TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30. HADTUDOMÁNYI TÁJÉKOZTATÓ
Személyorientált intelligens szenzorokra épülõ katonai monitorozó rendszer kifejlesztése (Az orvosbiológiai alapok kidolgozása) DR. GERGELY TAMÁS vezette kutatócsoport Alkalmazott Logikai Laboratórium Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, Védelem-egészségtudományi Tanszék, SOTE TF Sportorvosi Tanszék
A kötelezõ katonai szolgálatot felváltó professzionális haderõ kialakítása a korábban megszokott és elfogadott gyakorlattól eltérõ megoldásokat igényel. A személyi kiválasztás során lényeges, hogy képet alkothassunk a jelentkezõk fizikai és pszichikai felkészültségérõl és teljesítõképességérõl. Az alkalmasság vizsgálat és a küldetés orientált kiválasztás hatékonyságának fokozása érdekében szükséges a fizikai és pszichés teljesítõképesség iránti követelmények pontosabb meghatározása. Lényeges, hogy objektív módszerekkel tudjuk megítélni a hivatásos katonák szolgálat közbeni tevékenységét. Hasznos információt kapunk, ha a vizsgálat során, a feladatok végrehajtása közben, esetleg a felkészülést szolgáló nehéz/szélsõséges körülmények között folyamatosan és kellõ megbízhatósággal nyomon követjük a katonák pszichés és fiziológiai állapotát. A kiválasztás és a kiképzés támogatásán túl arra is szükség van, hogy a különbözõ veszélyhelyzetekben megbízhatóan meg tudjuk ítélni a résztvevõk cselekvõképességét. Az esetleg felmerülõ vészhelyzetek optimális elhárítása megköveteli az egyes résztvevõk egészségi állapotának folyamatos monitorozását, és a kapott adatok továbbítását a kiértékelõ és irányító központba, ahol meghozzák a szükséges döntéseket. A pszichológiai és fiziológiai állapot monitorázása képet ad arról, hogy a katonák menyire állnak készen a feladatok végrehajtására, és segítségükkel a parancsnokok megítélhetik, hogy az egyes egységek milyen hatékonysággal vethetõk be gyakorlatok illetve harci operációk során. A katonák állapotának monitorozása arra is felhasználható, hogy a helyszínre érkezést megelõzõen már osztályozzuk a különbözõ sérülteket, és ezzel megnöveljük az egészségügyi mentés hatékonyságát.
49
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
HADTUDOMÁNYI TÁJÉKOZTATÓ
Természetesen az állapot meghatározáshoz használt érzékelõket úgy kell rögzíteni a katona testéhez vagy ruházatához, hogy azok lehetõleg ne akadályozzák tevékenységében. Fontos elvárás továbbá, hogy a változó terep, éghajlati, hõmérsékleti, fény, és páratartalom viszonyok ne torzítsák a kapott mérési eredményeket. A kapott adatok felhasználása céljából azokat a megfelelõ kompetenciával rendelkezõ egységeknek kell továbbítani. Az egyes katonák állapotának értékelése mellett az is nagyon lényeges, hogy integráltan is meg tudjuk ítélni egy harci egység pszichofiziológiai állapotát, hiszen ez nagymértékben befolyásolja a meghozott döntéseket. A monitorozott adatok ismeretében kiadott parancsokat a szükséges információval kiegészítve végül el kell juttatni a végrehajtó katonai egységekhez. A NATO korszerû követelményei között hangsúlyozottan szerepel az egyes katonák tevékenysége során az egyén fizikális és mentális állapota és ezzel együtt az egyént körülvevõ környezet (például, átlagos hõmérséklet, geológiai lokáció, kémiai anyagoknak való kitettség) nyomon követése. Ezek ismeretében, az irányító személyzet meg tudja határozni, hogy az egyénnek például pihenésre, étkezésre, vagy folyadékpótlásra van szüksége, vagy esetleg az egyén állapota leromlott arra a szintre, hogy jobb lesz