Бесконтактная оценка психоэмоционального состояния студенток

Исследования по поиску альтернативных методов оценки физиологического состояния биологических систем привели к разработке нового аппаратурного комплекса «Биоскоп» [1], способного бесконтактно реагировать на приближение биологических систем (растения, лабораторные животные, люди).

Различные биологические объекты в разной степени влияют на показания «Биоскопа», вместе с тем сигналы аппаратуры меняются и при изменении физиологического состояния исследуемой системы [2, 3]. В настоящее время получены многочисленные данные, которые демонстрируют эффективность использования аппаратурного комплекса «Биоскоп» при изучении особенностей влияния различных фармакологических препаратов [2], физической нагрузки и стрессорных воздействий на физиологическое состояние организма [4], для раннего прогнозирования инфицирован-ности животных [5], формирования онкологического образования в организме, процесса инкубации куриного эмбриона [6], а также беременности и эпилептиформной предрасположенности организма [7]. Показана также возможность неинвазивной оценки психофизиологического состояния у одаренных подростков [8].

Цель: оценить возможность использования разработанной аппаратуры для объективной оценки характера психоэмоционального состояния студенток в процессе учебных занятий и во время экзаменационной сессии.

Материалы и методы

Аппаратурный комплекс «Биоскоп» имеет простую конструкцию, а принцип его работы основан на оценке интенсивности света, рассеянного в светонепроницаемой камере от датчика - стеклянной пластины, покрытой тонким непрозрачным материалом (рис. 1). На рис. 1Б представлен типичный сигнал «Биоскопа» при приближении ладони человека к нему на расстояние одного см.

В период учебного семестра для двух различных предметов до и после занятий проводилась трехминутная регистрация сигналов «Биоскопом» на расстоянии одного см от ладони левой руки испытуемых. Во время экзаменационной сессии также проводились аналогичные регистрации до и после сдачи экзаменов по пяти другим предметам. До проведения исследований проводился опрос студенток для выявления характера их психоэмоционального отношения (положительного или негативного) к учебным дисциплинам, выбранным для анализа. В зависимости от характера их субъективного восприятия учебного предмета студентки были разделены на две группы: с положительным и отрицательным отношением к учебным дисциплинам.

При анализе зарегистрированных данных определялись последовательные межпиковые временные интервалы осцилляционных сигналов «Биоскопа» (BB-интервалы) и методом быстрого преобразования Фурье строились их спектральные распределения. При этом оценивались изменения в спектре ВВ-интервалов после анализируемых занятий и экзаменов по отношению к спектральным распределениям до проведения занятий и экзаменов соответственно. Вместе с тем определялась средняя частота осцилляций сигналов «Биоскопа» и значение полной мощности спектрального распределения совокупности ВВ-интервалов до и после проведения занятий и экзаменов. Достоверность отличия значений рассчитанных показателей в различных экспериментальных группах оценивалась с использованием критерия Стьюдента при уровне значимости р < 0,05.

А/А

• 1    – стеклянная пластина / glass plate

• 2    – покрывающий материал (плотная черная бумага) / covering material (thick black paper)

• 3    – металлический корпус / metal casing

• 4    – блок питания / power supply

• 5    – усилитель / amplifier

L – источник света (лазер, λ = 0,65 мкм) / light source (laser, λ = 0.65 micron)

F – фотоприемник (ФД-256) / photodetector (PD-256)

ЭВМ – система регистрации / PC – registration system

Б/B

Рис. 1. Аппаратурный комплекс «Биоскоп»: А – принципиальная схема устройства; Б – типичные сигналы «Биоскопа» в области ладони человека. Вертикальная линия – момент поднесения ладони человека к датчику «Биоскоп» на расстояние 1 см; по оси абсцисс – время в минутах, по оси ординат – амплитуда сигналов «Биоскопа» в условных единицах

Fig. 1. The Bioskop system: A – schematic diagram of the device; B – typical signals in the palm area. Vertical line – the moment when the palm was placed at a distance of 1 cm from the sensor;

X-axis - time in minutes, Y-axis - signal amplitude (c.u.)

Результаты

Результаты анализа полученных данных обобщены в табл. 1 и для наглядности представлены в графической форме на рис. 2 и 3.

