Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
собственная: на праве оперативного управления на основании приказа председателя КУМИ мэрии города Ярославля № 6/2100 от 09.12.2010 года и свидетельст...полностью>>
'Документ'
1 .Учет расчетов с учредителями. 13.Особенности бухгалтерского учета на предприятиях малого бизнеса . 14. Учет прочих доходов и расходов. 15....полностью>>
'Документ'
Докажите, что если определить функцию по формуле , где , а знак совпадает со знаком на отрезке [a; b], то уравнение эквивалентно уравнению , а функци...полностью>>
'Документ'
1.3.Для правового обеспечения проведения работ по комплексной оценке издается распоряжение, в котором формулируются цели работы, утверждается план ее...полностью>>

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

Главная > Автореферат
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

МАККОНЕН Кристина Феликсовна

Разработка структуры биоуправляемых

модулей реабилитационного тренинга в рамках

сетевой интегрированной информационной

системы и автономных биотехнических систем

для модификации функционального

состояния пациента

Специальность: 05.13.01– Системный анализ, управление

и обработка информации

(технические и медицинские системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора медицинских наук

Воронеж – 2009

Работа выполнена в ГОУВПО «Белгородский государственный университет»

Научный консультант доктор медицинских наук, профессор

Пятакович Феликс Андреевич

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор

Нехаенко Наталия Евгеньевна;

доктор медицинских наук, профессор

Бал Михаил Юрьевич;

доктор медицинских наук, профессор

Каменев Виктор Федорович

Ведущая организация ГОУВПО «Российская государственная

медицинская академия

им. И.М. Сеченова»

Защита состоится «24» апреля 2009 г. в 1300 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.02 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан « » марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Федорков Е.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Определенные генетической детерминацией уровни приспособления человека к коренным изменениям современных условий жизнедеятельности не успевают вслед за динамично развивающимся технологическим окружением его реального существования. В результате столкновения таких противоречий в последние годы отмечается рост психосоматических расстройств и болезней регуляции.

Все эти обстоятельства послужили генератором развития теоретических и практических исследований с использованием информационных технологий в сфере автономных биотехнических систем и компьютерных систем, агрегированных с аппаратными средствами для лечения, а также для поддержки принятия решений в области медицины, что существенно повышает качество медицинских услуг [Ф.А. Пятакович, 2008]. К их числу относятся и методы биоуправления, которые применяют в современных технологиях лечения аффективных нарушений, психосоматических заболеваний и аддиктивных расстройств [М.Б. Штарк, 1998, F.A. Pyatakovitch, 2008].

Как известно, целевой функцией ЭЭГ биоуправления является трансформация в нужном направлении нейродинамической активности мозга с последующей модификацией функционального состояния пациента. При этом пациент, используя различные стратегии отыскания психологического комфорта, меняет адекватно ему соответствующий и паттерн ЭЭГ.

Однако здесь существует проблема необходимости индуцирования внутрипсихического состояния соответствующего достигнутому уровню целевой функции биоуправления. Между тем пациент не всегда и не быстро может отыскать это состояние и, тем более, длительно его удерживать. Неслучайно по данным авторов [С.В. Макаров, О.С. Шубина, 2004] в первые дни лечения по разным причинам, в том числе из-за затруднений при освоении активного тренинга, требующего волевых усилий метода нейробиоуправления, прекратили лечение от 41 % до 50 % больных.

Технологии биоуправления применяются как самостоятельно, так и в сочетании с другими видами биоуправления. Для этих целей используют и компьютерный тренинг в виде игрового биоуправления [М.Б. Штарк, 1998].

Использование различных приемников регистрации параметров биологической обратной связи различной модальности, естественно, расширяет спектр приобретаемых навыков саморегуляции [О.А. Джафарова, 2002].

Однако здесь следует рассмотреть и недостатки игровых систем, работающих на принципах биологической обратной связи. Во-первых, техническая реализация данных игр осуществляется в околореальном времени. Во-вторых, тренинг во всех рассмотренных системах «БОС-ПУЛЬС» и им подобных, но с другими модальностями параметров биологической обратной связи, основан на управлении каким-либо одним параметром: частотой пульса, или амплитудой бета-ритма электроэнцефалограммы, или концентрацией СО2 в выдыхаемом воздухе [О.В.Гришин и др., 1998, 2002]. Использование различных модальностей биологической обратной связи в игровых системах тренинга привело к расширению арсенала игр, но не решило проблемы оптимизации игрового воздействия [Ф.А. Пятакович, 2007].

И, наконец, в-третьих, скорость перемещения виртуального соперника в последующем сеансе тренинга зависит от средней частоты пульса, достигнутой реальным соперником в предыдущем сеансе. Поэтому с каждым последующим сеансом достижение успеха становится все более проблематичным в связи с известными физиологическими ограничениями замедления частоты сердечных сокращений [N. Miller, 1978; Н.Б. Суворов, Н.Л. Фролова, 2002].

