автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Биотехническая система управляемого обучения с активным использованием пространственно-временных характеристик электроэнцефалограмм оператора

. , А ./"' у *

/

V ъ КиГ / /

✓ * «V-

/

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический

Университет (ЛЭТИ)

На правах рукописи

Сердюков Николай Николаевич

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЯЕМОГО ОБУЧЕНИЯ С АКТИВНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММ ОПЕРАТОРА

Специальность: 05.13.09 - управление в биологических и медицинских

системах (включая применение вычислительной техники)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Попечителев Е.П.

Научный консультант: доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ИЭФБ РАН Цицерошин М.Н.

Санкт-Петербург -1999

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................2

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГО ОБУЧЕНИЯ................5

1.1 Проблемы анализа и синтеза БТС, пригодных для управляемого

обучения........................................................................................................................5

1.2 Оценка различных параметров ЭЭГ в качестве факторов управления функциональным состоянием мозга в БТИВС УО..............................................20

1.3 Параметры ЭЭГ, используемые при анализе результатов клинико-физиологических исследований как сигналы информационной обратной связи.............................................................................................................................32

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЭГ-СИГНАЛОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ МОЗГА..............................................................45

2.1 Пространственно-временные отношения волн ЭЭГ как показатель, адекватно характеризующий динамику организации системной деятельности мозга...................................................................................................45

2.2 Методика анализа многоканальной ЭЭГ и отображения её статистической структуры в трёхмерном факторном пространстве...............50

2.3 Особенности интерактивного режима выполнения вычислительных процедур при анализе ЭЭГ-сигналов.....................:..:............................................59

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УПРАВЛЯЕМОГО ОБУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БТИВС УО..................................................................................66

3.1 разработка методики управляемого обучения с использованием интегральных показателей системной деятельности мозга............................66

3.2 Адаптация разработанной БТИВС к возможностям человека-оператора при использовании различных управляющих параметров...............................78

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА БИОТЕХНИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГО ОБУЧЕНИЯ...........................86

4.1 Синтез биотехнических систем с помощью метода поэтапного моделирования..........................................................................................................86

4.2 разработка информационной модели БТИВС УО..........................................91

4.3 Разработка программного обеспечения БТИВС УО......................................96

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА БТИВС УПРАВЛЯЕМОГО ОБУЧЕНИЯ.....................................................................................99

5.1 Распознавание состояний мозга оператора БТИВС УО при

сенсомоторной деятельности.................................................................................99

5.2 результаты использования БТИВС УО для тренировки человека-оператора слежению за движущейся мишенью................................................104

5.3 результаты использования БТИВС уо для коррекции заикания..............105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обучение профессиональным навыкам является одним из основных атрибутов в подготовке человека-оператора. Возрастание интенсивности информационных потоков предъявляет более высокие требования к операторам и соответственно к уровню их подготовки.

Для повышения интенсивности обучения учитываются личностные особенности операторов и разрабатываются специальные технические средства, в том числе и специальные тренажеры для обучения управлению сложными системами. Однако, принципиально новые возможности обучения открываются при так называемом "управляемом обучении", при котором биотехническая система (БТС) по ответам обучаемого оценивает уровень его знаний и навыков, а затем, в соответствии с ними, корректирует объем предъявляемой информации, период ее обновления и форму предъявления.

Идеи управляемого обучения были впервые сформулированы основателями отечественной биокибернетики академиками А.И. Бергом и А.А. Ляпуновым. В этих работах оценка уровня знаний производилась на основании результатов выполнения тестов, специально создаваемых для этих целей. Содержание тестов не всегда могло соответствовать содержанию конкретной работы оператора, и поэтому методы обучения имели ограниченную область применения. Кроме того, на практике встречаются задачи, когда подобный подход к обучению принципиально непригоден. К таким задачам, в частности, относится обучение правильному произношению, коррекция заикания и др. В этих случаях повышение эффективности обучения можно было бы ожидать за счёт использования в процессе управляемого обучения параметров, характеризующих системную деятельность мозга обучающегося.

В известных работах вопросы системной деятельности мозга человека-оператора для задач управляемого обучения не рассматривались. В то же время информация о текущем функциональном состоянии мозга обучаемого может

позволить выйти на качественно новый уровень обучения, расширить спектр задач этого класса.

Теоретическими и прикладными вопросами изучения деятельности мозга человека-оператора в процессе управляемого обучения занимались такие нейрофизиологи как П.В. Бундзен, Н.В. Черниговская, С.И. Сороко. К сожалению, в этих работах не исследовалась системная деятельность мозга, поэтому полученные результаты не дают оснований для построения соответствующей БТС.

