Перспективы применения айтрекинга в диагностике функционального состояния летчика

ВВЕДЕНИЕ

Сохранение и прогнозирование динамики профессионального здоровья летчика, по мнению исследователей, является одним из ключевых элементов безопасности полетов современной авиации [1][2]. В связи с этим оценка функционального состояния и работоспособности летчика в процессе профессиональной деятельности стала рутинной и обязательной составляющей работы авиационного врача.

Данные мероприятия проводятся не только в период выполнения полетов авиационной частью, но также во время повседневной деятельности летчика. Это осуществляется при полетах на авиационных тренажерах и в рамках психофизиологической подготовки летчиков к действию различных факторов полета [3–5]. Особое значение динамика функционального состояния организма летчиков имеет при проведении специальных методов исследований, при моделировании влияния экстремальных факторов авиационного полета в наземных условиях [7][8], медицинском освидетельствовании летного состава врачебными комиссиями [6] и подготовке курсантов в летных учебных заведениях [7].

В настоящее время существует достаточно большое количество методик для оценки функционального состояния и профессиональной работоспособности летчика. Отечественные исследователи разработали как монопараметрические подходы, когда регистрируются физиологические, психофизиологические и психологические показатели человека и осуществляется их комплексная оценка, так и полипараметрические решения. Так, например, много работ посвящено оценке регуляции сердечного ритма как интегрального показателя функционального состояния организма летчика, в частности, детально описаны возможности математического и спектрального анализа вариабельности сердечного ритма [8][9]; проведены исследования, раскрывающие потенциал компьютерной стабилографии для оценки вестибулярной функции как статокинетической функциональной системы человека [10]. Помимо этого, были изучены и разработаны многие другие методики и подходы, целью которых было внедрение интегральных, валидных, предельно удобных в практической работе авиационного врача решений для мониторинга функционального состояния летчика.

В этой связи большой интерес представляет айтрекинг как метод оценки окуломоторной активности и его потенциал в оценке функционального состояния летчика. Данная методика изучается уже не одно десятилетие [11]. Она нашла широкое применение как в медицине, например в нейрофизиологии, нейрохирургии, психиатрии и офтальмологии [12][13], так и в ряде парамедицинских областей [14]. Стоит отметить, что возможности применения айтрекинга в области авиационной медицины уже изучались, однако в этих работах преимущественно рассматривались вопросы восприятия информации и распределения внимания, имеющие ключевое значение для авиационной эргономики. Так, была проведена оценка функционального состояния и работоспособности пилотов гражданской авиации при выполнении полетов на авиационных тренажерах, а также курсантов-пилотов гражданской авиации¹ [15][16]. Особенностью этой работы стала оценка окуломоторной активности пилота в процессе полета на авиационном тренажере. По мнению известных отечественных исследователей, окуломоторная активность человека напрямую связана с решением когнитивных задач, а эффективность их решения находится под сильным влиянием различных внутренних и внешних факторов [12]. Айтрекинг имеет достаточно большой потенциал для оценки влияния различных факторов профессиональной деятельности летчика на его функциональное состояние и работоспособность.

Таким образом, для нас крайне важно понять психофизиологические основы применения показателей окуломоторной активности в диагностике функционального состояния летчика в процессе профессиональной деятельности. В этих целях было проведено исследование по оценке функционального состояния летчиков в период проведения наземной подготовки на авиационных тренажерах.

Цель исследования — оценка возможности использования айтрекинга в диагностике функционального состояния летчика.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В исследовании приняли участие 22 человека из числа летчиков Юго-Восточной Азии. Все испытуемые — мужчины в возрасте 24–47 лет (средний возраст 28,8 ± 2,0 года), которые на момент обследования не имели острых и обострений хронических заболеваний, включая органы зрения и нервную систему. Все летчики имеют практический опыт реальных полетов и тренажерной подготовки с моделированием аварийных ситуаций в полете на самолетах Як-130.

В ходе исследования летчики занимались подготовкой на авиационных тренажерах самолетов Як-130. Каждый летчик выполнял один вылет по заданным маршруту и параметрам полета. Во время полета руководитель полетов моделировал воздействие внешнего стресс-фактора путем создания нештатной аварийной ситуации, таковыми были отказы органов и систем управления, отказы двигателей, сброс тормозного парашюта в полете и другие. Во время вылета моделировалась только одна нештатная ситуация. В аварийной ситуации летчик должен был совершить ряд действий в соответствии с алгоритмом и завершить полет. По итогам выполненного задания руководитель полетов оценивал действия летчика по 10-балльной шкале в соответствии с установленным руководящими документами протоколом.

