автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Алгоритмы коррекции функционального состояния человека при помощи цветостимуляции

Г} Г) V / Л Г™ .....

г ч , ' Ым- А / Ч ^ М - г 1

О ! ^ ^ ^ / О^О V/

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Хашана Юнее бен Хассен

УДК 615.83:681.5 АЛГОРИТМЫ КОРРЕКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПОМОЩИ ЦВЕТОСТИМУЛЯЦИИ

05.13.09- Управление в биологических и медицинских системах

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель: д.м.н., профессор Ф.А.Пятакович Научный консультант: к.б.н, профессор Е.А. Ляпунова

/

Белгород-1^99

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕ.НИ Е................1................................................................................4

Часть I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ХРОНОФИЗИОТЕРАПИИ. ...............................И

Часть II. СОБСТВЕННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ.

2.СОСТАВ ИССЛЕДУЕМЫХ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Состав исследуемых и клиническая характеристика больных......................23

2.2. Автоматизированные методы диагностики..................... ................................23

2.3.Комплексные методы оценки электрофизиологической информации.........24

2.4. Хронодиагностический модуль в системе распознавания функциональных состояний человека..................'..................................................................................25

2.5. Автоматизированная система обработки колеблемости межпульсового интервала.....................................................................................................................27

2.6. Методы обработки информации.....................................................................32

2.6.1. Вариационная пульсометрия..........................................................................31

2.6.2. Анализ автокорреляционной функции.........................................................34

2.6.3. Анализ волновой структуры ритма сердца...................................................35

2.6.4. Анализ активности регуляторных систем.....................................................36

2.6.5. Оценка статистической значимости различий двух выборок...................43

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМУЛ ВОЗДЕЙСТВИЯ.............................................44

3.1.Способы кодирования и предъявления информации......................................44

Алгоритмы цветостимуляции...................................................................................44

3.2,Объекты предъявляемой информации и биосинхронизация воздействия .. 56 3.3.Основные медико-технические требования к разработке биотехнической

системы цветостимуляции........................................................................................59

3.4. Структурная характеристика биотехнической системы цветостимуляции 63

4. ВЕРИФИКАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ЦВЕТОСТИМУЛЯЦИИ........................67

4.1. Оценка влияния монохромной цветостимуляции на некоторые параметры

электроэнцефалограммы..........................................................................................67

4.2. Сопоставление биоуправляемого режима цветостимуляции и режима не

синхронизированного с биоритмами пациента......................................................77

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................93

ВЫВОДЫ............................................................................................................103

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ................................................................105

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................107

ВВЕДЕНИЕ АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Радикальное решение задачи сохранения здоровья населения - это здоровый образ жизни. Однако декларативными мерами в виде призывов соблюдать здоровый образ жизни решить эту проблему не представляется возможным. Экологические, экономические причины, стрессовые нагрузки в связи с социальными потрясениями, дороговизна лекарств сводят на нет усилия системы здравоохранения, направленные на лечение, реабилитацию и оздоровление населения.

Полагают, что новые методы будущей системной медицины должны быть одновременно и методами лечения и методами профилактики с коррекцией функционального состояния человека вне зависимости от степени их нарушения[12 ].

Только на основе фундаментальных положений хронобиологии, а также методологических приемов хрономедицины рассматриваемые проблемы могут быть успешно решены. Дело в том, что использование данных подходов, наряду с упрощением диагностической и лечебной процедуры, обеспечивает интегральную чэценку и адаптивную коррекцию лечебного воздействия для обеспечения системного характера терапии. Самое же привлекательное в использовании методов хронобиологии заключается в возможности обеспечения истинно индивидуализированной терапии за счет автоматизации биоуправления лечебным воздействием по сигналам с датчиков, устанавливаемых на теле больного [12,13].

Из фундаментальных исследований российских ученых известно, что хронобиологические методы лечения увеличивают согласование, гармонию ритмов в организме в целом, усиливают собственные механизмы саморегуляции [14]. Клинические наблюдения свидетельствуют о том, что при хронофизиотерапевтическом лечении исключаются побочные эффекты и появляется возможность избежать рецидивов болезни [20].

Нормализация гармоничных взаимоотношений адренергических и холинэргических механизмов регуляции организма пациента является наиважнейшим компонентом биоуправляемой хронофизиотерапии [41].

Доказано, что использование биоуправляемой хронофизиотерапии обеспечивает снижение любых отрицательных нагрузок и достижение лечебного и профилактического эффекта более ускоренно и направленно, с меньшими усилиями и затратами времени человека [39 ].

В последние годы в мировой медицинской практике большое внимание уделяется разработке и внедрению экологически чистых биотехнических систем с целью модификации параметров ЭЭГ, ЭКГ, КГП (кожно-гальванический потенциал) и некоторых других для коррекции функциональных изменений центральной нервной системы человека [3].

