RU2111698C1

RU2111698C1 - Method for automatized evaluation of pilot's state under conditions of piloting overloadings and device for its implementation

Info

Publication number: RU2111698C1
Application number: RU96112488A
Authority: RU
Inventors: А.В. Марасанов; В.А. Пономаренко; Р.А. Вартбаронов; М.Н. Хоменко; Ю.А. Кукушкин; Л.С. Малащук; А.В. Романов; М.К. Дуга
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: aviation and space medicine, medicinal equipment, automatized diagnostics. SUBSTANCE: method deals with continuous measuring values for overloading by axis n_x and axis n_y, pressure power of legs upon pedals, tension level of abdominal muscles, pressure in chambers of antioverloading suit and in underfacial guard area, an amplitude of auricular vessels pulsation followed by treating information by developed algorithm to solve diagnostic task, by calculating one of four levels of operator's defected vision and consciousness. EFFECT: higher efficiency to automatize evaluation of operator's state and increase informativity of the method due to biotechnical information with the help of transducers. 2 cl, 3 cl, 1 dwg , 5 tbl

Description

Изобретение относится к авиационной, космической и морской медицине, а именно к методам оценки состояния человека в целях прогнозирования и диагностики нарушений работоспособности летчика или космонавта в условиях воздействия перегрузок направления "голова-таз" при вращении центрифуги и при выполнении летательным аппаратом маневров в воздухе. The invention relates to aviation, space and marine medicine, and in particular to methods for assessing the condition of a person in order to predict and diagnose disruptions in the performance of a pilot or an astronaut under the influence of head-pelvis overloads during centrifuge rotation and when an aircraft maneuvers in air.

Известен способ оценки состояния оператора при управлении транспортным средством по уровню оксигенации крови в сосудах головного мозга, определяемому с помощью инфракрасного лазера. Существенными недостатками этого способа являются дороговизна применяемого устройства, низкая помехоустойчивость при регистрации биологического сигнала, высокие требования к фиксации датчика на голове оператора, а также запаздывание в представлении значимой информации при возникновении полной потери сознания. A known method for assessing the state of the operator when driving a vehicle by the level of blood oxygenation in the vessels of the brain, determined using an infrared laser. Significant disadvantages of this method are the high cost of the device used, low noise immunity when registering a biological signal, high requirements for fixing the sensor on the operator’s head, and also the delay in the presentation of significant information in the event of a complete loss of consciousness.

Предлагаемый способ устраняет недостатки известного, повышает эргономичность его применения в полете и позволяет, в отличие от известного прогнозировать возникновение выраженных нарушений работоспособности летчика при управлении летательным аппаратом. The proposed method eliminates the disadvantages of the known, increases the ergonomics of its use in flight and allows, in contrast to the known to predict the occurrence of pronounced violations of the pilot’s performance when controlling the aircraft.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности и расширение возможностей метода оценки состояния летчика в условиях воздействия перегрузок направления "голова-таз" за счет замены применяемого в известном способе инфракрасного лазера на аппаратурно-программные средства и датчики, позволяющие путем съема биотехнической информации проводить автоматизированную оценку состояния оператора по проценту нарушения зрительной функции. The technical result of the invention is to increase the information content and expand the capabilities of the method for assessing the state of a pilot under the influence of overloads of the head-pelvis direction by replacing the infrared laser used in the known method with hardware and software tools that make it possible to carry out an automated assessment of the state of an operator by taking biotechnical information by the percentage of visual impairment.