Согласно представленным данным при положительном отношении к предмету частота сигналов «Биоскопа» до учебных занятий составляет 35,9 ± 5,1 кол/мин (рис. 2А). При этом в случае экзамена наблюдаются осцилляции с относительно более низкими часто- тами. После завершения учебных занятий или экзаменов наблюдается тенденция к сближению значений частот осцилляционных сигналов «Биоскопа» в области 25–26 кол/мин. При положительном отношении к предметам значение мощности спектра ВВ-интервалов до экзамена в пять раз превышает таковую до учебных занятий (рис. 2Б). После завершения учебных занятий или экзаменов имеет место увеличение значений спектральной мощности.

Таблица 1

Table 1

Значения средней частоты и полной мощности последовательных ВВ-интервалов сигналов «Биоскопа» у студенток Values of average frequency and total power of consecutive BB-intervals of “Bioscope” signals among female students

Положительное отношение к предметам Positive attitude to university subjects	F	FFT_BB
До уроков / Before lessons	35,9 ± 5,1	0,5E-4 ± 0,2E-4
До экзаменов / Before exams	24,7 ± 2,1	2,7E-4 ± 0,6E-4
После уроков / After lessons	29,4 ± 7,0	1,2E-4 ± 0,8E-4
После экзаменов / After exams	25,6 ± 2,5	5,7E-4 ± 1,6E-4
Негативное отношение к предметам Negative attitude to university subjects	F	FFT_BB
До уроков / Before lessons	24,1 ± 4,3	1,2E-4 ± 0,2E-4
До экзаменов / Before exams	13,4 ± 2,9	5,7E-4 ± 1,3E-4
После уроков / After lessons	31,6 ± 6,5	1,0E-4 ± 0,2E-4
После экзаменов / After exams	21,7 ± 3,8	6,0E-4 ± 2,2E-4

Примечание . F – средняя частота осцилляций сигналов «Биоскопа»; FFT_BB – значение полной мощности спектрального распределения совокупности ВВ-интервалов.

Note. F – mean oscillation frequency of Bioskop signals; FFT_BB – the total power of the spectral distribution of aggregated BB-intervals.

А/A Частота осцилляций Oscillation frequency

Б/B Мощность спектра ВВ-интервалов BB-intervals spectral power

• –    урок,      – экзамен; 1 – до и 2 – после урока или экзамена.

На А по оси ординат частота осцилляций – колебаний в минуту; на Б по оси ординат – мощность спектра в условных едини цах.

• –    lecture,       – exam; 1 – before / 2 – after the lecture/exam.

Fig. A – Y-axis: oscillation frequency – oscillations per minute; Fig. B – Y-axis: spectral power (c.u.).

Рис. 2. Значения средних частот осцилляций сигналов «Биоскопа» (A) и значений полной мощности спектрального распределения совокупности ВВ-интервалов (Б) в экспериментальной группе с положительным отношением к предметам испытуемых

Fig. 2. Mean oscillation frequencies of Bioskop signals (А) and the total power of the spectral distribution of aggregated BB-intervals (B) in the experimental group with a positive attitude towards university subjects

А/А  Частота осцилляций

Oscillation frequency

Б/B Мощность спектра ВВ-интервалов BB-intervals spectral power

– урок,       – экзамен; 1 – до и 2 – после урока или экзамена.

На А по оси ординат частота осцилляций – колебаний в минуту; На Б по оси ординат – мощность спектра в условных единиц ах.

• –    lecture,        – exam; 1 – before, 2 – after the lecture/exam.

On the A on the ordinate axis, the frequency of oscillations – oscillations per minute; on B, the ordinate is the power of the spectrum in arbitrary units.

Рис. 3. Значения средних частот осцилляций сигналов «Биоскоп» (А) и значений полной мощности спектрального распределения совокупности ВВ-интервалов (Б) в экспериментальной группе с негативным отношением к предметам испытуемых

Fig. 3. Mean oscillation frequencies of Bioskop signals (A) and the total power of the spectral distribution of aggregated BB-intervals (B) in the experimental group with a negative attitude towards university subjects

При негативном отношении к предмету частота сигналов «Биоскопа» до учебных занятий составляет 24,1 ± 4,3 кол/мин (рис. 3А). В случае экзамена наблюдаются осцилляции с 1,8 раза более низкими частотами. После завершения, как учебных занятий, так и экзаменов наблюдается тенденция к увеличению осцилляционных сигналов «Биоскопа» в 1,3– 1,8 раз. При негативном отношении к предметам значение мощности спектра до экзамена в пять раз превышает таковую до учебных занятий (рис. 3Б). При этом как после занятий, так и после экзамена значения мощностей спектров не меняются.