Из числа летчиков, принявших участие в исследовании, были сформированы две группы, в основу разделения были положены результаты полета на тренажере (Як-130, Россия).

Группа 1 включала 10 летчиков со средним баллом 7,3 в диапазоне 7–8 баллов, при этом средний возраст в этой группе составил 25,5 ± 2,0 года, а средний общий налет — 261 ч. В группу 2 вошли 12 летчиков, получивших средний балл 8,2 в диапазоне 8–9 баллов. Средний возраст у них составил 31,5 ± 2,0 года, а налет — 603 ч. Таким образом, сформированные группы имели не только различные результаты по итогам тренажерной подготовки, но и обусловившие их значимые отличия по возрасту и уровню профессиональной подготовленности.

Для оценки динамики функционального состояния летчиков на фоне воздействия стресс-фактора проводилось их обследование за 15 мин до выполнения полета на тренажере и в течение 15 мин непосредственно после завершения полета.

Диагностика функционального состояния летчиков в периоды предполетной подготовки и после вылета на тренажере осуществлялась по единому плану и заключалась в оценке регуляции сердечного ритма (РСР), уровня функционирования центральной нервной системы (ЦНС) и регистрации окуломоторной активности у летчиков при выполнении когнитивной задачи.

Оценка РСР проводилась посредством анализа математико-статистических показателей кардиоритмограммы: моды (Мо, мс), отражающей уровень функционирования синусового узла; амплитуды моды (АМо, %), свидетельствующей об активности симпатической нервной системы; вариационного размаха (ВР, мс), связанного с активностью парасимпатического отдела вегетативной нервной системы; индекса напряжения регуляторных систем (ИН, отн. ед.), который отражает активность симпатической регуляции ритма; спектральных показателей: мощности высокочастотных колебаний (HF — high frequency, мс²), отражающих парасимпатическое влияние на ритм; низкочастотных колебаний (LF — low frequency, мс²), связанных с активностью симпатической нервной системы; очень низкочастотных колебаний (VLF — very low frequency, мс²), связанных с гуморальным влиянием на сердечный ритм; соотношения LF/HF (отн. ед.), свидетельствующего о балансе влияния симпатического и парасимпатического отделов нервной системы на ритм; общей мощности спектра (TP — total power, мс²), отражающей суммарное вегетативное влияние на ритм сердца; а также интегрального показателя активности регуляторных систем (ПАРС, отн. ед.) [17], записанного в течение 5 мин на оборудовании «ВНС-Ритм» российского производства.

Состояние ЦНС исследовали с помощью оборудования российского производства «НС-Психотест» путем регистрации простой и сложной сенсомоторных реакций (ПСМР и ССМР), реакции на движущийся объект (РДО), критической частоты световых мельканий (КЧСМ); осуществляли оценку устойчивости и концентрации внимания методиками «Помехоустойчивость» и «Оценка внимания» путем сравнения из результатов. При выполнении теста «Черно-красные таблицы Шульте – Платонова» определялись объем (ОВ), распределение (РВ) и переключаемость (ПВ) внимания по пятибалльной шкале оценок. При этом объем внимания оценивался в диапазонах: 0–29, 30–37, 38–50, 51–60, 61 и более баллов; распределение внимания: 0–43, 44–56, 57–87, 88–106, 107 и более баллов; переключаемость внимания: 0–9, 10–17, 18–31, 32–40, 41 и более баллов².

Запись окуломоторной активности проведена на айтрекере (SMI RED250, Германия) при выполнении летчиком когнитивной задачи в виде теста «Черно-красные таблицы Шульте – Платонова». Анализ записанных данных осуществлялся штатным для данного оборудования программным обеспечением SMI BeGaze; анализировали количественные показатели фиксаций и саккад (количество и частота); временные параметры: длительность фиксаций и саккад (короткие — менее 200 мс, средние — 200–350 мс и длинные — более 350 мс фиксации); скоростные характеристики саккад: пиковая, средняя скорость и амплитуда [12].