Исследования, выполненные в электрофизиологической лаборатории Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН (Шеповальников А.Н., Цицерошин М.Н.), показали, что системную деятельность мозга адекватно отражают пространственно-временные отношения электроэнцефалограмм человека.

Однако непосредственное применение этих результатов также затруднено ввиду отсутствия необходимых оценок параметров и пакетов прикладных программ по обработке ЭЭГ, а также способов формирования управляющих воздействий на основании анализа этих параметров. Решение этих задач позволило бы создать необходимые технические средства, потребность в которых очень велика.

Таким образом, исследование метода управляемого обучения, использующего для оценки состояния мозга обучаемого пространственно-временные отношения ЭЭГ и разработка соответствующей биотехнической измерительно-вычислительной системы представляется актуальной задачей.

Цель работы. Целью работы является разработка метода управляемого обучения и биотехнической измерительно-вычислительной системы управляемого обучения (БТИВС УО), основанных на активном использовании данных о пространственно-временных структурах биопотенциального поля мозга.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1 .Проанализировать состояние проблемы управляемого обучения.

2.Разработать принципы построения метода управляемого обучения и структуры соответствующей биотехнической измерительно-вычислительной системы.

3.Разработать методы и средства, направленные на повышение точности оценки функционального состояния мозга на основе анализа пространственно-фазовых отношений биопотенциального поля.

4.Разработать математическую и информационную модели измерительных и управляющих каналов БТИВС.

5.Разработать методику проведения биотехнических исследований в режиме управляемого обучения.

6.Провести экспериментальную и клиническую апробацию предложенных ' методик.

Глава 1. Современные проблемы управляемого обучения.

1.1 Проблемы анализа и синтеза БТС, пригодных для управляемого обучения.

Существуют системы управляемого обучения, в которых на основе ответов обучаемого на контрольные вопросы и тесты принимается решение либо о предъявлении новой порции учебной информации, либо осуществляется возврат к уже предъявленной ранее информации. Сфера применения таких систем ограничена задачами со строго формализуемыми ответами.

Эффективность обучения может быть повышена на основе информации о текущем функциональном состоянии мозга. Известно, что способность мозга к восприятию информации изменяется квазипериодически во времени. Динамика системной деятельности мозга проявляется во множестве ритмов, при этом для целей управляемого обучения представляют интерес ритмы с периодами от 1 сек до 24 часов.

Для оценки функционального состояния мозга широко используются данные электроэнцефалографических исследований, поэтому проведён анализ известных методов обработки ЭЭГ, позволяющих получить оценки функционального состояния мозга.

Рассмотрены характеристики первичных и вторичных параметров ЭЭГ, используемых при анализе результатов клинико-физиологических исследований в качестве сигналов информационной биологической обратной связи. Полная характеристика ЭЭГ как случайного процесса может быть получена при помощи многомерных распределений. Однако в большинстве случае описание ЭЭГ одномерными и двумерными функциями распределения оказывается достаточным для большинства задач. При этом информативными оказываются распределения амплитуд и временных интервалов ЭЭГ.

Функция когерентности позволяет оценивать взаимную корреляцию двух процессов на каждой из частот их спектров мощности. Ее физический смысл заключается в оценке меры стабильности фазовых соотношений колебаний двух процессов в определенной частотной полосе разложения. Информацию об этих соотношениях содержит также и фазовый спектр, определяющий величину среднего (за время усред-

нения) фазового сдвига по каждой частоте. При интерпретации электроэнцефалографических данных необходимо учитывать, что они представляют собой дискретные пространственные отсчёты биопотенциального поля мозга.

Сравнение различных характеристик ЭЭГ с позиции их информативности при оценке функционального состояния мозга показало, что медленные изменения параметров биоритмики мозга, отражающие автостабилизацию текущего функционального состояния мозга представляют собой процесс, фазы которого связаны с определёнными электротоническими установками нервных центров и кольцевых регуляторных систем. В то же время в исследованиях, выполненных в электрофизиологической лаборатории Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН (Шеповальников А.Н., Цицерошин М.Н., Погосян A.A. 1992-1997), доказано, что именно пространственно-временные отношения электроэнцефалограмм человека адекватно отражают системную деятельность мозга.

Отмечено, что эффективным методом изучения интегративных функций мозга является "управляемый нейрофизиологический эксперимент" типа "экстремального" управляемого эксперимента, введённого в электрофизиологию академиком М.Н. Ливановым.

