автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление процессом речевой реабилитации с использованием биологической обратной связи

На правахрукописи

КОРНИЛОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

Управление процессом речевой реабилитации с использованием биологической обратной связи

Специальность 05.13.01. Системный анализ, управление и обработка информации. (Отрасль: информация и информационные системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2005

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бондаренко Владимир Петрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Силич Виктор Алексеевич;

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Афонин Генадий Иванович.

Ведущая организация: Новосибирский государственный технический

университет (НГТУ).

Защита состоится «29» июня 2005 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д212.269.06 в Томском политехническом университете по адресу: г. Томск, ул. Советская, 84.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ТПУ.

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Сонькин М.А.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы диссертации. Рак гортани представляет собой сравнительно частое заболевание среди злокачественных опухолей. Хирургическое вмешательство по поводу рака гортани стали производить в конце XIX века. Устраняя новообразование, операция полного удаления гортани вместе с тем нарушает функцию дыхания (трахея разобщается с глоткой, а дыхание происходит через трахеостому) и лишает больного голоса при сохранении артикуляционного аппарата и нейрофизиологических механизмов речи. Кроме физического разрыва связи между легкими и речеобразующим трактом, так же нарушается множество рефлексов, связанных с устройством гортани, такими как кашель, сморкание и др.

Таким образом, больной, после полного удаления гортани представляет собой инвалида, неспособного к трудовой деятельности. В раннем послеоперационном периоде проводится речевая реабилитация, целью которой является возвращение речевой функции пациента. Существуют три основных способа, дающие возможность пациенту общаться при помощи звучной речи после операции полного удаления гортани: протезирование с установкой голосового протеза, использование голосообразующих аппаратов и формирование пищеводного голоса. Каждый из способов имеет свои преимущества и свои недостатки.

Самая невнятная и металлическая речь получается при использовании речеобразующих аппаратов, хотя возможность общаться при помощи речи обеспечивается сразу.

Использование голосового протеза — распространенная методика восстановления голосовой функции. При протезировании трахея соединяется с речеобразующим трактом специальным устройством — протезом, который при закрывании трахеостомы (дыхательного отверстия в горле) направляет модулированный воздушный поток в речеобразующий тракт. Обычно пациент на третьи сутки имеет возможность общаться при помощи звучной речи.

Недостатками такого способа являются высокая стоимость протеза, быстрая изнашиваемость (около 3 лет), слабая степень управления просодией при речевом общении, а так же невозможность скрыт изменения внешнего облика (трахеостому). Протез не может быть установлен ряду пациентов с медицинскими противопоказаниями.

Формирование пищеводного голоса — это самый физиологичный способ вернуть речевую функцию пациенту. Традиционная методика реабилитации описана Таптаповой С. Л. и используется повсеместно при речевой реабилитации. При данном способе реабилитации создает новый компенсаторный орган, берущий на себя речеобразующую функцию. Так как речеобразующий тракт разобщен с легкими, то в качестве источника давления используется объем пищевода, а первое физиологические сужение пищевода берет на себя функцию модулятора воздушного потока, подобно голосовым связкам. Речевая реабилитация при использовании данной методики занимает от 2 до 8 недель. Качество речи сразу после реабилитации уступает голосовым протезам, но сильно превосходит голосообразующие аппараты. В отличии от голосового протеза пищеводный голос улучшается с течением времени и может стать почти неотличимым от голоса в норме. Речевая функция сохраняется на всю жизнь.

Наряду с анатомическими отличиями при формировании пищеводной речи, врачам приходится иметь дело с неработающими рефлексами и психологическими проблемами. Особо важны психологические последствия операции, так как потеря речи и наличии трахеостомы является сильнейшими психотравмирующими факторами. Поэтому совершенствование методики речевой реабилитации является сегодня актуальной задачей.

К психотравмирующим факторам относятся: факт онкологического заболевания, хирургическое лечение с нарушением привычного облика, потеря речи, инвалидность.

К социальным факторам следует отнести потерю привычного способа общения и, как следствие, изменение привычного круга общения, выключение из привычных коллективов.

К экономическим факторам относятся расходы государства, как на сам процесс реабилитации, так и расходы, связанные с выплатами пособий и пенсий по инвалидности. Проблема усугубляется тем, что большинство больных (около 60%) являются мужчины в возрасте от 30 до 60 лет, то есть самая трудоспособная часть населения. Поэтому работа по усовершенствованию реабилитационных мероприятий получила государственный грант № 502-р в 2004 году. В экономическом обосновании при подаче заявки на грант приводились такие цифры: уменьшение сроков речевой реабилитации всего на две недели для каждого больного давало экономию в 500 тысяч рублей в год только для НИИ Онкологии СО РАМН в городе Томске.

