Некрасова М.М.
ФБУН «Нижегородский научно-исследовательский институт гигиены и профессиональной патологии» Роспотребнадзора
E-mail: irinavfed@mail.ru
Реферат
Разработаны методы диагностики стресса в условиях профессиональной деятельности с использованием информационных технологий, которые позволяют осуществлять персонифицированный мониторинг функционального состояния работающего в режиме реального времени. Эффективность методов показана в профессиональных группах со стрессовыми нагрузками различного характера: когнитивными, эмоциональными, физическими (водители, инженеры-проектировщики, спортсмены, пожарные-спасатели).
Ключевые слова: профессиональный стресс, телеметрия кардиоритма, функциональная диагностика
Diagnosis of stress in the workplace using information technology
M.M. Nekrasova,
Ph.D., lecturer of Industrial hygiene and
communal hygiene Department of NNSMA
The methods of diagnosis of stress in terms of professional activities using information technologies that allow a personalized monitoring of the functional state of operating in real time. The effectiveness of the methods shown in the occupational groups with the stress loads of different nature: cognitive, emotional, physical (drivers, engineers, athletes, firefighters).
Keywords: occupational stress, heart rhythm telemetry, functional diagnostics
В настоящее время в Российской Федерации реализуются приоритетные национальные проекты, направленные на стабилизацию численности населения, повышению качества и доступности медицинской помощи, формированию здорового образа жизни. Однако ситуация по-прежнему остается тревожной, что выражается в стабильно высоких показателях заболеваемости, инвалидизации и смертности населения. Ситуация усугубляется тем, что предпринимаемые в стране усилия сосредоточены на лечении уже сформировавшихся заболеваний и вторичную профилактику, а меры индивидуально-ориентированной первичной профилактики остаются без внимания. Актуально развитие знаний и технологий, обеспечивающих создание систем персонифицированного скрининга функциональных состояний (ФС) и методов оперативной идентификации рисков нарушения здоровья в условиях естественной деятельности.
В современной реальности большинство заболеваний человека связано с чрезмерными нагрузками разного характера. Острой проблемой является поиск методов раннего обнаружения опасных состояний для предотвращения рисков нарушения здоровья и вероятности принятия ошибочных решений людьми в сложных, экстремальных условиях. Поэтому встаёт вопрос о наличии маркеров чрезмерного напряжения, истощения ресурсов энергообеспечения, стресса.
Стресс является наиболее энергозатратным режимом для организма. Стресс-реакция является неспецифической системной защитной реакцией на повреждение или его угрозу [3]. Фактором запуска данной реакции является информационный параметр – сигнал о чрезмерном рассогласовании об имеющихся и необходимых ресурсах [4].
Проблемой оценки ФС является низкая валидность данных, полученных при стационарных обследованиях [7, 10, 12]. Мониторинг в процессе профессиональной деятельности повышает значимость результатов для анализа влияния производственной среды на организм работающего с целью профилактики неблагоприятного воздействия [13]. Стресс оказывает выраженное влияние на вегетативную нервную систему [6, 9, 11, 13], что позволяет использовать динамику параметров её функционирования для персонифицированной оценки функционального состояния организма человека в течение смены.
Одним из самых распространенных и общепринятых аппаратных методов диагностики ФС является оценка вариабельности сердечного ритма (ВСР). Согласно современным представлениям, вегетативная регуляция кардиоритма отражает уровень активизации и напряжения систем организма.
В данной работе освещаются технологии телеметрии сердечного ритма для мониторинга динамики вегетативной регуляции в условиях интенсивных производственных нагрузок в профессиональных группах инженеров-проектировщиков, спортсменов, пожарных-спасателей, водителей. В исследовании принимали участие лица, давшие информированное добровольное письменное согласие. Исследования включали дискретный и непрерывный режим регистрации физиологических сигналов.
/24.png)
Непрерывная регистрация сердечного ритма проводилась в режиме телеметрии в процессе работы. Для непрерывных телеметрических измерений сердечного ритма в условиях естественной деятельности использовалась разработанная нами беспроводная сенсорная сеть [5], состоящая из специализированной сенсорной платформы - Bluetooth Heart Rate (HxM, Zephyr Technology), объединяющей микропроцессор, блок приема-передачи радиосигналов и маломощные миниатюрные датчики ЭКГ. Сенсорная платформа размерами 65х32 мм весит 17 грамм. Конструкция сенсорной платформы обеспечивает надежную фиксацию датчиков на теле человека в соответствии с требованиями эргономики. Передача данных на Smart-phone или персональный компьютер организована по каналу Bluetooth. Для временного накопления и предобработки данных использован персональное мобильное устройство связи Smart-Phone с операционной системой Android или персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows XP.