inkább leváltani. A fentiekben leírt monitorozás-alapú katonai irányító rendszer mûködését vázlatosan az 1. ábra szemlélteti. Az elmondottak szerint a teljes rendszer az alábbi fõ összetevõkbõl áll: – intelligens szenzorokat tartalmazó elosztott architektúrájú mérési egységbõl, mely meghatározza és rögzíti a lényeges egészségi állapot-paraméterek értékét; – autonóm intelligens mérésvezérlõ és elõprocesszáló egységbõl, amelynek funkciói az adatgyûjtés, adatintegrálás, elõprocesszálás és kommunikáció; – központi intelligens adatfeldolgozó modulból, amelynek alapvetõ funkciója az autonóm egységek adatainak együttes kezelése; – központi intelligens vezérlõ egységbõl, amely felügyeli az összes központi intelligens adatfeldolgozó modul mûködését, integrálja az ezektõl származó információkat, katonai és egészségügyi szempontok alapján ismereteket nyer ki a beérkezõ adatokból, és hatékony támogatást nyújt a felmerülõ feladatok megoldásához; – kommunikációs egységbõl, amely a különbözõ egységek között az adatok átvitelét és az információcserét biztosítja. Az operatív feladatokat végrehajtó katonák teljesítményét jelentõsen fokozhatjuk egy ilyen komplex katonai irányító rendszer mûködtetésével. A projekt célkitûzéseit az adott idõ- és pénzügyi korlátok figyelembevételével ennek megfelelõen fogalmaztuk meg.
50
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
KATONAI MONITOROZÓ RENDSZER KIFEJLESZTÉSE
1. ábra. A monitorozó rendszer sémája
A projekt célja A projekt célja egy olyan állapotmonitorozó rendszer elvi és módszertani alapjainak kidolgozása, amellyel a parancsnokok nyomon tudják követni a katonák élettani és pszichikai állapotát, miközben végrehajtják a kitûzött feladatokat. A pszichofiziológiai állapotmonitorozáshoz kisméretû és könnyû szenzorokra van szükség, melyek – tevékenység végzése közben is mûködnek, – könnyen kezelhetõk és nem gátolják a katonák tevékenységét, – rögzítik és tárolják a mért adatokat (adatgyûjtés), továbbá – csatlakoztathatók parancsnoki rányitó rendszerekhez (kommunikációs interfész). A szenzorok által szolgáltatott adatokat terheléses orvosbiológiai modellek segítségével értékeljük. A számítógépes adatelemzõ program olyan aggregált paramétereket szolgáltat, melyek jól tükrözik az egyes katonák, valamint a teljes harci egység fizikai és pszichés állapotát és azt is, hogy ez miként alakul a különbözõ szituációk, terhelések és az idõ függvényében.
51
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
HADTUDOMÁNYI TÁJÉKOZTATÓ
Az orvosbiológiai modellek mellett a monitorozó rendszer megtervezése érdekében a következõ kérdésekre kell választ keresni: – mit és milyen sûrûséggel kell mérni ahhoz, hogy használható képet kapjunk a katonák fizikai és pszichés állapotáról feladatuk teljesítése közben? – milyen technológiák a legalkalmasabbak a mérések elvégzéséhez? – miként befolyásolják a katonai tevékenységek, a domborzati és az idõjárási viszonyok, és miként lehet kiküszöbölni ezeket a zavaró hatásokat? – hogyan lehet integrálni a különbözõ szenzorokból érkezõ adatokat? – hogyan lehet következtetni a mért adatokból a katonák fizikai és pszichés állapotára? és végül – az egyes katonák állapotából miként lehet megítélni egy harci egység fizikai és pszichés állapotát? További fejlesztések eredményeként a megtervezésre kerülõ rendszer része lehet egy olyan integrált, elektronikus katonai irányító rendszernek, mely segít maximalizálni a katonák operatív hatékonyságát és hozzájárul a sebesülésekbõl/sérülésekbõl eredõ problémák megoldásához.