Использование действия ритмической фотостимуляции с целью управления функциональным состоянием человека является одним из важнейших аспектов проводимых исследований. Наряду с работами, посвященными анализу адаптации зрительного анализатора к световым воздействиям и их последействию, эти исследования выявили относительную стабильность перестроек, возникающих под влиянием ритмической фотостимуляции на разных уровнях функционирования центральной нервной системы человека [33].

В некоторых работах [25,26,27,29,56 ] было показано, что ритмическая фотостимуляция после однократного применения ее на фоне фармакологического действия этимизола приобретает особенный характер по своему физиологическому воздействию. В частности, фотостимуляция оказывает лечебное действие на больных с органическими гиперкинезами, выражающиеся в снижении ригидности, брадикинезии, а также вызывает специфическую реакцию дестабилизации мышечного тонуса.

Однако, в рассмотренных системах коррекции функционального состояния человека не предусмотрен режим одновременной диагностики и индивидуального дозирования лечебного воздействия. А именно такой подход

и открывает принципиально новые возможности лечения с усилением и нормализацией саморегуляции на всех уровнях организма конкретного больного [12].

В разработанных за последнее десятилетие биотехнических системах цветостимуляции подобные недостатки уже отсутствовали [39]. В них, наряду с хронодиагностическими алгоритмами, была предусмотрена синхронизация цветостимулов с основными биоритмами пациента, которая позволяла получить отклик, как на внутрисистемном, так и на межсистемном уровнях регуляции [40, 42, 43, 35].

Несмотря на использование принципа биосинхронизации с пульсом и дыханием испытуемого, цитированным выше исследователям не удалось полностью решить вопросы, связанные с управлением интенсивностью воздействия. В этих система^ авторами был применен принцип изменяемой освещенности экрана в градациях серого цвета: на вдохе цветостимулы в виде овалов подавались на фоне черного экрана, а на выдохе- на фоне светлосерого. Таким образом, физически интенсивность самих цветостимулов не менялась, а менялся только фон их предъявления.

Следовательно, разработка биотехнических систем цветостимуляции с использованием автоматического управления интенсивностью воздействия является актуальной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: модификация состояния человека при помощи биоуправляе-мого воздействия низкоинтенсивными электромагнитными излучениями в видимом диапазоне длин волн через оптический канал связи испытуемого.

В задачи исследования входили:

1.проведение анализа перспективных направлений, связанных с решением получения эффекта нефармакологических лечебных мероприятий с использованием технических средств, работающих на принципах биоуправления;

2.создание моделей и алгоритмов цветостимуляции, обеспечивающих модификацию паттерна электроэнцефалограммы;

3.создание моделей и алгоритмов цветостимуляции, обеспечивающих изменения интенсивности воздействия;

4.реализация моделей и алгоритмов в макетном образце компьютерной биоуправляемой системы цветостимуляции;

5.клиническая оценка эффективности разработанного макетного образца биоуправляемой системы цветостимуляции.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1.Впервые использованы модели высоко адаптивных паттернов ЭЭГ для кодирования цветовых импульсов, образующих формулы цветостимуляции.

2.Впервые разработаны циклически изменяемые структуры алгоритмов, обеспечивающие динамику интенсивности цветостимуляции.

3.Впервые разработаны алгоритмы импульсной синхронизации цветовых светостимулов с основными биоритмами человека, представленными параметрами пульса и дыхания.

4.Впервые разработаны алгоритмы, в которых предъявляемый объект цветостимуляции одновременно служит импульсом синхронизации и является значимым ритмом ЭЭГ.

5.Определены структура и алгоритмы информационного анализа временной упорядоченности пульса для решения задачи выбора конкретной формулы воздействия в составе автоматизированной системы цветостимуляции. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

1 .Разработаны медико-технические требования и создан макетный образец автоматизированной цветостимуляции.

2.Технически реализована синхронизация воздействующих цветостимулов с параметрами частоты сердечных сокращений и дыхательного цикла.

3.Осуществлено уменьшение общей световой дозы воздействия за счет увеличения интенсивности воздействия только в момент пульсового выброса и вдоха пациента.

4.Реализована индивидуализация цветостимулирующего воздействия в результате использования в системе биологического таймера, отсчитывающего

циклы воздействия по межпульсовым интервалам пациента, а не по физическим секундам.

5.Достигнута модификация функционального состояния человека за счет резонансного усвоения навязываемых цветостимулирующих импульсов света, смоделированных по принципу высокоадаптивных паттернов ЭЭГ. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры глазных болезней Курского государственного медицинского университета, кафедры БИТАС Курского государственного технического университета, кафедры пропедевтики внутренних болезней Белгородского государственного университета. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1.Проблема увеличения эффективности цветостимуляции может быть решена на основе синхронизации несущего терапевтического сигнала с параметрами биологической обратной связи, включающей пульсовой выброс и цикл дыхания.