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.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты, характеризующиеся научной новизной:

способ формализации информационных ресурсов, включающий кодирование параметров электрического воздействия, предназначенный для реализации биоуправления в модулях электростимуляции, отличающийся сигналами подобными альфа- и бета-веретенам электроэнцефалограммы;

способ формализации информационных ресурсов, включающий кодирование параметров светового воздействия, предназначенный для реализации биоуправления в модуле директивной цветовой фотостимуляции, отличающийся погружением формул воздействия в цикл резонансного дыхания;

алгоритмы управления интенсивностью воздействия для модулей электростимуляции и цветовой фотостимуляции посредством синхронизации паттернов дыхания с формулами электростимуляции и цветостимуляции, отличающиеся погружением их в ритм межсистемных взаимоотношений;

способ реализации трехуровневого биоуправляемого тренинга направленный на модификацию функционального состояния, человека посредством преодоления стрессиндуцированного состояния созданного предъявлением сюжетов игровой ситуации, отличающейся наличием формул субсенсорного светового воздействия;

метод диагностики успешности и эффективности биоуправляемого тренинга посредством информационного анализа, включающего регистрацию параметров энтропии сигналов пульса, дыхания и электроэнцефалограммы, отличающийся возможностью классификации иерархии режимов управления, соответствующих определенному функциональному состоянию человека.

Практическая значимость и результаты внедрения. В результате проведенных исследований решена задача синхронизации воздействующих физических факторов различной модальности в модулях директивной цветостимуляции, генерации ЭЭГ– подобных сигналов, биоуправляемом игровом тренажере с параметрами артериальной и венозной составляющей капиллярного кровотока. Подобный подход обеспечивает увеличение эффективности лечебного воздействия за счет использования мультипараметрической обратной связи, включающей ритмы пульса, дыхания и их отношения, ритмы элонгации и перераспределения кровотока.

Разработанные модели формул субсенсорного светового воздействия, направленные на торможение или активацию центральной нервной системы, в зависимости от реализации игрового сюжета, позволили оптимизировать процедуру игры, сделав ее более успешной и эффективной.

Реализованные алгоритмы управления глубиной модуляции, скважностью несущего терапевтического сигнала, процедурой циклического функционирования с паузами работы и отдыха, соответствующие пятиминутным биоритмам перераспределения кровотока, позволили снизить общую дозу воздействия.

Разработанные модели и алгоритмы измерения циклов воздействия по биологическим интервалам пациента, а не по физическим секундам обеспечили индивидуализацию физиотерапевтического лечения.

Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры пропедевтики внутренних болезней и клинических информационных технологий ГОУВПО «Белгородский государственный университет», в лечебную практику нервного и физиотерапевтического отделения муниципальной городской клинической больницы №1 г. Белгорода.

Получено решение от 16.11.2008 о выдаче патента по заявке N2007117796/14 (019374) «Биоуправляемый игровой тренажер и способ коррекции функционального состояния человека». Приоритет от 14 апреля 2007. Приоритетная справка от 26.12.07 на «Биоуправляемое устройство для генерации сигналов подобных ЭЭГ» по заявке № 2002149373. На VIII Международном салоне инноваций и инвестиций в марте 2008 г. за данное устройство получены диплом и бронзовая медаль. Получены три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладовались и обсуждались на следующих конференциях: на Международной научно-практической конференции «Хрономедицина-практике» (Белгород, 2003); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки и образования» (Варадеро (Куба), 2006); Международной научной конференции «Научные исследования высшей школы» (Тенерифе (Испания), 2006); научной конференции с международным участием «Вопросы медицинской профилактики и реабилитации» (Сочи, 2006); XII Международном конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации (Паттайя (Таиланд), 2007); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в медицине» (Пекин, 2007); Международной научной конференции «Научные исследования высшей школы. Биологические науки» (Таиланд, 2007); Международной научной конференции «Диагностика, терапия, профилактика социально значимых заболеваний человека» (Алания-Турция, 2008); XIII Международном конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации. Всемирный форум по астме (Дубай (ОАЭ), 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 научных работ, в том числе 2 монографии и 13 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,5,7] - разработка принципов формализации информации при помощи кодирования импульсов света; [15,16,22,24] - создание детерминированных моделей цветостимуляции, направленных на трансформацию нейродинамической активности мозга; [8,10,13,14,21] - формулирование медико–технических требований для разработки структуры модуля генерации ЭЭГ–подобных сигналов, формирование моделей электростимуляции мозга в виде паттернов электрических импульсов веретеновидной формы; [6,11,20] - разработка параметров мультипараметрической обратной связи для игрового тренинга; [17,18,19] - формирование моделей игровых стратегий с достижением успеха и избеганием неудачи; [4,12,23] - разработка медико–технических требований для создания структуры интегрированной сетевой системы модульного типа; [3,9] -разработка критериев способа оценки успешности и эффективности биоуправляемого тренинга на основе информационного анализа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, практических рекомендаций, заключения, списка литературы 239 наименований и приложения. Основная часть изложена на 296 страницах, содержит 53 таблицы и 70 рисунков.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Перечень научной продукции, разработанной фгу ннц наркологии РФ за 1998-2010 гг

    Монография
    Монография составлена из работ, базирующихся на достижениях фундаментальной наркологии, в частности на установленной взаимосвязи патологического влечения к психоактивным веществам и расстройств депрессивного круга с констатацией их
  2. Институт факультет психологии акмеологические основы профессиональной культуры современного специалиста

    Документ
    17 апреля 2008 года психологическая общественность отметила 70-летие со дня рождения профессора Анатолия Михайловича Зимичева, который в течение нескольких десятилетий во многом определяет лицо отечественной психологической науки,

Другие похожие документы..