Успешная реабилитация позволяет больному вернуться в привычную социальную среду, к нормальной трудовой деятельности, убрать или сильно уменьшить психотравмирующие послеоперационные факторы.

Исследования, проведенные в 2001 году д.т.н. проф. Бондаренко и к.т.н. Коцубиским В.П. при участии д.б.н. В.П.Балацкой Л.Н., д.м.н. Кицманюк З.Д., в области математического моделирования пищеводного голоса позволили выработать новые подходы к речевой реабилитации. По данным этих исследований речевая реабилитация дает возможность вернуть к прежнему социальному статусу 67,6% пациентов после ларингэктомии, 78,2% - после резекции гортани, 86,9% после органо-сохранных операций органов полости и ротового отдела глотки, 98% - с парезами и параличами гортани. На основании математического моделирования, проведенного Коцубинским В.П., стало ясно, какими параметрами мы можем управлять, и как это управление отразится на формируемом голосе.

Однако до сих пор осталась открытой проблема претворения в жизнь полученных теоретических результатов, выбора методики обучения, контроля

качества обучения, внедрения методики в онкологические учреждения. Сведение в единую систему данных, полученных к сегодняшнему времени, современных технологий обучения совместно с высокопроизводительной аппаратной частью позволит серьезно улучшить и облегчить процесс речевой реабилитации больных, и будет способствовать скорейшему возвращению пациентов к трудовой деятельности. Особое значение имеет выработка хорошего произношения гласных и звонких согласных звуков, так как более 6070% (по времени) речевого сигнала формируется с участием голоса. Гласные и звонкие звуки определяют естественность и узнаваемость речи, и поэтому очень важно, чтобы реабилитируемые больные овладели звучной речью в полном объеме. Это определяет актуальность диссертационной работы и задает направление дальнейших исследований в области речевой реабилитации онкологических больных.

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является организация управления процессом речевой реабилитации, с помощью автоматизированной системы обучения на основе биологической обратной связи и выработка методики обучения онкологических больных пищеводному голосу. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

• провести исследования по применению методов БОС к задаче выработки пищеводного голоса;

• Исследовать количественные параметры речевого сигнала, характеризующие отличие патологически измененного голоса от нормального, и создать инструментальную среду для исследования этих параметров;

• определить структуру технических и программных средств для организации автоматизированного управления процессом речевой реабилитации с использованием БОС;

• провести апробацию созданных средств; результаты внедрить в методику обучения онкологических больных на основе созданных средств.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются системный анализ, теория управления, методы теории восприятия и разборчивости речи, преобразование Фурье, теория цифровой фильтрации сигналов.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:

• Развитие БОС-методики для речевой реабилитации онкологических больных после операции полного удаления гортани;

• Методика оценки качества пищеводного голоса на основе предложенных количественных шкал;

• Методика и алгоритмы БОС-тренировок параметров пищеводного голоса. Тезисы, выносимые на защиту.

• методика обучения пищеводному голосу с использованием биоуправления на основе биологической обратной связи, позволяющая целенаправленно тренировать параметры пищеводного голоса;

• система количественных оценок качества пищеводного голоса, расширяющая существующую субъективную систему оценок и позволяющая совершенствовать методику реабилитации;

• автоматизированный комплекс, обеспечивающий БОС - тренировку пищеводного голоса на основе количественных оценок качества патологически измененной речи.

Практическая ценность работы.

• Разработанная система позволяет логопеду проводить БОС тренировки онкологических больных с целью создания качественного пищеводного голоса (псевдоголоса).

• база данных пациентов позволяет логопеду проводить оценку результатов реабилитации, проводить классификацию пациентов и вырабатывать оптимальные траектории тренировок;

• алгоритм автоматизированного выделения частоты основного, позволяющий измерять частоту основного тона в слитном речевом сигнале, нормальном и патологически измененном;

• алгоритм вычисления динамического спектра с помощью системы рекурсивных цифровых фильтров, позволяет в режиме реального времени с затратами, меньшими, чем требует быстрое преобразование Фурье, проводить спектральный анализ речевого сигнала в процессе речевой реабилитации.

Достоверность.

Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе обеспечивается:

• результатами численных экспериментов по оценке метрологических характеристик автоматизированного комплекса;

• качественным и количественным сопоставлением результатов БОС-тренировок с результатами традиционной методики восстановления звучной речи, использующейся в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.