2.Практическая реализация связана с разработкой:

-универсальных хрономодулей или устройств, обеспечивающих интерфейс с процессором ЭВМ и переводящих его в режим биоуправления;

автоматизированных систем, имеющих в своем составе, блок хронодиагностики текущего' состояния пациента, блок биологического таймера, обеспечивающего цикличность процедуры в конкретных биоритмах пациента, а не в единицах физического времени, а также блок биоуправления, использующий параметры биологической обратной связи.

3. Оценка эффективности разработанного макетного образца автоматизированной системы цветостимуляции свидетельствует о возможности модификации исходного паттерна ЭЭГ с последующей коррекцией функционального состояния человека. ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены на международной технической конференции 19-22 мая 1998 г. «Медико-

экологические информационные технологии» г. Курск, на Всероссийском совещании-семинаре «Высокие технологии в региональной информатике», гор. Воронеж, 17-19 июня 1998 г. на VI-й Российской научно-технической конференции 15-17 декабря 1998 г. по «материалам и упрочняющим технологиям-98». Г. Курск, на объединенной научной конференции сотрудников кафедры медицинской кибернетики от 15 марта 1999 г. Российского государственного медицинского университета г. Москва. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация изложена на 118 страницах машинописи и состоит из. введения, 4 глав, обсуждения результатов исследования, выводов, практических рекомендаций и списка литературы (83 российских и 35 иностранных авторов). Диссертация иллюстрирована таблицами (28), рисунками (6).

В первой главе обосновывается эффективность использования низко интенсивных электромагнитных излучений (ЭМИ) оптического диапазона длин волн. Рассмотрены существующие способы медицинской оптимизации воздействия различными физическими факторами с использованием параметров биологической обратной связи (БОС).

Во второй главе представлены автоматизированные методы диагностики, рассмотрены комплексные методы оценки электрофизиологической информации, а также хронодиагностический модуль в системе распознавания функциональных состояний человека. Рассмотрены автоматизированная система и методы обработки колеблемости межпульсового интервала: вариационная пульсометрия, анализ автокорреляционной функции, анализ волновой структуры ритма сердца, анализ активности регуляторных систем.

В третьей главе рассмотрены модели различных формул цветостимуляции, способы кодирования и предъявления информации, алгоритмы цветостимуляции. Сформулированы ..основные медико-технические требования к разработке биотехнической системы цветостимуляции и представлена ее структурная характеристика.

В четвертой главе детально представлена информация о верификации рассматриваемых алгоритмов цветостимуляции: оценка влияния монохромной цветостимуляции на некоторые параметры электроэнцефалограммы; сопоставление биоуправляемого режима цветостимуляции и режима не синхронизированного с биоритмами пациента. Представлена статистика в пользу биоуправляемых способов воздействия.

В главе Заключение суммированы полученные результаты.

Часть1. Обзор литературы 1. БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ХРОНОФИЗИОТЕРАПИИ

Экстремальные условия . внешней среды, большие информационные нагрузки, повышение ответственности в системах управления производством оказывают существенное влияние на психофизиологические процессы [6, 7, 17, 63].

Эти влияния могут вызвать эмоциональное напряжение [50], патологические сдвиги высшей нервной деятельности [64] и функционального состояния сердечно-сосудистой системы [22, 52]. В последние годы наряду с психофармакологическими средствами компенсации [5] распространен аутотренинг, биоуправление с аппаратной обратной связью [55, 7 89, 92]. Существуют два направления в реализации данного подхода. Один из них связан с проблемой произвольного управления вегетативными функциями при помощи различных вариантов инструментального обучения с использованием внешних обратных связей (biofeedback training). Другой базируется на принудительном или направленном навязывании определенного частотного спектра через оптический канал связи или посредством специальных электродов. Наибольшее количество ранних зарубежных публикаций посвящено первому подходу при произвольном управлении частотой сердечных сокращений. При этом одни исследователи сообщали о небольших (2-3 удара в 1 мин.),другие - о более существенных (до 20 ударов в 1 мин.) изменениях частоты сердцебиений, но на непродолжительный отрезок времени [93, 106, 84, 89, 85]. Первые аналитические результаты этих исследований появились в более поздних сообщениях [83, 99, 92].

Многие исследования содержали критические высказывания относительно возможности объективной оценки наблюдаемых отклонений частоты сердечных сокращений [107, 78, 99, 95]. Некоторые исследователи вообще

подвергали сомнению саму возможность произвольного биоуправления [21, 118]. Только устранения методических недочетов в проведении произвольного биоуправления позволило получить надежные результаты направленного повышения и понижения частоты сердечных сокращений [18, 61, 89, 95].

Результаты более поздних исследований российских авторов было показалы, что реализация данного подхода обеспечивает не только снижение v/ частоты сердечных сокращений, но и нормализацию артериального давления, а также подавление экстрасистолической активности сердца [24].