Технический результат достигается тем, что летчика, одетого в противоперегрузочный костюм (ППК) с кислородной маской, фиксируют в кресле кабины самолета или центрифуги в положении сидя с помощью штатной привязной системы. Ноги летчика устанавливают на педалях управления, при этом противоперегрузочный костюм оснащен датчиками для измерения давления в камерах и давления на тело брюшной манжеты ППК, педали управления - датчиками измерения давления ног, а в расширенном варианте - дополнительно датчиком для регистрации пульсовой фотоплетизмограммы сосудов уха, установленном в шлемофоне. При создании перегрузки в полете или на центрифуге непрерывно регистрируют величину перегрузки по двум осям П_y и П_x, связанным с кабиной летательного аппарата, силу давления ног на педали, уровень напряжения мышц живота, давление в камерах противоперегрузочного костюма и в подмасочном пространстве, а в расширенном варианте - пульсовую фотоплетизмограмму сосудов уха.The technical result is achieved by the fact that a pilot dressed in an anti-loading suit (PPC) with an oxygen mask is fixed in the seat of an airplane cabin or centrifuge in a sitting position using a standard safety system. The pilot’s legs are mounted on the control pedals, while the anti-overload suit is equipped with sensors for measuring pressure in the chambers and the pressure on the body of the abdominal cuff PPK, the control pedals are equipped with sensors for measuring the pressure of the legs, and in an expanded version, it is additionally equipped with a sensor for recording the pulse photoplethysmogram of the ear vessels installed in headset. When creating overload in flight or in a centrifuge, the magnitude of the overload along the two axes P _y and P _x associated with the cockpit of the aircraft, the force of the pressure of the legs on the pedals, the level of tension of the muscles of the abdomen, the pressure in the chambers of the overload suit and in the mask space are continuously recorded. extended version - pulse photoplethysmogram of the vessels of the ear.

Структурно-функциональная схема расширенного варианта предлагаемого устройства представлена на чертеже. The structural and functional diagram of an expanded version of the proposed device is shown in the drawing.

Информация о состоянии объекта поступает от 7-и датчиков, регистрирующих состояние летчика, работу средств жизнеобеспечения, а также параметры гравитационной среды. После усиления и преобразования в аппаратном блоке сигналы датчиков поступают в диагностический модуль, который в случае выявления опасного состояния летчика может включать звуковую и визуальную сигнализацию и выдавать управляющие сигналы на систему автоматического управления самолетом (САУ). Information about the state of the object comes from 7 sensors that record the state of the pilot, the work of life support equipment, as well as the parameters of the gravitational environment. After amplification and conversion in the hardware unit, the sensor signals are sent to the diagnostic module, which, if a dangerous condition of the pilot is detected, can include an audible and visual alarm and give control signals to the automatic control system of the aircraft (ACS).

Оценка состояния оператора производится по проценту нарушения функции зрения в следующих поддиапазонах:
0 - 49% - ясное зрение;
50 - 80% - частичное нарушение зрения (серая пелена);
81 - 100% - полная потеря зрения (черная пелена);
101 - 150% - полная потеря сознания.The condition of the operator is assessed by the percentage of visual impairment in the following sub-ranges:
0 - 49% - clear vision;
50 - 80% - partial visual impairment (gray veil);
81 - 100% - complete loss of vision (black veil);
101 - 150% - complete loss of consciousness.

Разработанный способ оценки этих состояний основан на математическом моделировании устойчивости летчика к действию перегрузок направления "голова-таз". The developed method for assessing these states is based on mathematical modeling of the pilot's resistance to the action of head-pelvis overloads.

В состав модели входят алгоритмы оценки защитного эффекта отдельных противоперегрузочных приемов и средств. The structure of the model includes algorithms for assessing the protective effect of individual anti-overload techniques and means.

1. Оценка защитного эффекта изменения положения тела относительно вектора перегрузки
ЗЭС_пт = П - П•cos((УНК + arctg(Л/П)) - 15), (1)
где
ЗЭС_пт - защитный эффект средств изменения положения тела относительно вектора перегрузки;
15 - величина аортно-ретинального угла;
УНК - угол наклона кресла;
П- значение текущей перегрузки (вертикальной составляющей вектора перегрузки летательного аппарата);
Л - продольная составляющая вектора перегрузки летательного аппарата.1. Assessment of the protective effect of changes in body position relative to the overload vector
ZES _fr = P - P • cos ((EEC + arctan (L / P)) - 15), (1)
Where
ZES _Fri - the protective effect of means of changing the position of the body relative to the overload vector;
15 - the magnitude of the aortic-retinal angle;
UNK - the angle of the chair;
P is the value of the current overload (the vertical component of the aircraft overload vector);
L is the longitudinal component of the aircraft overload vector.

