желез (красная кайма губ и др.), КГР не регестрируется. Чаще всего КГР измеряют на ладони и пальцах рук. Под влиянием боли, психическо го напряжения, возбуждения анализаторов разность потенциалов между исследуемыми точками поверхности кожи может изменяться. В основе этого лежит возбуждение вегетативных центров. Впервые этот феномен был обнаружен русским физиологом И. Р. Тархановым (1889). Стационарная разность потенциалов кожи равняется обыч но 10–20 мВ при расстоянии между электродами 1 см. Под влиянием раздражителей потенциал может достигать 100мВ и более. Для регистрации КГР (рис. 11) используют поверхностные элект роды. Они могут выполняться из латуни с покрытием (олово), нержавеющей стали, серебра. Наиболее удобны серебряные прохло рированные электроды. Они не нарушают нормального физиологи ческого состояния кожи, почти полностью неполяризуемы. В поли графе используют серебряные электроды диаметром 10 мм, наклады ваемые на два пальца одной руки.

Температурные методы исследования стресса человека В человеческом организме вследствие экзотермических биохими ческих процессов в клетках и тканях, а также за счет высвобожде ния энергии, связанной с синтезом ДНК и РНК, вырабатывается боль 48

шое количество тепла (50–100 ккал/г). Это тепло распределяется внутри организма с помощью циркулирующей крови и лимфы. Кро вообращение выравнивает температурные градиенты. Кровь благо даря высокой теплопроводности, не изменяющейся от характера движения, способна осуществлять интенсивный теплообмен между центральными и периферическими областями организма. Наиболее теплой является смешанная венозная кровь. Она мало охлаждается в легких и, распространяясь по большому кругу кровообращения, поддерживает оптимальную температуру тканей, органов и систем. Температура крови, проходящей по кожным сосудам, снижается на 2–3 °С. При патологии или стрессе система кровообращения нару шается. Изменения возникают уже потому, что сжатие сосудов при стрессе, например, в конечностях, уменьшает перфузию крови и, сле довательно, теплопроводность, что отражается на термограмме по явлением очага гипотермии. Термография — метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, про порционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиоло гических процессов, происходящих в организме, в частности, как в поверхностных, так и в глубоких органах. Различные патологиче ские состояния характеризуются термоасимметрией и наличием тем пературного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на тер мографической картине. В литературе описывается несколько методов тепловизионных исследований. Выделяют два основных вида термографии: 1) контактную холестерическую термографию; 2) телетермографию. Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуали зируется на экране тепловизора. Преобразователи инфракрасного излучения в электрический сиг нал делят на две группы: тепловые и фотонные. К тепловым относят: термопары, болометры, пироэлектрические датчики. Большинство тепловых приемников не требуют охлаждения, что является их ос новным достоинством. В полиграфе для измерения температуры тела обычно использует ся пироэлектрический датчик. Его действие основано на пьезоэлект рическом эффекте — появлении зарядов на поверхности кристалла (сегнетоэлектрика) при нагреве. Такой датчик не требует дополни тельного источника питания, обладает высокой чувствительностью. 49

T, °C 37,2 37,1 37 36,9 36,8 36,7 36,6 36,5 0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

t, c

Рис. 12. Изменение температуры при норме (___) и стрессе (? ? ?)

Контактная холестерическая термография опирается на опти ческие свойства холестерических жидких кристаллов, которые про являются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим — синий. Нанесен ные на кожу композиции жидких кристаллов, обладая термочув ствительностью в пределах 0,001 °С, реагируют на тепловой поток путем перестройки молекулярной структуры. График температуры при стрессе и в норме изображен на рис. 12.