Математико-статистический анализ выполнен с использованием программного обеспечения Microsoft® Excel-2016, пакета прикладных программ SPSS 26, с расчетом критерия Вилкоксона. Значения всех показателей представлены в виде медианы (М_е) и верхнего и нижнего квартилей [Q₁; Q₃], соответствующих 25 и 75 процентилям распределения. Сравнению подлежали показатели, зарегистрированные до полета на тренажере и после него. Все различия считали статистически достоверными при уровне значимости р < 0,05. Корреляционный анализ проведен с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена, при этом статистически значимыми считали показатели при уровне р < 0,05.

Обследование летчиков проводили в первой половине дня в тихом и проветриваемом отдельном помещении с температурой воздуха +22 °С. Все испытуемые дали добровольное согласие на участие в исследовании, которое проведено в соответствии с нормами биомедицинской этики (Declaration of Helsinki and European Community directives, 8/609 ЕС).

РЕЗУЛЬТАТЫ

При исследовании окуломоторной активности (количественных и временных характеристик фиксаций) у летчиков до и после моделирования аварийной ситуации на авиационном тренажере в обеих группах не выявлено статистически значимых изменений за исключением снижения на 9% (p < 0,05) количества фиксаций в группе 2. Соответствующие данные представлены в таблице 1.

Результаты оценки особенностей перемещения взора — количественных, временных и скоростных характеристик саккад отражены в таблице 2.

Статистически значимые изменения зарегистрированы в группе 1, которые представлены снижением скоростных показателей саккад: снижение пиковой скорости саккад на 9% (p < 0,05), средней скорости на 6% (p < 0,05) и амплитуды саккад на 17% (p < 0,05), при этом количественные и временные характеристики не показали достоверных изменений. В группе 2 достоверные изменения отмечены только в уменьшении количества саккад на 8% (p < 0,05).

Для оценки динамики функционального состояния летчиков при моделировании аварийной ситуации в полете и физиологического обоснования характера изменений показателей окуломоторной активности проведена оценка РСР.

В группе 1 зарегистрированы следующие статистически значимые изменения: повышение показателя ВР на 18% (с 193 до 227 с), повышение TP на 12% (с 3756 до 4194 мс²), VLF на 46% (с 1200 до 1780 мс²), повышение на 25% показателя ПАРС (с 3,0 до 3,75 балла) и снижение HF на 26% (с 1629 до 1250 мс²), ИН на 16% (с 155 до 131 отн. ед.) (рис. 1).

В группе 2 также отмечены статистически значимые изменения: повышение АМо на 32%, ИН на 67% (с 293 до 488 отн. ед.); снижение TP на 33% (с 2602 до 1749 мс²), LF на 39% (с 1153 до 699 мс²) и соотношения LF/HF на 30% (с 1,93 до 1,35 отн. ед.) (рис. 2).

Влияние действий летчика в аварийной ситуации при моделировании условий полета на авиационном тренажере на его функциональное состояние оценивали по изменению уровня функционирования ЦНС. При этом регистрировали скорость зрительно-моторных реакций, подвижность нервных процессов зрительного анализатора, сбалансированность процессов возбуждения и торможения, а также характеристик внимания.

В группе 1 у летчиков зарегистрированы достоверные изменения ряда показателей: уменьшение по модулю отрицательного значения времени РДО на 37% (с -12,7 до -8,0 мс), увеличение показателей распределения внимания на 50% (с 71,9 до 108,0 балла) и переключения внимания на 94% (с 39,4 до 76,3 балла) по сравнению с фоновыми значениями (p < 0,05). Другие психофизиологические показатели, в том числе устойчивость и концентрация внимания, не имели статистически значимых изменений (рис. 3).

При оценке сенсомоторных реакций у летчиков 2 группы также зафиксированы достоверные изменения: увеличение по модулю отрицательного значения РДО в 2,2 раза: с -6,1 до -13,0 мс (p < 0,05) и переключения внимания в 2,6 раза: с 6,8 до 17,7 балла (p < 0,05). Другие психофизиологические показатели, как и в группе 1, не имели статистически значимых изменений (рис. 4).

В целях выявления статистических взаимосвязей окуломоторной активности с особенностями регуляции сердечного ритма и уровнем функционирования ЦНС при выполнении когнитивных задач был выполнен корреляционный анализ. При этом исследовали данные, полученные до и после начала полета и непосредственно после полета на тренажере. Наиболее значимые результаты корреляционного анализа представлены в таблице 3.

