Разработка структуры биоуправляемых модулей реабилитационного тренинга в рамках сетевой интегрированной информационной системы и автономных биотехнических систем для модификации функционального состояния пациента (02.02.2009)

Автор: Макконен Кристина Феликсовна

Хронобиологические методы, основанные на мультипараметрической биологической обратной связи, как было установлено российскими учеными, относятся к наиболее корректным способам оптимизации воздействия при помощи любых технологий лечения. И, как оказалось, тому причиной является структура многочастотных кодов биоуправления физиологическими процессами. Также было установлено, что одночастотные воздействия организмом активно демпфируются на адресуемом уровне [С.Л. Загускин, 1986].

В связи с вышесказанным актуальным является разработка программно-управляемых способов воздействия с использованием мультипараметрической биологической обратной связи [М.Б. Штарк,1998; Ф.А. Пятакович и др., 2007].

Структурные модели трехуровневых биотехнических систем, предназначенных для виртуального игрового тренинга, включающего видимое фоновое изображение, видимое фиксирующее изображение и квазиневидимое изображение на субсенсорном уровне как в России, так и за рубежом отсутствуют.

Следовательно, разработка таких систем относится к актуальным задачам, существенно расширяющим эффективность лечения при помощи компьютерных игровых технологий реабилитации различных заболеваний человека.

Второй подход немедикаментозного воздействия базируется на принудительном или направленном навязывании определенного частотного спектра через оптический канал связи или посредством специальных электродов.

Частотная фотостимуляция используется и для безмедикаментозной коррекции функциональных состояний человека с формированием, так называемых, артифициальных стабильных функциональных связей (АСФС) [В.М. Смирнов, Ю.С. Бородкин, 1979]. Последующая активация АСФС, но только с той же частотой, приводит к воспроизводимым комплексным эффектам, сопровождающимся клиническими и электрофизиологическими изменениями [А.В. Миролюбов, И.Л. Соломин, А.Ю. Шикин, 1988].

Однако рассмотренные методы фотостимуляции лишь условно могут быть отнесены к хронобиологическим подходам, поскольку используют из реального многочастотного кода лишь одну частоту и не синхронизированную с другими биоритмами пациента.

В 1994 году Ф.А. Пятакович, используя принципы хронобиологии, научно обосновал рекомендации по разработке биотехнических систем цветостимуляции, в которых параметры цветового воздействия по интенсивности могут быть автоматически согласованы с параметрами биологической обратной связи посредством датчиков пульса и дыхания. Реализация рассмотренных выше теоретических положений, была осуществлена в запатентованной биотехнической системе цветозвукостимуляции [Ф.А. Пятакович, В.Т. Пронин, 1994; Ф.А. Пятакович, 1995; Ф.А. Пятакович, В.Т. Пронин, Т.И. Якунченко, 1996; F. Pyatakovitch, T. Yakountchenko, 1997], в которой предъявляемым объектом служили два овала с циклически изменяемой цветовой последовательностью, закодированной в виде того или иного паттерна ЭЭГ.

За десятилетие с 1994 по 2004 годы была проведена серия исследований, включавшая формирование медико-технических требований к разработке биотехнических систем, в которых предъявляемым объектом служили: два овала [Ф.А. Пятакович, 1994], четыре квадрата [Хашана Ю.Х., 1999], цветовые решетки [А.А. Должиков, 2000; С.Н. Хорошилов, 2004].

Проведенные цитированными выше авторами исследования продемонстрировали, что использование всех технологий биоуправляемой цветостимуляции обеспечивает на основе механизма резонансного захвата навязываемых частот трансформацию паттерна ЭЭГ и, как следствие, модификацию функционального состояния пациента [Ф.А. Пятакович, 2004].

Однако подобные технологии воздействия не могут рассматриваться с позиций реабилитационной медицины, поскольку в них отсутствует элемент активного участия больного в процессе лечения [О.А. Джафарова, 1998].

Следовательно, разработка биотехнических систем директивного биоуправления, включающего воздействие при помощи цветостимуляции с мотивированным участием больного, является актуальным [Ф.А. Пятакович, 2005].

В целом ряде случаев усвоение ритмов фотостимуляции у пациента оказывается недостаточным для использования данного метода лечения. Поэтому в таких ситуациях в арсенале врача должна быть система, включающая наряду с методами альфа-, бета тренинга биоуправляемой цветостимуляции еще и методы биоуправляемой электростимуляции мозга.

Из литературы известен названный авторами полифункциональный мультипараметрический комплекс для биоуправления [А.В. Адамчук, С.М. Захаров, А.А. Скоморохов, 2002]. Многоканальный задающий генератор комплекса формирует эталонные (навязываемые) процессы, законы, изменения которых выбираются из библиотеки или создаются пользователем произвольно. Система позволяет использовать и фрагменты записи реальных физиологических сигналов и их параметров, полученных от здорового человека или от самого пациента в период ремиссии.

Однако в рассматриваемом полифункциональном комплексе не пред–усмотрены датчики для синхронизации с биоритмами пациента и отсутствует биологическая модуляция навязываемых искусственно синтезируемых сигна–лов.

По данным литературы современная технология биоуправления включает, как правило, использование цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), обеспечивающих предварительную обработку входных сигналов (фильтрация, анализ спектра). Такой подход освобождает процессор компьютера от подобной обработки и переключает его на сервисные функции [А.Н. Корсаков, 1998; А.В. Соколов, 1998]. Несмотря на высокую надежность рассмотренной системы, такая архитектура не отличается гибкостью, так как невозможно произвести модернизацию системы без ее замены целиком [В.А. Нагин, 2002; О. Зайцев, 2004; А.Н. Ковязин, С.М. Востриков, 2005; А. Сорокин, 2005].