Elérendõ kutatási célok Az elérendõ kutatási célokat elsõsorban az elõzõ alfejezetben megfogalmazott kérdések szabják meg, de a kutatás során mindvégig szem elõtt tartjuk az elképzelt teljes rendszer architektúráját és mûködését. Az orvosbiológiához kapcsolódó célok között a következõ elméleti feladatok szerepelnek: – a személy állapotával kapcsolatos fogalomrendszer megadása, – a tevékenységorientált vizsgálatra alkalmas élettani paraméterek meghatározása, – a tevékenységorientált vizsgálatra alkalmas pszichológiai paraméterek meghatározása, – a tevékenység közben végzendõ élettani és pszichológiai vizsgálatok modelljének létrehozása, – a monitorozó rendszer konceptuális tervének elkészítése. A monitorozó rendszer konceptuális terve rögzíti a rendszer alkotó elemeit és azok funkcióit, amelyek biztosítani hívatottak a kiválasztott paraméterek mérésének megvalósítását. A vizsgálati modell azt tartalmazza, hogy a különbözõ mért paraméterekbõl milyen információt kapunk a katonák élettani és pszichológiai állapotára vonatkozóan. Számtalan paraméter nyomon követése lehetséges. A paraméterek kiválasztása a küldetés, a személyzet és a mérni kívánt funkciók függvényében változik. Emellett, a paraméter szintjét és típusát (egyedi információ, csapat információ, környezeti körülmények, és/vagy interaktív információ) is meg kell határozni. Például, egy adott személy monitorozása során kaphatunk
52
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
KATONAI MONITOROZÓ RENDSZER KIFEJLESZTÉSE
adatokat az alapvetõ vitális jelekrõl (például, testhõmérséklet, pulzus, a vér oxigénszintje, szívritmus, vérnyomás, a szívverés ritmusának változékonysága, elektrokardiogam) vagy kevésbé hagyományos paraméterekrõl (például, laktátszint, szövet pH, az izom kreatinkináz szintje). Egy személy monitorozása koncentrálódhat meghatározott idõ alatt az illetõ személyen belül bekövetkezõ változások (például ûrséta, gyakorlatozási idõ vagy erõltetett menet) trendjeire. Az adatokat csoportosítva fontos információkat kaphatunk a legénységrõl vagy csapatról, mint egy egészrõl, és ez az ismeret hasznosnak bizonyulhat, ha egy adott küldetés feladata elõbbre van, mint egy személy egészségi állapotának megõrzése. A továbbiakban táblázatok formájában összefoglaljuk a mérhetõ paramétereket. A csontozat biomarkerei Szövet, szerv, funkció Csont
Köztes paraméter
Forrás
Kollagénbontási termékek Karboxiterminális telepeptid Deoxipiridinol Hidroxiprolin N-telepeptid Piridinolin Citokinek Interleukin–1 és –6 Tumornekrózis-faktor Transzformáló növekedési faktor Endokrin markerek Kalcitonin Növekedési hormon Inzulinszerû növekedési hormon 1 Oszteokalcin Mellékpajzsmirigy hormon Pajzsmirigy hormon Enzimek Csontspecifikus alkalikus foszfatáz Alkalikus foszfatáz A csontfelszívódás markerei 24 órás vizeleti kalcium Kalciumegyensúly Tartarátra rezisztens savas foszfatáz
Plazma Vizelet
Teljesítmény, eredmény Csonttörés, így stressz okozta törés is Ödéma Gyulladás/károsodás Fájdalom Gyengeség
Paraméter A csont ásványianyag-sûrûsége Kettõsenergiájú röntgensugár Abszorpciometria Ultrahang Kvantitatív számítógépes tomográfia Szövettan Mono akkumuláció
53
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
HADTUDOMÁNYI TÁJÉKOZTATÓ
Fiziológiai és kognitív teljesítményt jelzõ paraméterek Szövet, szerv, funkció
Köztes paraméter
Testhõmérséklet