Наряду с основными методами анализа ВСР (статистический, спектральный) [2, 8], отражающие разные аспекты состояния систем регуляции, был применен метод непрерывного вейвлет-преобразования и показана его высокая информативность для идентификации функционального состояния.
В группе инженеров-пректировщиков при оценке измеренных и расчётных показателей вариабельности сердечного ритма на момент начала рабочего дня выяснилось, что более 85% испытуемых имеют значительные отклонения от нормы [8] таких базовых параметров кардиоинтервалограммы, как общая мощность спектра вариабельности сердечного ритма, уровень симпатической активности, индекс вегетативного баланса (ИВБ) и, в ряде случаев, уровень парасимпатической активности. Характерно, что выраженность нарушений вегетативной регуляции оказалась статистически значимо (р=0,04) больше в группе со стажем работы 10 и более лет.
К середине рабочего дня выраженность вегетативных нарушений незначительно уменьшалась, однако в конце смены вновь достигала исходных значений. Наиболее существенным было падение показателя общей мощности спектра ВСР, причем со значимым снижением этого параметра с большим стажем работы. При этом в обследуемой группе достоверных корреляций наблюдаемых отклонений от возраста не выявлено. Эти настораживающие данные подтверждают известный тезис о хронизации стресс-индуцированных нарушений при систематических информационных нагрузках [1].
В целом, регрессионный анализ динамики практически всех базовых показателей, характеризующих вегетативную регуляцию сердечной деятельности, позволил выявить линейный характер связей между этими показателями, зарегистрированными в начале рабочего дня и в его середине, или в середине дня и в конце рабочей смены. Это свидетельствует о значительной прогностической ценности начальных параметров вегетативной регуляции для оценки уровня работоспособности и стрессоустойчивости опрераторов сложных информационных систем на протяжении рабочей смены.
Для персонифицированного мониторинга на втором этапе исследований была использована разработанная нами технология беспроводного неинвазивного мониторинга ВРС.
В целом, полученные на этом этапе результаты подтвердили наши предположения. Так, при мониторинге сердечно-сосудистой системы методом беспроводной связи было отмечено закономерное усиление симпатической активации в регуляции сердечной деятельности, причем в период усиления активации у 44,8±5,4% сотрудников была зафиксирована экстрасистолия. Также было отмечено, что у лиц, проводящих в середине рабочего дня физкультурную паузу, общее физиологическое напряжение во второй половине рабочего дня было ниже, чем в первой (p<0,01).
Однако в процессе исследования был обнаружен ряд индивидуальных особенностей, не укладывающихся в обобщённую статистическую картину: почти у четверти обследованных характер динамики параметров вегетативной регуляции сердечного ритма при непрерывном мониторинге отличался от усредненных популяционных показателей, полученных при дискретных измерениях. Например, при сходных начальных параметрах вариабельности сердечного ритма, его динамика в течение рабочего дня существенно различалась у двух обследуемых, что в итоге привело к сохранению нормальной регуляторной функции у одного из сотрудников и грубым нарушениям регуляции сердечной деятельности – у другого.
Эти данные еще раз подтверждают необходимость развития телеметрических диагностических систем для персонифицированного мониторинга.
Результаты исследования позволили применить индивидуальный подход при разработке рекомендаций и организации перерывов для снижения нервно-эмоционального напряжения при работе с ПЭВМ.
Использование возможностей беспроводной связи позволяет создавать автоматизированные системы для сбора, регистрации и анализа информации с целью выявления степени функционального напряжения при определенных уровнях производственной нагрузки и обоснования рекомендаций, направленных на профилактику нарушений состояния здоровья.
При анализе данных мониторинга функционального состояния спортсменов в процессе тренировки была получена информация о режимах работы сердца и их соответствии динамике тренировочной нагрузки.
Коэффициент тяжести нагрузки присваивался по следующей шкале:
покой, отдых – 0;
растяжка – 1;
разминочная, заминочная нагрузки – 2;
комплексная нагрузка – 3;
тренировочная нагрузка – 4.
После получения ритмограмм и разделения их по времени в соответствии с режимом нагрузки, был произведён спектральный анализ сигнала, что позволило получить информацию о динамике функционального состояния в процессе всей тренировки. Частотные характеристики ВСР оказались чувствительными к смене режимов тренировки.