2. Оценка защитного эффекта противоперегрузочного костюма

где
ЭППК- защитный эффект противоперегрузочного костюма (см. табл. 1);
ЗЭС_тппк - текущий защитный эффект противоперегрузочного костюма;
т, т-1 - текущий и предыдущий моменты времени.2. Assessment of the protective effect of the overload suit

Where
EPPK - protective effect of the anti-overload suit (see table. 1);
ZES _t PPK - current protective effect of the anti-overload suit;
t, t-1 - current and previous time points.

В связи с тем, что отказ противоперегрузочного костюма в полете существенно повышает вероятность потери летчиком сознания, предложена модификация оценки состояния
СМ = 150% - (150% - С)•ЗЭС_тппк/ЭППК, П > 4,0 ед,
где
СМ - модифицированная оценка состояния оператора;
150% - абстрактное значение процента потери центрального зрения при потере сознания.Due to the fact that the failure of the anti-loading suit in flight significantly increases the likelihood of the pilot losing consciousness, a modification of the state assessment is proposed
SM = 150% - (150% - C) • ZES _t ppc / EPPK, P> 4.0 units,
Where
SM - a modified assessment of the state of the operator;
150% - the abstract value of the percentage loss of central vision with loss of consciousness.

3. Для сохранения устойчивости к перегрузкам величина давления ног на педали управления должна соответствовать эмпирической зависимости

где
УП_тр - требуемое усилие на педали управления.3. To maintain resistance to overloads, the pressure of the legs on the control pedal should correspond to an empirical dependence

Where
UP _Tr - the required effort on the control pedal.

Текущее значение защитного эффекта давления ног на педали оценивали по формуле

где
ЗЭПуп - текущий защитный эффект напряжения мышц ног;
ЭУП - защитный эффект напряжения мышц ног (см. табл. 1);
УП - усилие на педали управления.The current value of the protective effect of foot pressure on the pedals was estimated by the formula

Where
ZEPup - the current protective effect of muscle tension in the legs;
EUP - the protective effect of muscle tension in the legs (see table. 1);
UP - effort on the control pedal.

4. Оценка защитного эффекта напряжения мышц живота соответствует эмпирическим выражениям
НМЖ_э = 1 - ДППК + 0,023 • (П - 5) (6)
К = (НМЖ - НМЖ_э) / ДНМЖ (7)

где
НМЖ_э - эталонное значение напряжения мышц живота;
НМЖ - результат измерения напряжения мышц живота;
ДППК - результат измерения давления в противоперегрузочном костюме;
ЗЭТ_нмж - текущая защитная эффективность приема;
ДНМЖ - значение дополнительного напряжения мышц живота, соответствующее максимальному приросту защитной эффективности приема (константа, зависящая от типа костюма);
K - коэффициент;
ЭНМЖ - защитная эффективность приема (см. табл. 1).4. Evaluation of the protective effect of muscle tension in the abdomen corresponds to empirical expressions
NMD _e = 1 - DPPK + 0,023 • (P - 5) (6)
K = (NMZH - NMZh _e ) / DNMZh (7)

Where
NMF _e - the reference value of the tension of the abdominal muscles;
NMF - the result of measuring the tension of the abdominal muscles;
DPPK - the result of measuring pressure in an anti-loading suit;
ZET _nmzh - current protective reception efficiency;
DNMF - the value of the additional tension of the abdominal muscles, corresponding to the maximum increase in the protective effectiveness of the reception (a constant depending on the type of suit);
K is the coefficient;
ENMF - protective effectiveness of admission (see table. 1).

5. Оценка защитного эффекта средств дыхания кислородом под избыточным давлением

где
ДМ - давление в подмасочном пространстве;
ДМП - пороговое значение давления в подмасочном пространстве.5. Assessment of the protective effect of breathing oxygen with excess pressure

Where
DM - pressure in the submask space;
DMP is the threshold value of pressure in the submask space.

6. В дальнейшем определяется величина приведенной перегрузки:

где
ЗЭП_i - защитный эффект I-го противоперегрузочного приема;
ЗЭС_j - защитный эффект J-го противоперегрузочного средства;
П - значение текущей перегрузки (вертикальной составляющей вектора перегрузки летательного аппарата);
k - количество учитываемых противоперегрузочных приемов;
m - количество учитываемых противоперегрузочных средств.6. Subsequently, the magnitude of the reduced overload is determined:

Where
ZEP _i - the protective effect of the I-th anti-overload reception;
ZES _j - protective effect of the J-th anti-overload agent;
P is the value of the current overload (the vertical component of the aircraft overload vector);
k is the number of accounted anti-overload receptions;
m is the number of countered anti-overload agents.