Установлены сильные обратные корреляционные взаимосвязи скоростных показателей окуломоторной активности с объемом и распределением внимания, а также сильные прямые связи с показателем активности регуляторных систем и соотношением баланса мощности низко- и высокочастотных колебаний.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ устойчивости положения взора по характеристикам фиксаций, не выявивший статистически значимых изменений, свидетельствует об отсутствии точки приложения для данных параметров окулографии в настоящей работе. Количество и длительность фиксаций в большей степени отражают состояние зрительного анализатора при решении сложных когнитивных задач или в сложных условиях их выполнения [12–14]. В проведенном исследовании когнитивные задачи решались до и после моделирования аварийной ситуации, но не в процессе выполнения полетного задания на тренажере, когда на летчика действует максимальный спектр стресс-факторов профессиональной деятельности. Вследствие этого различные параметры фиксаций взора не показали достоверных изменений.

В то же время анализ результатов оценки перемещения взора выявил достоверное снижение скоростных параметров саккад у летчиков с более низкими результатами полета на тренажере (группа 1). По мнению ряда авторов, саккады оказывают некоторое реципрокное влияние на когнитивную функцию, а снижение скорости саккад наблюдается при нейрофизиологических расстройствах [12]. В представленном исследовании наличие заболеваний или патологических состояний у летчиков было исключено на этапе формирования группы испытуемых. В силу этого описанные особенности перемещения взора могут быть обусловлены изменением функционального состояния летчиков группы 1 на фоне воздействия стресс-факторов при моделировании аварийной ситуации, что в обязательном порядке оказывает вегетативное влияние на работу всех анализаторов человека, включая зрительный. Наиболее вероятным функциональным состоянием с более низкими результатами полета на тренажере в группе 1 после полетов является утомление, которое характеризуется как нормальное, но сопровождается снижением работоспособности человека и уровня функционирования физиологических систем.

Анализ РСР как интегрального показателя функционального состояния у летчиков позволяет сделать несколько заключений. У летчиков 1-й группы можно говорить о выраженном напряжении регуляторных систем с тенденцией к перенапряжению адаптационных механизмов. В исследованиях Р.М. Баевского и соавт. перенапряжение характеризуется несколько рассогласованными изменениями показателей РСР [8]. С одной стороны, в группе 1 отмечено снижение индекса напряжения регуляторных систем и повышение вариационного размаха, отражающего увеличение парасимпатического влияния, а с другой — повышение общей мощности спектра, свидетельствующего об общем снижении вегетативного влияния и централизации управления ритмом. Однако это снижение преимущественно обусловлено уменьшением парасимпатического влияния, что несколько противоречит данным вариационной пульсометрии. Повышение показателя ПАРС отражает сдвиг напряжения регуляторных систем в область выраженного напряжения [8][17]. При этом с физиологической точки зрения можно увидеть конкордантные изменения параметров вариабельности сердечного ритма и скоростных показателей саккад, отражающих снижение когнитивной активности и, вероятно, утомления зрительного анализатора.

Оценка РСР в группе 2 до и после моделирования аварийных ситуаций на тренажере позволяет сделать вывод о повышении централизации управления ритмом и общего вегетативного влияния на него, что подтверждено значимыми увеличением ИН, симпатического влияния (АМо), уменьшением общей мощности спектра. Уменьшение TP обусловлено статистически значимым снижением симпатического влияния, но на тенденционном уровне можно увидеть синхронное с ним снижение парасимпатического и гуморального влияния [8].

Данные результаты РСР, с учетом отсутствия достоверных изменений параметров фиксаций и саккад при окулографии, позволяют заключить, что у летчиков в группе 2 на фоне выполнения полетов на авиационном тренажере сформировалось нормальное функциональное состояние с умеренным напряжением адаптационных механизмов и систем регуляции организма и сохранением профессиональной работоспособности.

Анализ результатов, полученных при исследовании уровня функционирования ЦНС и характеристик внимания у летчиков до и после моделирования аварийных ситуаций на тренажере, продемонстрировал разные фоновые значения в двух группах. В 1-й группе у участников (с более низкими результатами полета на тренажере) имело место значимое преобладание процессов возбуждения над процессами торможения в отличие от летчиков из группы 2. Такая же ситуация наблюдалась и при рассмотрении характеристик внимания. В группе 1 регистрировали показатели, соответствующие низкой подвижности нервных процессов, а во второй — высокой. Характеристики внимания в полной мере подтверждают разницу фонового функционального состояния летчиков, описанную показателями реакции на движущийся объект. Вероятно, базовой основой для этих отличий является различный уровень профессиональной подготовленности летчиков в двух группах и уровень их психологической готовности к действиям в условиях аварийных и нештатных ситуаций в полете.