На основании рассмотренного сформулированы цель и задачи исследования, сводимые к выявлению в пространственно-временных отношениях волн ЭЭГ таких характеристик, которые могли быть использованы в качестве сигналов информационной обратной связи в методе управляемого обучения и построению биотехнической измерительно-вычислительной системы реализующей этот метод.

Полуавтоматическая система управления, включающая в себя звено - человек-оператор, представляет собой замкнутый контур, содержащий органы управления, объект и средства контроля (обратная связь через зрительный, слуховой или тактильный анализаторы человека. Деятельность оператора, стремящегося к установлению оптимального режима функционирования всей системы, в значительной степени определяется физическими параметрами объекта и передаточными функциями цепей управления и контроля. Включение человека-оператора в качестве динамического звена больших систем ставит перед специалистами ряд сложных задач. Главными из них являются согласование возможностей человека и машины и создание полуавтоматических систем, дозволяющих наиболее полно использовать все психофизиологические способности человека.

Основной режим работы оператора сложных систем - это тот или иной вид управления. Можно выделить три периода в теории автоматического управления в зависимости от способов получения и использования информации: периоды детерминизма, стохастичности и адаптивности (Меницкий, 1972). В первом периоде рассматриваются только такие задачи, когда имеются все необходимые сведения об объекте и возмущающих воздействиях, а также о цели регулирования и существующих ограничениях. Однако эта априорная информация, полученная в результате предварительного теоретического или экспериментального исследования, сама по себе не является абсолютной, исчерпывающей для решения задач, которые в реальном мире могут затем изменяться. Кроме того, наличие помех, неконтролируемые изменения параметров и другие причины приводят к тому, что априорная информация в конце концов становится недостоверной.

Таким образом, оптимальное управление может быть достигнуто лишь статистически на основе теории стохастических (вероятностных) процессов - второй период. При этом детерминированные процессы можно рассматривать как частный случай стохастических, когда вероятности событий вырождены, т.е. равны нулю или единице.

Однако в сложных случаях могут возникнуть ситуации, когда эти характеристики меняются с течением времени или они заранее совсем неизвестны. Тогда наиболее эффективным оказывается адаптивный подход (третий период) с использованием принципов самоорганизации, обучения или адаптации управляющей системы к изменениям объекта непосредственно в процессе управления на основе текущей информации (Цыпкин, 1968). Формирование процессов, определяющих поведение биотехнической системы, составляет задачу управления. Если в аспекте генетико-прогностического описания развитие системы предполагает изменение ее морфологии, расширение функций, изменение информационного описания, то при управлении остаются неизменными информационное и морфологическое описания (Ахутин с со-авт., 1981).

Управление, осуществляемое со стороны другой системы или среды, называется внешним, а управление внутри системы со стороны одной из подсистем - внутренним. Различают управляющую и управляемую подсистемы (системы). Часто их функции воздействия друг на друга весьма сложно переплетаются, особенно в биологических и биотехнических сйстемах. Характерной особенностью управляемой сис-

темы является способность изменять поведение, местоположение, переходить в новое состояние под влиянием различных управляющих воздействий. При этом всегда подразумевается некоторое множество возможных новых состояний, положений, форм поведения, из которых осуществляется выбор. Таким образом управление связано с целенаправленным выбором ответов системы из некоторого множества.

Свойством управляемости обладают не любые системы. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальной возможности управляемости является ее организованность, т. е. наличие определенной структуры и целесообразного состава и наличие связей между элементами.

Управление связано с переработкой информации. Для осуществления управления необходима связь между управляющей и управляемой системами или подсистемами. Такая связь может быть вещественной, энергетической и информационной, при этом для сложных, высокоорганизованных систем характерны информационные связи. От управляемой подсистемы осведомительная информация о режимах ее работы, состоянии и т. д. направляется к управляющим подсистемам, которые могут также получать информацию из окружающей среды. При необходимости управляющие подсистемы корректируют режим управляемых систем путем передачи управляющей информации. Последняя поступает на управляемую систему через эфферентные связи и эффекторную подсистему (эффекторные элементы), а осведомительная - через афферентные связи и рецепторную подсистему (рецепторные элементы). В сложных системах процесс переработки информации является многоступенчатым, включающим, например, сбор информации, кодирование, отбор и классификацию, передачу, декодирование, отображение, хранение и т.д.

Управление предопределено целевой функцией системы. Зависимость управляющего действия от состояния системы и среды называется законом управления. Его можно выразить в математической, логической и лингвистической формах, способ его формирования зависит от типа и свойств системы. Законы управления могут быть чрезвычайно разнообразны, их сложно