Структурная схема устройства проверки лояльности персонала Структурная схема детектора лжи (рис. 13) представляет сово купность функциональных блоков, соединенных между собой в со ответствии с требованиями интерфейсов. 1. Устройства съема физиологической информации. Когда исход ный сигнал является по физической сути электрическим, использу ются электроды. В случае необходимости преобразования физиоло гических сигналов в электрические применяют датчики. 2. Согласующие устройства СУ в медицинской технике выполня ют функции согласования выходных характеристик электродов и дат чиков с входными параметрами усилителей, служат для балансиров ки по входу синфазной составляющей сигнала, иногда осуществля ют предварительную фильтрацию помех. В полиграфе СУ содержат 50

51

СУ

Пневмодатчик

Рис. 13. Структурная схема детектора лжи

БУ

БУ

СУ

Термодатчик

БУ

БУ

БУ

СУ

СУ

СУ

-

-

Пальцевый плетизмограф

Электроды ре гистрации кожногаль ванического рефлекса

Электроды для снятия биопотенциа лов мышц

БФ

БФ

БФ

БФ

БФ

АЦП

АЦП

АЦП

АЦП

АЦП

Дисплей

МикроЭВМ

Аналоговое регистрирующее устройство

дифференциальный усилитель на трех операционных усилителях для эффективного подавления синфазных помех. 3. Блоки усиления БУ. Биологические сигналы являются существен но малыми по амплитуде и занимают области низких и инфранизких частот. В полиграфе используется принцип параметрического усиле ния, обладающий рядом преимуществ: низким уровнем шумов, боль шим коэфициентом усиления, высоким входным сопротивлением и ма лым уровнем дрейфа. Использование параметрического усилителя по зволяет получить коэффициент усиления до 103 в полосе частот от 0 до 10 кГц, коэффициент ослабления синфазного сигнала на частоте 50 Гц более 106, входное сопротивление 20–100 МОм. Такие параметры уси лителя позволяют использовать его во всех каналах полиграфа. 4. Блоки фильтрации БФ осуществляют выделение полезного сиг нала. В зависимости от обрабатываемой физиологической информа ции имеют различные частотные характеристики во всех пяти кана лах устройства. Помехи, возникающие при съеме биосигналов и их усилении, де лят на артефакты, внешние помехи (наводки от силовой и освети тельной сети), методические и инструментальные. При съеме ЭМГ вместе с полезной составляющей присутствуют синусоидальная помеха частотой 50 Гц от силовой сети; инфраниз кочастотная составляющая, связанная с движением мышц при со кращении (до 15–25 Гц); помехи, связанные с поляризацией и сме щением электродов (0–30 Гц). При съеме КГР присутствуют те же помехи, что и в канале ЭМГ, полезный сигнал лежит в диапазоне 0,05÷10 Гц. Полезный сигнал при съеме пневмограммы лежит в диапазоне от 0,1 до 2 Гц. Появление нежелательных сигналов могут вызывать пространственные смещения трубки, опоясывающей грудную клет ку, не относящиеся к изменению объема легких. В канале съема плетизмограммы полезный сигнал лежит в диапа зоне от 1,5 до 50 Гц. Артефакты могут возникать изза невыполне ния требований, предъявляемых к плетизмографу: полная и надеж ная герметичность всей системы, постоянство давления и температу ры внутри плетизмографа и т. д. Частотные фильтры в полиграфе выполнены в виде активных филь тров на операционных усилителях. В них используются низкодоброт ные ячейки второго порядка с бесселевской аппроксимацией АЧХ. 5. Аналогоцифровые преобразователи АЦП обеспечивают сопря жение источников аналоговых сигналов с ЭВМ. По методу преобра зования аналоговой величины в цифровой код АЦП делят на после довательные, параллельные и комбинированные. Параллельные об 52