Динамика этих параметров, зарегистрированных сразу после выполнения полета в группе 1, отражает еще большее снижение уровня функционирования ЦНС по сравнению с фоновыми, что может быть интерпретировано как перенапряжение адаптационных механизмов организма [17]. Это в полной мере соответствует результатам, полученным при окулографии и анализе скоростных показателей саккад в группе 1, которые свидетельствуют о снижении когнитивной активности и, возможно, развитии утомления.

Во 2-й группе летчиков после полетов на тренажере отмечено усиление преобладания процессов возбуждения в ЦНС, что можно охарактеризовать как мобилизацию психофизиологических резервов. Отсутствие достоверных изменений характеристик внимания, за исключением незначительного снижения переключаемости (с 5-го до 4-го уровня), не может свидетельствовать о значимом снижении подвижности нервных процессов. Данные результаты, с учетом отсутствия достоверных изменений скоростных показателей саккад и характеристик фиксаций взора в группе 2, свидетельствуют о сохранении нормального функционального состояния организма летчиков с сохранением их профессиональной работоспособности, что обеспечивается умеренным напряжением регуляторных систем [17].

Проведенный корреляционный анализ параметров окуломоторной активности с показателями РСР и уровнем функционирования ЦНС указывает на то, что скоростные показатели окуломоторной активности находятся в тесной статистической взаимосвязи с интегральным показателем вариабельности ритма сердца ПАРС, повышение значений которого отражает напряжение регуляторных механизмов организма. Со свойствами внимания, такими как объем и распределение, установлены обратные корреляционные связи, что отражает связь активации глазодвигательной активности со сложностью когнитивных задач и мобилизацией психофизиологических резервов. В меньшей степени скоростные параметры саккад связаны с показателями спектрального анализа ритмограммы и уровня функционирования ЦНС.

ВЫВОДЫ

Анализ результатов оценки окуломоторной активности летчиков при выполнении когнитивных задач в условиях моделирования аварийных ситуаций на авиационном тренажере позволяет сделать несколько выводов:

1. Анализ показателей окуломоторной активности в комплексе с показателями регуляции сердечного ритма, уровня функционирования ЦНС и характеристик внимания свидетельствует о развитии утомления у летчиков с более низкими результатами полетов на тренажере и сохранении нормального функционального состояния у летчиков с высоким уровнем психофизиологических резервов из группы 2. Показатели окуломоторной активности у летчиков имеют статистически значимые изменения на фоне динамики функционального состояния в процессе профессиональной деятельности.
2. Динамика скоростных показателей окуломоторной активности у летчиков, таких как скорость и амплитуда саккад, сонаправленна изменениям регуляции сердечного ритма и отражает степень напряжения регуляторных систем организма и мобилизации физиологических резервов, что показано в динамике индекса напряжения регуляторных систем, показателя активности регуляторных систем, а также спектральных показателей кардиоритмограммы.
3. Изменения показателей окуломоторной активности сонаправленны динамике объема и распределения внимания, сбалансированности и подвижности нервных процессов и отражают уровень функционирования центральной нервной системы.

Скоростные показатели окуломоторной активности имеют сильную статистически значимую корреляционную взаимосвязь с интегральным показателем регуляции сердечного ритма ПАРС, а также объемом и распределением внимания, что свидетельствует об их зависимости от функционального состояния организма в целом. Анализ показателей окуломоторной активности позволяет осуществлять оценку функционального состояния организма летчика. Для полного раскрытия потенциала айтрекинга целесообразно оценить динамику показателей окуломоторной активности летчика в период непосредственного воздействия факторов профессиональной деятельности, а также во время умственной работы аналитического характера.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства критериям ICMJE. Наибольший вклад распределен следующим образом: О.А. Анненков — сбор материалов, написание черновика рукописи; А.А. Благинин — обзор литературы; Е.В. Ивченко — дизайн исследования, утверждение окончательного варианта статьи; Д.В. Овчинников — интерпретация данных, написание статьи; С.П. Ляшедько — статистический анализ полученных данных, визуализация данных.