7. На следующем этапе определяются пороговые значения перегрузки и времени возникновения нарушений зрения на основе интерполяционных таблиц изменения во времени пороговых перегрузок сохранения полного объема зрения П0%, наступления серой пелены П50%, черной пелены П100%, потери сознания П150%:

где
П% - значение пороговой перегрузки для текущего момента времени;
⇒ - символ импликации: "если..., то...";
T - длительность действия перегрузки;
T% - время появления того или иного симптома для текущего значения перегрузки;
ПП - текущее значение приведенной перегрузки;
ЧПО - исходное (до первого воздействия) значение частоты пульса;
ЧП - значение частоты пульса к началу воздействия;
ЧПП - среднестатистическое значение ЧП для текущей перегрузки;
Ф1(T), Ф2(T), Ф(ПП) - функциональные зависимости, представленные в табл. 2 - 4.7. At the next stage, threshold values of overload and the time of occurrence of visual impairment are determined on the basis of interpolation tables of changes in time of threshold overloads to preserve the full amount of vision P0%, the onset of gray shroud P50%, black shroud P100%, loss of consciousness P150%:

Where
P% - the value of the threshold overload for the current time;
⇒ - a symbol of implication: "if ... then ...";
T is the duration of the overload;
T% - time of occurrence of a symptom for the current value of overload;
ПП - current value of reduced overload;
ChPO - initial (before the first exposure) value of the pulse rate;
PE - the value of the heart rate at the beginning of exposure;
NWP - the average value of emergency for the current overload;
F1 (T), Ф2 (T), Ф (ПП) - functional dependencies presented in the table. 2 to 4.

8. На конечном этапе определяют состояние оператора по следующим зависимостям:

где
C - оценка состояния оператора, (остальные обозначения см. п. 7).8. At the final stage, the state of the operator is determined by the following dependencies:

Where
C - assessment of the state of the operator, (for the rest of the notation, see § 7).

В табл. 4 приведены включенные в качестве параметров алгоритма защитные эффекты противоперегрузочных приемов и средств. В дальнейшем эти значения могут уточняться. In the table. Figure 4 shows the protective effects of anti-boot techniques and tools included as parameters of the algorithm. In the future, these values can be specified.

При расширенном варианте дополнительно измеряют амплитуду пульсовых колебаний сосудов мочки уха, регистрируемых с помощью датчика фотоплетизмограммы и рассчитывают текущее значение отношения в % измеренной амплитуды к исходной. В дальнейшем определяют состояние оператора по следующим признакам:
ясное зрение, если амплитуда осцилляций составляет 50% и более от исходной;
частичное нарушение зрения, если амплитуда осцилляций не превышает в течение 3 с 45% от исходной;
полная потеря зрения, если амплитуда осцилляций в течение 4 - 9 с не превышает 45% от исходной;
полная потеря сознания, если амплитуда осцилляций равна 0 в течение 10 с и более.In the expanded version, the amplitude of the pulse oscillations of the vessels of the earlobes recorded with the photoplethysmogram sensor is additionally measured and the current value of the ratio in% of the measured amplitude to the original is calculated. In the future, the state of the operator is determined by the following signs:
clear vision, if the amplitude of the oscillations is 50% or more of the original;
partial visual impairment if the amplitude of the oscillations does not exceed within 3 s 45% of the original;
complete loss of vision, if the amplitude of the oscillations within 4 - 9 s does not exceed 45% of the original;
complete loss of consciousness if the amplitude of the oscillations is 0 for 10 s or more.