Реализация результатов работы. Применение биоуправления с БОС в области восстановления звучной речи, вместе с созданием нового компенсаторного органа применяется впервые. Методика БОС-тренировки и автоматизированный комплекс используется в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН. По результатам работы оформлен патент № МПК7: А6Ш2/00. "Способ восстановления звучной речи у больных после полного удаления гортани." Теоретические результаты работы используются в учебном процессе факультета электронной техники кафедры промышленной электроники ТУ СУР для студентов специальности 210106 «Промышленная электроника». Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы. Апробация результатов проводилась на базе НИИ онкологии СО ТНЦ СО РАМН. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Электронные средства и системы управления» в 2004г (г. Томск), на международной конференции «Речь и компьютер» 8РЕС0М'2004 (г. Санкт-Петербург), на международной конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" в 2004г (г. Волгоград). Комплекс и методика речевой реабилитации онкологических больных демонстрировались на выставке

"Интеграция-2004", а так же получили диплом конкурса "Сибирские Афины" в 2005г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, из них 10 статей (в том числе 1 в центральной печати и 3 на английском языке) и одни тезисы доклада.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 139 страницу, 49 иллюстраций, 17 таблиц. Список литературы содержит 121 наименований.

Содержание работы.

Во введении приводится обоснование актуальности темы, формулируется цель работы, указывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, описывается основное содержание работы.

В первой главе описан процесс создания пищеводного голоса после операции полного удаления гортани. Анатомия речеобразующего тракта здорового человека и перенесшего операцию полного удаления гортани представленна на рисунке 1.

а) б)

Рисунок 1. Схема расположения органов голосообразовании до (а) и после (б) ларингэктомии (1 - небо, 2 - фаринкгс, 3 - пищевод, 4 — желудок, 5 - диафрагма, 6 - легкие, 7 - бронхи, 8 -трахея, 9 - гортань, 10 - язык, 11 - губы, 12 - трахеестома)

Описаны основные физиологические, акустические и механические параметры легких, бронхов, трахеи, гортани, голосовых складок.

В нормальной системе речеобразования звучная речь образуется за счет периодического смыкания и размыкания голосовых складок. Процесс колебания голосовых складок обычно называется механизмом фонации.

В диссертационной работе автор опирался на выводы, полученные в ходе математического моделирования Коцубинским В.П:

• Движение голосовых складок обусловлено разностью подскладочного и надскладочного давления;

• Подскладочное давление зависит от выходного импеданса системы легкие, бронхи, голосовая щель, трахея;

• Надскладочное давление зависит от входного импеданса речеобразующего такта и выходного импеданса голосовой щели;

• Звукообразование происходит в полной системе: легкие, бронхи, трахея, голосовая щель и речеобразующий тракт.

Анализируя данные выводы, становится понятно, что целью реабилитации должна стать тренировка пищеводного пузыря и первого физиологического сужения пищевода.

С точки зрения рефлексов, фонация представляет собой единый рефлекторный акт, в котором одновременно участвуют мышцы легких, гортани, артикуляторов. Нервные обратные связи замыкаются через так называемый речевой круг (Рисунок 2). Изменения, вносимые в

речеобразующую систему человека, операцией

полного удаления гортани носят, как чисто анатомический, так и рефлекторный характер.

Анатомические изменения:

• Удаляется основной модулирующий орган речеобразования — гортань.

• Физически разрывается связь между легкими и речеобразующем трактом.

• Трахея выводится на переднюю стенку горла, что позволяет больному дышать, но не обеспечивает поступление воздуха в речеобразующий тракт.

На основании перечисленных причин выделим основные следствия:

• Потерян рефлекс фонации (нет единого акта за счет отсутствия гортани и избыточно давления).

• Сохранен рефлекс артикуляции, который все же терпит ущерб за счет разрыва местных обратных связей в области гортани.

Задачей реабилитации является создание нового компенсаторного фонационного органа, при сохранности артикуляционного органа и нейрофизиологических механизмов. При выработке пищеводного голоса формируется новый условный рефлекс, основанный на нескольких принципиальных моментах. Во-первых, в пищеводе образуется воздушный пузырь, в котором создается избыточное давление, являющееся эквивалентом избыточного давления в легких при образовании нормальной речи. Объем воздушного пузыря составляет около 150-200 см3, то есть на один-два порядка меньше объема легких. Создание этого пузыря является первоочередной задачей первого этапа реабилитации. Во-вторых, образование на уровне V — VI шейных позвонков псевдоголосовой щели в I физиологическом сужении пищевода и выработке ее произвольного смыкания, что служит основой появления пищеводного голоса. Псевдоголосовая щель имеет существенные отличия от голосовых складок. Во-первых, пищевод обладает гораздо меньшим набором мышц, по сравнению с гортанью, что приводит к значительному уменьшению выразительности пищеводного голоса. Во-вторых, масса стенок пищевода больше массы голосовых складок, что приводит к существенному падению частоты основного тона (до 40Гц и ниже).