По динамике показателей вариабельности сердечного ритма произошло разделение всей выборки спортсменов на две части:
− группа с восстановлением после тренировки, то есть итоговое состояние спортсменов по показателям вариабельности сердечного ритма соответствовало норме,
− группа спортсменов, у которых тренировочная нагрузка привела к патологическим изменениям вегетативной регуляции, то есть не наблюдалось восстановление характеристик сердечного ритма после тренировки.
Таким образом, после соотнесения результатов исходного состояния спортсменов и результатов тренировочной нагрузки, были определены исходные оптимальные параметры вегетативной регуляции, при которых тренировочная нагрузка не приводит к патологическим изменениям в вегетативной регуляции. Состояние, соответствующее им, можно назвать готовностью вегетативной системы к нагрузке.
Стоить заметить, что сопоставление кардиосигнала, записанного в режиме реальной деятельности с контекстом тренировки дает возможность определения неэффективных и опасных контекстов. Так, было обнаружено, что вероятность появления в ритме сердца аритмий и экстрасисталий выше в условиях резкой смены режимов тренировки – с высоко интенсивной нагрузки на отдых с коротким промежутком времени (2-3 мин.)
Данный факт даёт основания предполагать, что особо опасной в тренировке является работа на уровне аэробно-анаэробного резкого перехода, особенно при частом его повторении. На этом основании можно сделать вывод о необходимости изменения режима смены нагрузок (с низкоинтенсивной - на высокоинтенсивную) в процессе тренировки, а именно сделать его менее резким. В данном контексте особенно актуальным становится вопрос об организации исследования по поиску оптимальной динамики повышения нагрузки в процессе тренировки. Применение технологии телеметрии сердечного ритма позволяет отслеживать ФС спортсмена в процессе тренировки в режиме реального времени и предотвращать опасные режимы, в которых велика вероятность риска нарушения здоровья.
Были проведены исследования в группе сотрудников экстремального профиля – пожарных-спасателей. При регистрации спектральных показателей ВСР у сотрудников экстремального профиля методом телеметрии в контексте тренировки показала, что у 100% спасателей наблюдается одновременное снижение общей мощности ритма и возрастание ИВБ при вхождении в учебную газово-дымовую камеру. Данная динамическая структура следует за всплеском общей мощности колебаний, который возникает в момент начала вхождения. По окончании данного контекста наблюдается медленная обратная динамика – снижение ИВБ на фоне возрастания общей мощности, далее динамика этих параметров.
Таким образом, по динамической структуре спектральных характеристик ВСР в стрессогенном контексте можно определить следующую вегетативную реакцию: 1. Этап активации систем регуляции (возрастание общей мощности с преобладанием мощности в низкочастотной компоненте). Предположительно можно связать данную фазу с симпатоадреналовой активацией. 2. Сменяет этот этап доминирование симпатической регуляции (возрастание ИВБ) на фоне резкого снижения общей мощности спектра, данная динамика может объясняться включением второго компонента стресс-реакции – эндогенной опиоидной системы, которая, обладая гипобиотическими свойствами, начинает взаимосвязанную работу с симпатоадреналовой системой [3].
Разработанные методы непрерывного дистанционного мониторинга были апробированы в группе водителей-профессионалов (легковых автомобилей и автобусов общественного транспорта) и в группе обучающихся водителей.
У водителей также фиксировали специфическую для стресс-реакции динамику спектральных показателей.Неблагоприятными признаками истощения вегетативных ресурсов регуляции являются также снижение показателя общей мощности и высокие значения ИВБ по сравнению с индивидуальной нормой.
Таким образом, регистрация маркеров негативных изменений ФС указывает на факторы риска нарушений функции сердечно-сосудистой системы и степень хронизации стресса в условиях профессиональной деятельности у водителей.
По динамике спектральных показателей ВСР были выделены оптимальные (стресс-реакции отсутствуют) и неблагоприятные режимы вегетативной регуляции ССС в процессе вождения.
/25.png)
Идентификацию участков ритмограмм, соответствующих стресс-реакции, проводилась в автоматизированном режиме. Одновременно велась видеорегистрация со спутниковой системой навигации. Все данные поступали на сервер, благодаря программной платформе, разработанной в рамках проекта StressMap, удалось собрать вместе данные ритмограмм водителя, GPS-треккинг, видеозаписи и составить карту основных очагов напряженности, которая была размещена на специально организованном Internet-ресурсе.
В процессе управления транспортным средством водитель испытывает стрессы, при которых повышается риск возникновения опасной дорожной ситуации. Для предупреждения таких ситуаций необходимо своевременное выявление стрессогенных элементов дорожной инфраструктуры и других источников экстремальных состояний у водителей.