В настоящее время более актуальной является практика модульного построения программного обеспечения, при котором система разбивается на ряд функционально законченных модулей, причем каждый модуль имеет свой интерфейс набор команд его использования [М. Фленов, 2005].

Ядром программного обеспечения служит «Диспетчер данных», который обеспечивает необходимую связь внутри системы, между модулями, между клиентской и серверной частями, а также возможность прозрачной работы модулей в сети [Йон Снейдер, 2001].

Таким образом, резюмируя представленные материалы, следует подчеркнуть, что использование различных методов биоуправления для лечения широкого класса заболеваний требует решения проблемы оптимизации воздействия на основе биологической обратной связи, а также диагностической проблемы оценки успешности и эффективности проведенного тренинга.

Направление работ, рассматривающих эту проблему в соответствии с фундаментальными принципами хронобиологии, основанными на мультипараметрической обратной связи, следует признать как наиболее перспективное.

Следовательно, проблема оптимизации воздействия при помощи, например, биоуправляемой электростимуляции мозга ЭЭГ–подобными сигналами или биоуправляемой директивной цветостимуляции может быть решена на основе разработки технических средств, обеспечивающих модуляцию несущего терапевтического сигнала при помощи основных биоритмов пациента.

С позиций практической реализации представленных выше фундаментальных положений хронобиологии могут быть рассмотрены три подхода.

Первый связан с разработкой биоуправляемых портативных устройств, работающих на основе цифровых сигнальных процессоров и обеспечивающих интерфейс с персональным компьютером.

Второй подход направлен на разработку автономных портативных био–технических систем, как, например, биоуправляемых генераторов ЭЭГ–подобных сигналов или микропроцессорных систем, реализующих сценарии игрового тренинга на основе мультипараметрической обратной связи.

Третье направление позволяет создавать интегрированные биотехни–ческие системы. Они имеют в своем составе набор необходимых модулей, которые включают принципы применения технологий биоуправления: БОС ЭЭГ-терапии (альфа и бета тренинга), биоуправляемой электростимуляции мозга ЭЭГ–подобными сигналами, биоуправляемой директивной цветости–муляции и игрового биоуправляемого тренинга.

Настоящее исследование выполнено в соответствии с планами проблемной комиссии по хронобиологии и хрономедицине РАМН, а также с одним из основных научных направлений ГОУВПО «БелГУ»: «Разработка универсальных методологических приемов хронодиагностики и биоуправления на основе биоциклических моделей и алгоритмов с использованием параметров биологической обратной связи», а также при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» по проекту: РНП.2.2.3.3.3301 «Разработка моделей и алгоритмов на основе биологической обратной связи для сетевой интегрированной системы коррекции нарушений центральной нервной системы и модификации функционального состояния школьников и учащейся молодежи».

Цель и задачи исследования. Целью исследований является оптимизация методов биоуправления с разработкой структуры специализированных модулей цветовой фотостимуляции с реабилитационным вектором направленности воздействия, модулей ЭЭГ–тренинга и генерации модулированных ЭЭГ-подобных сигналов, игрового тренинга с использованием системных методологических приемов управления основанного на мультипараметрических сигналах биологической обратной связи различных типов модальностей и направленных на индивидуализацию и усиление эффективности лечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

разработать классификацию иерархии режимов управления нейродинамической активностью мозга и ритмом сердца на основе информационного анализа, соответствующего определенному функциональному состоянию человека;

сформировать комплекс детерминированных моделей цветостиму–лирующего воздействия, которые соответствуют паттерну ЭЭГ и включают цветовую составляющую и временную композицию в виде длительности импульса и длительности паузы с определенным количеством тиков (частотой повторений конкретного ЭЭГ-диапазона);

разработать детерминированные модели и алгоритмы биоуправления глубиной модуляции паттернов электрических сигналов плавающей частоты 7-13 Гц и 14-26 Гц подобных альфа- и бета-ритмам электроэнцефалограммы человека;

разработать структуру интегрированной информационной системы, предназначенной для трансформации нейродинамической активности мозга и последующей модификации функционального состояния человека;

создать структуру биоуправляемого модуля директивной цветостимуляции в рамках интегрированной информационной системы модификации функционального состояния человека;

разработать структуру биоуправляемых аппаратных и микропроцес–сорных систем генерации ЭЭГ–подобных сигналов, предназначенных для процедуры электростимуляции мозга;

создать модели и реализовать алгоритмы мультипараметрических сигналов управления, включающих вычисление соотношений динамики частоты пульса, дыхания и субсенсорных световых сигналов для реализации игровых стратегий биоуправляемого игрового тренинга;

разработать структуру портативной биотехнической системы для игрового тренинга, а также модели и алгоритмы оценки успешности и эффективности игрового тренинга применительно к реализации стратегии на успех и на избегание неудачи;

провести оценку клинической эффективности разработанных моделей и алгоритмов управления в рамках сетевой интегрированной системы коррекции нарушений центральной нервной системы и модификации функционального состояния у больных с аддиктивными состояниями.

Объект исследования. Нейродинамические процессы мозга, электрофи–зиологические процессы сердечно-сосудистой и дыхательной системы.

Предмет исследования: информационные процессы при распознавании функциональных и патологических состояний мозга, сердечно-сосудистой, дыхательной систем, а также в ходе проведения Бос–тренинга в реальных клинических условиях.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории управления, моделирования, теории вероятностей и математической статистики, методы регистрации и анализа электрофизиологической информации в виде межпульсового интервала и дыхательного цикла, а также электроэнцефалографии, методов психологического тестирования и интеллектуального анализа данных.


загрузка...