Далее в главе проанализирована существующая методика реабилитации больных, применяемая в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН. Составлена структурная схема реабилитационных мероприятий.

Рассмотрены основы функционирования систем биоуправления с использованием биологической обратной связи (БОС). В основе БОС метода

лежит идея о том, что если какой либо параметр функционирования организма сделать доступным для непосредственного наблюдения пациентом, то этим параметром можно научиться управлять. В контур обратной связи на первом этапе включается технические средства, которые и делают доступным наблюдению контролируемый параметр. Но параллельно происходит формирование внутреннего контура управления, который остается при удалении технического средства.

Для использования БОС метода в реабилитационном комплексе необходимо выявить параметры речи, наиболее сильно влияющие на качество псевдоголоса, оценить их количественно и предъявить данные параметры пациенту в удобной форме. Следует так же организовать механизм положительного подкрепления для наиболее быстрого образования новой внутренней системы управления.

При рассмотрении традиционной системы оценок реабилитационных мероприятий были сделаны выводы о том, что нельзя построить БОС тренировку на основе этой системы оценок, поэтому было предложено сформировать новую количественную систему оценок качества пищеводного голоса. Эта система оценок должна дать возможность управлять процессом создания пищеводного голоса, путем введения ее в биологическую обратную связь. Далее в главе поставлены задачи научных исследований.

Во второй главе выделены и проанализированы этапы БОС-тренировок, определены на каждом этапе, место и функции технических средств, а так же описано взаимодействие пациента, логопеда и автоматизированного комплекса. Разработан алгоритм работы автоматизированного комплекса в режиме тренировок, блок-схема которого представлена на рисунке 3.

Введены оценки, позволяющие количественно измерить качество пищеводного голоса. Определено, что качество пищеводного голоса связано с длительностью фонации, частотой основного тона и ее нестабильностью. По этим параметрам чаще всего отличается пищеводный голос от параметров речи. Предложены количественные оценки качества пищеводного голоса,

ориентированные на проведение БОС-тренировок в процессе речевой реабилитации больных. Сформированные оценки приведены в таблице 1.

Рисунок 3. Блок схема алгоритма БОС-тренировок.

В заключении, сформулированы требования к погрешностям измерения параметров пищеводного голоса, а именно, требования к погрешности определения амплитуды, времени фонации и частоты основного тона

Таблица 1. Оценки параметров качества пищеводного голоса (Т —длительность фонации, Б0 —частота основного тона, Б — среднеквадратичное отклонение

Б0).

Длительность фонации, % Частота основного тона, %. Нестабильность частоты основного тона, %.

п — (ЮОУ^сзи ТПОООмс 1Л — \r-ioo £-Л_.1(ХВ4¿ели Т<\0(ХШс 900 Л<Жесгт_Р0>9а, 60 - ^ А00%,если _0<5% 40

В третьей главе рассмотрено решение задачи измерения параметров пищеводного голоса, а именно факта наличия голоса, длительности фонации и частоты основного тона. Для этого была реализована возможность калибровки измерительной подсистемы в зависимости от акустических параметров среды, в которой работает комплекс. Произведен выбор технических средств по измерению амплитуд сигналов с заданной погрешностью. Предложена методика измерения частоты основного тона при помощи гребенки рекурсивных фильтров, особенностью которых является то, что они формируют логарифмическую шкалу частот. Это позволяет обеспечить постоянную относительную погрешность в частотном диапазоне анализа и наиболее адекватно отражает особенности слухового восприятия.

Для измерения частоты основного тона используется следующая методика:

• входной сигнал с частотой выборки 44100Гц подается на НЧ фильтр

• после прохождения НЧ фильтра производится уменьшение частоты выборки до 882Гц (децимация в 50 раз);

• децимированный сигнал подается на вход гребенки фильтров с резонансными частотами, распределенными по логарифмическому закону.

• сигналы с каждого канала выпрямляются;

• проводится аппроксимация огибающей полиномами первого порядка. Первой точкой аппроксимации является найденный максимум за период, а второй точка, отстоящая от первой на один период, вычисленный для

каждого канала. Огибающая сигналов с каналов является мерой интенсивности сигнала в канале; • Частота основного тона определяется по номеру канала, на выходе которого сигнал имеет максимальную интенсивность.