Полученный результат уточняет оценку оператора и в случае совпадения с результатом по п. 9 повышает информативность алгоритма диагностики, о чем свидетельствуют испытания, проведенные на центрифуге с участием 17-и здоровых мужчин-добровольцев. В испытаниях воспроизводилось воздействие пилотажных перегрузок величиной 5, 6, 7, 8 и 9 ед. с длительностью З0 с и скоростью нарастания 1 ед./с при использовании штатного противоперегрузочного снаряжения. The obtained result clarifies the operator’s assessment and, if it coincides with the result of claim 9, increases the informativeness of the diagnostic algorithm, as evidenced by tests conducted in a centrifuge with the participation of 17 healthy male volunteers. In the tests, the effect of aerobatic overloads of 5, 6, 7, 8, and 9 units was reproduced. with a duration of Z0 s and a slew rate of 1 unit / s when using standard anti-overload equipment.

При нарастании перегрузки все испытуемые создавали защитное напряжение мышц ног и брюшного пресса, а затем во время воздействия максимальной перегрузки (на площадке) снижали уровень мышечного напряжения вплоть до полного расслабления или момента появления зрительных расстройств. В каждом случае нарушения зрения типа серой или черной пелены испытуемый восстанавливал зрительное восприятие за счет экстренного увеличения напряжения мышц. Появление или отсутствие зрительных расстройств при частичном или полном расслаблении, а также при выходе на площадку рассматривалось в качестве единичного события, оцениваемого по прямому диагностическому критерию, т.е. характеру зрительных ощущений испытуемого, и по 2-м косвенным критериям, описанным в п. 2 табл.5. With an increase in overload, all subjects created protective tension in the muscles of the legs and abdominal muscles, and then, during exposure to maximum overload (on site), the level of muscle tension was reduced until complete relaxation or the appearance of visual disturbances. In each case of visual impairment such as gray or black shroud, the subject restored visual perception due to an emergency increase in muscle tension. The appearance or absence of visual disturbances during partial or complete relaxation, as well as upon entering the site, was considered as a single event, evaluated by a direct diagnostic criterion, i.e. the nature of the subject's visual sensations, and according to the 2nd indirect criteria described in paragraph 2 of Table 5.

Результаты анализа информативности представлены в табл. 5. Видно, что средний уровень диагностической информативности, определяемой по проценту диагностических совпадений, существенно не зависел от величины достигаемой перегрузки и составил 73,7% (P = 0,74) по показателю интегральной оценки опасного состояния, что для 3-х диагностированных уровней состояния (ясное зрение: серая и черная пелена) превышает достоверно вероятность случайного распределения (0,33). Частота ошибочных диагностических решений обусловлена в основном ошибкой 1 рода, т.е. гиподиагностической, которая превышает 20% всех наблюдений. The results of the analysis of information content are presented in table. 5. It is seen that the average level of diagnostic information content, determined by the percentage of diagnostic matches, did not significantly depend on the magnitude of the overload achieved and amounted to 73.7% (P = 0.74) in terms of the integral assessment of the dangerous condition, which is for 3 diagnosed levels state (clear vision: gray and black shroud) significantly exceeds the probability of random distribution (0.33). The frequency of erroneous diagnostic decisions is mainly due to an error of the first kind, i.e. hypodiagnostic, which exceeds 20% of all observations.

При использовании дополнительной информации по критерию относительного снижения амплитуды ушного пульса (п. 2 табл. 5 и пп. 1 и 3 формулы изобретения) уровень информативности возрастает до 0,92 за счет резкого уменьшения частоты ошибки 1 рода до уровня частоты ошибки 2 рода. When using additional information on the criterion of a relative decrease in the amplitude of the ear pulse (Clause 2 of Table 5 and Clauses 1 and 3 of the claims), the level of information content increases to 0.92 due to a sharp decrease in the frequency of type 1 errors to the level of type 2 errors.

Представленные по итогам испытаний на центрифуге результаты позволяют сделать вывод о том, что разработанные устройство и способ автоматизированной оценки состояния летчика при действии перегрузок направления голова-таз пригодны для использования на центрифуге и в полетных условиях. The results presented on the basis of tests in a centrifuge allow us to conclude that the developed device and method for automatically assessing the state of a pilot under the influence of head-pelvis overloads are suitable for use in a centrifuge and in flight conditions.