Для выделения категорий событий, была разработана универсальная классификация, состоящая из 22 стресс-факторов, включающая все типичные дорожные ситуации. Стресс-факторы - это события, согласованные по времени с эпизодами острого стресса. Все зарегистрированные стресс-факторы были разделены на 4 класса:
Операционные стресс-факторы (операции в процессе управления) - ОСФ;
Инфраструктурные стресс-факторы (стационарные и динамические элементы дорожной инфраструктуры) – ИСФ;
Социальные стресс-факторы I (взаимодействие с другими транспортными средствами) – ССФТ;
Социальные стресс-факторы II (взаимодействие с пешеходами) – ССФП.
Значимость каждого класса факторов оценивали по их доле в общем количестве стрессогенных событий, выявленных за период наблюдения.
В рейтинговом списке стресс-факторов первое место занимают операционные (46%); второе - социальные стресс-факторы первого типа (29%), подразумевающие взаимодействие с другими транспортными средствами; третье - инфраструктурные стресс-факторы - стационарные и динамические элементы дорожной инфраструктуры (18%); четвертое - социальные стресс-факторы второго типа - взаимодействие с пешеходами (7%).
Таким образом, информационные технологии, использующие персонифицированный мониторинг ФС организма человека в условиях реальной профессиональной деятельности позволяют осуществлять управление риском нарушения здоровья, обеспечивая возможность проведения своевременной коррекции ФС, дают возможность контроля за условиями труда, оптимизации режимов труда и отдыха, обеспечения самомониторинга работников, повышения качества и уровня безопасности труда.
1. Баевский Р. М., Берсенева А.П., Берсенев Е.Ю. Использование принципов донозологической диагностики для оценки функционального состояния организма при стрессорных воздействиях (на примере водителей автобусов). // Физиология человека: журнал РАН.− 2009.− №1(35). –С.41-51.
2. Баевский Р. М., Иванов Г. Г. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем. // Вестник аритмологии.− № 24.− 2001.
3. Парин С.Б. Нейрохимические и психофизиологические механизмы стресса и шока. // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского / Нижний Новгород, Изд-во ННГУ. - 2001. - С. 20-28.
4. Парин С. Б., Чернова М. А., Полевая С. А. Адаптивное управление сигналами о рассогласовании в когнитивных процессах: роль эндогенной опиоидной системы// Известия вузов: Прикладная нелинейная динамика. – 2011. – Т. 19. – № 6. – С. 65–73
5. Полевая С.А., Рунова Е.В., Парин С.Б., Некрасова М.М., Федотова И.В., Бахчина А.В., Ковальчук А.В., Шишалов И.С. Телеметрические и информационные технологии для мониторинга функционального состояния спортсменов. //Современные технологии в медицине. – 2012. - № 4. – С. 94-98.
6. Aubert A., Verheyden B., d'Ydewalle C., Beckers F., Van den Bergh O. Effects of mental stress on autonomic cardiac modulation during weightlessness//Am J Physiol Heart Circ Physiol. – 2010. – № 298(1). – Р. 202–209
7. Fredrikson M., Blumenthal J., Evans D., Sherwood A., Light K. Cardiovascular responses in the laboratory and in the natural environment: is blood pressure reactivity to laboratory-induced mental stress related to ambulatory blood pressure during everyday life? // J Psychosom Res. 1989.−№33(6).−Р.753-62.
8. Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Tasak Force of Europen society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // Circulation. −1996. −№93.−P. 1043-1065.
9. Mizuno K., Tanaka M., Yamaguti K., Kajimoto O. Mental fatigue caused by prolonged cognitive load associated with sympathetic hyperactivity// Behavioral and brain functions. – 2011. – № 7. – Р. 1–17
10. Taelman J., Vandeput S., Gligorijević I., Spaepen A., Van Huffel S. Time-frequency heart rate variability characteristics of young adults during physical, mental and combined stress in laboratory environment. // Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc.− 2011.−Р. 1973-6.
11. Taelman J., Vandeput S., Gligorijević I., Spaepen A., Van Huffel S. Instantaneous changes in heart rate regulation due to mental load in simulated office work. // Eur J Appl Physiol.− 2011. −№111(7).−Р.1497-505.
12. Ydwine J., Derek W. Cardiovascular reactivity in real life settings: Measurement, mechanisms and meaning. // Biol Psychol.− 2011.−№86(2).−Р.98–105.
13. Zhai J, Barreto A. Stress detection in computer users through non-invasive monitoring of physiological signals. // Biomed Sci Instrum.−2006.−№42.−Р.495-500.