Таблица 2. Параметры АЦП Тип ИС

Разрядность

Время преобразования

Метод преобразования

К 1107ПВ1

6

100 нс

Параллельный

К 572ПВ1

12

120 мкс

Последовательный

К 1113ПВ1

10

170 мкс

Последовательный

ладают наивысшим быстродействием, последовательные обеспечи вают наивысшую точность. Для создания высокоразрядных быстро действующих АЦП применяют комбинированный метод. В разных каналах полиграфа требования к АЦП разные, посколь ку различны информационные параметры и динамические диапазо ны сигналов. Для канала ЭМГ разрядность АЦП должна быть не менее 12, час тота дискретизации 100 кГц; необходимо использовать комбиниро ванный АЦП. Для его построения используются два АЦП парралель ного преобразования типа К1107ПВ1. Для каналов КГР и плетизмограммы необходим преобразователь с разрядностью 12 и частотой дискретизации 200 Гц; в этом случае используем последовательный АЦП типа К572ПВ1. Для преобразования данных каналов температуры и пневмограм мы разрядность АЦП должна быть не менее 10, частота дискретиза ции 100 Гц. Используется последовательный АЦП типа К1113ПВ1. Параметры микросхем приведены в табл. 2. Для обработки информации, которая представлена набором боль шого числа кривых физиологических параметров, в детекторе необ ходим разумный выбор микропроцессорных средств обработки ин формации. Универсальная микроЭВМ обладает чрезмерной избыточ ностью аппаратных и программных средств. В то же время, необхо дима достаточная гибкость микропрограммного управления и большая память. Поэтому в схеме использована микроЭВМ. В уст ройствах подобного типа интересным является наблюдение за физи ологическими кривыми в реальном масштабе времени. В схеме при сутствует аналоговое регистрирующее устройство типа осциллоско па, которое конструктивно может быть вынесено за рамки прибора. 2. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Подробно ознакомиться с методическими указаниями к выпол нению работы. 2. Для начала работы с программой необходимо запустить файл detect.exe. 53

Рис. 14. Рабочее окно программы

В основном меню программы находятся пункты: File — возможность сохранить данные и загрузить их; Graph — показ моделей графиков для стресса и нормального со стояния; Help — о программе; Analysis — анализ вводимых данных по амплитуде. Внизу интерфейсного отображения программы расположены два окна для ввода значения электрокожного сопротивления в килоомах и времени в секундах (рис. 14). Подтверждение ввода осуществляет ся клавишей Enter. Поле для построения графиков очищается кла вишей Clear. Выход из программы — Exit. 3. При работе с программой необходимо посмотреть модели гра фиков для стресса и нормального состояния, построить кривую КГР по своим данным. Произвести ее анализ по амплитуде. Объяснить результат. 4. Для просмотра всех информативных физиологических пара метров запустить программы davlene.exe, emg.exe, pletismog.exe, pnevmogr.exe, temper.exe. 54

3. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: 1) схему многофункционального устройства; 2) кривые КГР; 3) кривые давления пульса, температуры, ЭМГ, объема легких; 4) выводы по проделанной работе.

4. Контрольные вопросы 1. Какие основные типы детекторов лжи существуют? Опишите их принцип действия. 2. Опишите основные методики построения вопросов для провер ки на полиграфе. 3. За что отвечают симпатический и парасимпатический отделы автономной нервной системы? 4. По каким физиологическим параметрам можно судить о стрессе? 5. Объясните методику измерения КГР. 6. Как в полиграфе осуществляется измерение ЧСС? 7. Расскажите о методиках исследования функции дыхания. 8. В каком случае для съема физиологической информации ис пользуются электроды, а в каком — датчики? 9. Какие датчики используются в полиграфе? 10. Какие помехи возникают при съеме физиологических пара метров?

Рекомендуемая литература 1. Зайченко К. В., Жаринов О. О., Кулыгина Л. А., Орлов А. П. Съем и обработка биоэлектрических сигналов: Учеб. пособие/ Под ред. К. В. Зайченко; ГУАП. СПб., 2001. 2. Зайченко К. В., Кулыгина Л. А., Виноградова Е. П. Диагности ческие измерения в медицинских электронных системах: Учеб. посо бие/ Под ред. К. В. Зайченко; ГУАП. СПб., 2002. 3. Каторин Ю. Ф., Куренков Е. В., Лысов А. В. Энциклопедия про мышленного шпионажа. СПб.: ООО «Издательство полигон», 1999.

55

СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа № 1 Диагностика слухового анализатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Теоретические положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Основные понятия биологии слуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Биология слуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Методика аудиометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Схемы слуховых аппаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Методика и порядок выполнения лабораторной работы . . . . . . . . . 3. Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторная работа № 2 Многофункциональный диагностический определитель стресса . . . 1. Теоретические положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Типы существующих детекторов лжи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Особенности и методика использования полиграфов — детек торов лжи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Физиологические основы проведения проверки на полиграфе 1.4. Устройства съема информации, свидетельствующей о стрессе 2. Порядок выполнения лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3 3 3 5 8 14 19 21 21 22 23 23 23 26 32 37 53 55 55 55