Таким образом, данное устройство и способ оценки состояния позволяют: получать косвенную полимодальную информацию с датчиков о состоянии летчика; оценивать защитный эффект ППУ и противоперегрузочных защитных приемов; вычислять уровень текущего функционального состояния; прогнозировать и диагностировать опасное состояние летчика, угрожающее потерей профессиональной работоспособности. Thus, this device and method for assessing the state make it possible: to obtain indirect polymodal information from sensors about the state of the pilot; evaluate the protective effect of PPU and anti-overload protective methods; calculate the level of the current functional state; Predict and diagnose the dangerous condition of the pilot, threatening the loss of professional performance.

Преимущества предлагаемого способа перед известным состоят в следующем: высокая помехоустойчивость системы регистрации; возможность не только диагностики, но и прогнозирования нарушений летной работоспособности в полете; высокие эргономические качества; отсутствие дорогостоящей физиологической аппаратуры; обеспечение более высокого уровня безопасности маневренного полета. The advantages of the proposed method over the known are as follows: high noise immunity of the registration system; the ability to not only diagnose, but also predict flight disturbances in flight; high ergonomic qualities; lack of expensive physiological equipment; providing a higher level of safety maneuverable flight.

Claims

1. The method of assessing the state of the operator when exposed to head-pelvic overloads, characterized in that the magnitude and duration of the overload along the P _x and P _y axes associated with the aircraft cabin, foot pressure on the pedals, tension level of the abdominal muscles, pressure are continuously measured in the cameras of the anti-overload suit, the total protective effect from the use of means and methods of anti-overload protection is determined from the measured values, then the reduced overload is determined as the difference between the value of P _y and the total protective effect project, then determine the state of the operator according to the following dependencies:

where PP - reduced overload;
P - measured overload P _y ;
T is the duration of the overload;
P50%, P100% - threshold overload values at which there is a loss of vision, depending on the duration of the overload;
T0%, T50%, T100%, - threshold values for the time of occurrence of visual impairment, depending on the amount of overload,
and judge the state of the operator by the percentage of visual impairment as clear vision for C = 0 - 49%, partial visual impairment (gray shroud) for C = 50 - 80%, total loss of vision (black shroud) for C = 81 - 100% , complete loss of consciousness for C = 101 - 150%.

2. The method according to claim 1, characterized in that they additionally measure the amplitude of the vessels of the earlobes, then additionally determine the state of the operator as clear vision, if the amplitude of the oscillations is 50% or more of the original, partial visual impairment, if the amplitude of the oscillations for 3 s does not exceed 45% of the initial, complete loss of vision, if the relative decrease in the amplitude of the oscillations does not exceed within 4 - 9 s 45% of the original, complete loss of consciousness, if the amplitude of the oscillations is zero for 10 s or more, and specify the estimate operator status.

3. Device for assessing the state of the operator under the influence of head-pelvis overload, characterized in that it contains an overload sensor, a pedal pressure force sensor, a pressure sensor in the chambers of the anti-overload suit, a pressure sensor in the mask space, a pressure sensor for the abdominal cuff of the anti-overload suit on the operator’s body, a unit for measuring the duration of the overload, a unit for amplifying and converting the recorded parameters, and a diagnostic unit configured to determine the reduced overload and according to the difference between the values of vertical overload and the total protective effect from the use of means and methods of anti-overload protection and determining the state of the operator according to the following relationships:

where PP - reduced overload;
P - measured overload P _y ;
T is the duration of the overload;
П 50%, П100% - threshold values of overload at which there is a loss of vision, depending on the duration of the overload;
T0%, T50%, T100% - threshold values for the time of occurrence of visual impairment, depending on the magnitude of the overload,
and judge the state of the operator by the percentage of visual impairment as clear vision if C = 0 - 49%, partial loss of vision, if C = 50 - 80%, complete loss of vision, if C = 81 - 100%, complete loss of consciousness, if C = 101 - 150%.

4. The device according to claim 3, characterized in that it further comprises a unit for recording photoplethysmograms of the vessels of the earlobes and a unit for additional determining the state of the operator, configured to determine the state as clear vision, if the amplitude of the oscillation does not exceed 50% of the original, partial violation vision, if the amplitude of the oscillations within 3 s does not exceed 45% of the original, complete loss of vision, if the amplitude of the oscillations does not exceed 4 to 9 s 45% of the original, complete loss of consciousness, if the amplitude of the oscillations lyatsy zero for 10 seconds.