Проведенный анализ выявил также существенную разницу в характере изменения спектрального распределения BB-интервалов после учебных занятий или экзаменов в зависимости от положительного или негативного отношения испытуемых к предмету (рис. 4).

В случае положительного отношения к предмету практически на всем частотном интервале, как в случае учебного занятия, так и экзамена, имеет место многократное (5–10 раз) превышение мощности спектра сигналов «Биоскопа» после занятия или экзамена над таковыми до их начала. В случае негативного отношения к предметам наблюдается обратная картина. При этом после завершения занятия или экза- мена мощность спектра BB-интервалов уменьшается на несколько порядков.

Обсуждение

Цель проведенного исследования заключалась в оценке возможности использования аппаратурного комплекса «Биоскоп» для объективной оценки психоэмоционального состояния человека.

Как известно, негативное отношении к предмету или сдача экзамена связаны с большим эмоциональным напряжением студенток по сравнению со случаем положительного отношения к предмету.

Проведенный анализ показал, что независимо от характера психоэмоционального отношения к предмету частота осцилляций сигналов аппаратуры до учебных занятий в 1,5-2 раза выше, чем до экзамена. Вместе с тем при положительном отношении к предмету наблюдаемые частоты осцилляций примерно в два раза выше, чем в случае негативного отношения к ним. После завершения учебных занятий или сдачи экзамена имеет место эмоциональная «разрядка», что в случае негативного отношения к предмету отражается в увеличении частоты регистрируемых осцилляций.

Таким образом, можно заключить, что значения частоты осцилляций сигналов «Биоскопа» связаны со степенью психоэмоцио-

Положительное отношение к предметам / Positive attitude to university subjects

А – обычный урок

A – lecture

0.1

0.01

1E-3

1                        10

Б – экзамен B – exam

0.1

0.01

1E-3

Негативное отношение к предметам / Negative attitude to university subjects

А – обычный урок A – lecture

Б – экзамен B – exam

0.1

0.01

1E-3

1E-4

1E-5

1E-4

1E-5

По оси абсцисс – частоты осцилляций в логарифмическом масштабе (колебаний в минуту); по оси ординат – относительные значения мощности спектров в логарифмическом масштабе; X-axis: oscillation frequencies on a logarithmic scale (oscillations per minute);

Y-axis: relative spectral power values on a logarithmic scale

Рис. 4. Спектральные распределения последовательных ВВ-интервалов после уроков и после экзаменов относительно их спектральных распределений до проведения уроков и экзаменов соответственно Fig. 4. Spectral distribution of successive pre- and post-lecture/exam BB-intervals нальной напряженности человека. Чем выше напряженность, тем ниже частота; и наоборот: у людей в расслабленном, спокойном состоянии, как правило, формируются колебания с высокими значениями частоты.

Проведенный анализ показал также, что характер спектрального распределения ВВ-интервалов весьма чувствителен к модальности психоэмоционального состояния студенток. В случае положительного отношения к предмету, как в случае учебных занятий, так и экзамена, практически на всех частотах имеет место многократное превышение мощности спектра BB-интервалов сигналов «Биоскопа» до учебных занятий или экзамена над таковыми после их завершения. В случае негативного отношения к предмету наблюдается обратная картина.

Заключение

В настоящем исследовании предпринята попытка оценить возможность использования аппаратурного комплекса «Биоскоп» для сравнительной оценки психоэмоционального состояния студенток до и после проведения учебных занятий, а также до и после сдачи экзаменов во время экзаменационной сессии.

Значения частоты осцилляций и характер спектрального распределения ВВ-интервалов сигналов «Биоскопа» являются объективными критериями бесконтактной оценки психоэмоционального состояния человека.

Приведенные данные указывают на перспективность использования аппаратурно-гокомплекса «Биоскоп» для оценки уровня психоэмоциональной напряженности студенток.