Hidegterhelési index Nyelõcsõbe helyezett telemetrikus eszköz Galvanikus bõrválasz Szívritmus Hõáramlás Orális hõmérséklet Bõrhõmérséklet Fiziológiai terhelési index
Hidratáció
Aldoszteron Arginin Vérnyomás Szívritmus Bioelektromos impedanciával mért hidratációs állapot Nátrium A test összes víztartalma Vazopresszin
Fizikai aktivitás/ energiafelhasználás
Akcelerométerek Aktivitásra vonatkozó feljegyzések Aktivitásmonitorok (integrált, például, testmozgás, szívritmus, és belsõ hõmérséklet) Étkezésre vonatkozó kérdõívek Kétszeresen jelzett víz Láb talajérintése/testsúly Glükóz Szívritmus-monitorok Inzulin Inzulinszerû növekedési faktor 1 laktát
54
Forrás
Teljesítmény, eredmény
Paraméter
Hõstressz Hipo- és hipernatrémia
Belsõ hõmérséklet
Vér Nyál Vizelet
Kognitív teljesítmény De- és túlhidratáltság Fáradtság Hõmérséklet okozta kimerültség Hõmérséklettolerancia Izmok szívóssága
Testsúlyváltozás Szemnyomás Plazmatérfogat, ozmolaritás A nyál folyóssága Bõrfeszesség A vizelet színe, fajsúlya, ozmolaritása, térfogata
Vér
Észlelés Hipo- és hiperglikémia Hõmérséklet okozta görcsök Hõmérséklet okozta kimerültség Napszúrás
Testsúly Kalorimetria (közvetlen és közvetett) A test hústömege
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
KATONAI MONITOROZÓ RENDSZER KIFEJLESZTÉSE
Az agy mûködését jelzõ paraméterek Szövet, szerv, funkció
Köztes paraméter
Forrás
Teljesítmény, eredmény
Paraméter
Kognitív
Véráram Elektroencephologram (EEG) Funkcionális mágneses rezonancia leképezés Leképezés Magneto-elektroenkefalográfia Metabolizmus Pozitronemmissziós tomográfia Spektroszkópia
Koncentrált figyelem Memória Problémamegoldás
Az érzékelt fáradtság besorolása Önbecslési skálák
Hangulat
Szagprofilok
Egy adott helyzethez való viszonylagos alkalmazkodás Félelem
Módosított STROOP Hangulati profil Önbecslési skálák Vizuális analóg
Alvás
Ambuláns alvásmonitor Elektrokardiogram-mint ázat
Reakciõóid Álmosság/készenlét Feladatmegoldó teljesítmény
Önbecslési skálák
Stresszre adott válasz
Autonóm idegrendszer Vér Nyál Kortizol Dehidroepiandoszteron Vizelet Növekedési hormonok A szívritmus változásai Impedancia Inzulinszerû növekedési faktor 1 Neurotranszmitterek Norepinefrin Más hormonok Prolaktin Stresszhormonok Tesztoszteron
Egy adott helyzethez való megfelelõ aktiváltság
Önbecslési skálák
55
TÁJ-BB-05
KR-2 Tom
2005.05. 30.
HADTUDOMÁNYI TÁJÉKOZTATÓ
Szív, izom és tüdõ paraméterek Szövet, szerv, funkció
Köztes paraméter
Szív
Szívverés A szívverés változékonysága Impedancia
Izom
Aminosavak (glutamin, hisztidin, 3-metilhisztidin) Enzimek/molekulák Karbonikus anhidráz A kreatinkináz izoenzimjei Mioglobin Miozin nehézláncok Foszfokreatin-szintek Ubikitin
Forrás
Teljesítmény, eredmény
Paraméter
Szívmûködés Relatív szimpatikus és paraszimpatikus szabályzás
Dinamométerek Ergométerek Terhelési mércék Az érzett erõfeszítés osztályozása
Csökkent állóképesség Csökkent teljesítmény Csökkent erõ Fáradtság
Késleltetett izomfáradtság Fokozott izomleépülés Pulzus oximéter Kapnográf
Izom
Vér Immun A keringésben található Nyál polimorf sejtmagvú Vizelet leukociták Inzulinszerû növekedési hormon 1 Interleukin–1, –6 Tumornekrózis-faktor Metabolizmus/kataboliz Vér mus/anabolizmus Vizelet laktát Glikogén A vér ammóniaszintje Fehérjeciklus
Vér Vizelet
Szerkezet/metabolizmus Izom 3-metil-hisztidin kiválasztás Glikogén Nyomokban jelenlevõ fémek Tüdõ
56
Belélegzett levegõ
Oxigén és széndioxid szaturáció