Подробно рассмотрен процесс создание рекурсивных фильтров. Создано несколько наборов цифровых фильтров, различающихся по частотной избирательности и времени реакции. Для более гибкой частотной перестройки системы описана методика формирования нерекурсивного фильтра для децимации входной последовательности.

Проведена оценка погрешностей измерения амплитуды сигнала, длительности фонации и частоты основного тона. Получены оценки времени реакции системы измерения при помощи серии численных экспериментов. Данные по погрешностям измерения частоты основного тона приведены в таблице 2.

На основе произведенных численных экспериментов показано, что система измерения параметров пищеводного голоса обеспечивает требуемые метрологические характеристики, достаточные для проведения БОС-тренировок.

Таблица 2. Погрешности при измерении частоты основного тона.

Характер изменения частоты основного тона (среднее относительное отклонение от среднего значения F0 50%). Среднеквадратичная погрешность измерения частоты основного тона, % Задержка измерения, мс

Максимальная Минимальная Максимальная Минимальная

линейнонарастающий 0.979 0.959 44 14

линейноспадающий 2.165 1.116 40 23

переодический 1.804 1.655 33 22

В четвертой главе описана реализация комплекса. Дана общая структура комплекса (рисунок 4), описаны интерфейсы пациента и логопеда. Типичные тренировочные экраны, представлены на рисунке 5.

Проведена проверка производительности и сформированы требования к аппаратным ресурсам, необходимым для корректной работы реабилитационного комплекса.

Рисунок 4. Схемы реабилитационного комплекса, а) структурная схема, б) схема взаимодействия модулей программы.

Рисунок 5. Типовые тренировочные экраны. Описано применение разработанного комплекса речевой реабилитации в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.

Описана методика речевой реабилитации на основе БОС-тренировок на основании патента, а так же дана дополнительная информация, не вошедшая в патент.

Проведена предварительная проверка работоспособности методики на здоровых людях. Было показано, что данная методика обеспечивает обучение становлению заданных параметров голоса.

Описано внедрение разработанного комплекса в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН. Описаны результаты внедрения комплекса в клиническую практику. Приведена предварительная статистика по речевой реабилитации онкологических больных после полного удаления гортани, подтверждающая эффективность данной методики. На сегодняшний день речевую реабилитацию прошли 10 человек. У всех больных сформирован рефлекс фонации, средний рост количества появлений пищеводного голоса за тренировку составил 11.5%. На рисунке 6 приведен график роста длительности фонации для шести больных.

Рисунок 6. Зависимость длительности фонации от количества БОС-тренировок.

Средний рост частоты основного тона составил 3.5 Гц за тренировку. Численная выходная оценка была сформирована для 2-х больных. В таблице 3 приведены результаты применения данной системы оценок.

В процессе клинической апробации были сделаны выводы о применимости методики биоуправления с использованием биологической обратной связи при восстановлении звучной речи. Проведено сравнение сроков реабилитации с использованием комплекса с средним сроком реабилитационных мероприятий. Для пациентов, которые прошли все тренировки, сокращение сроков реабилитации составило одну неделю.

Таблица 3. Комплексная оценка пищеводного голоса.

Пациент Оценка ЧОТ Оценка девиации ЧОТ Оценка длительности фонации

Бор 92% 87% 22%

Ник 100% 100% 100%

Основные результаты работы:

• Разработана методика нахождения частоты основного тона, основанная на обработке входного сигнала при помощи системы резонансных рекурсивных фильтров, позволяющая измерять частоту основного тона как нормальной, так и патологически измененной речи.

• Разработана система количественных оценок качества пищеводного голоса, расширяющая существующую субъективную систему оценок и позволяющая совершенствовать методику реабилитации.

• Создана база данных, хранящая информацию о проведенных БОС-тренировках и контрольные звукозаписи голосов пациентов, что позволяет логопеду проводить оценку результатов голосовой реабилитации и вырабатывать оптимальные траектории тренировок.

• Разработана методика обучения пищеводному голосу с использованием биоуправления на основе биологической обратной связи, позволяет логопеду целенаправленно тренировать параметры пищеводного голоса.

• Реализован автоматизированный комплекс, обеспечивающий БОС -тренировку пищеводного голоса на основе количественных оценок качества патологически измененной речи.

Публикации по теме диссертации.

!• Балацкая Л.Н., Чойнзонов Е.Л., Красавина Е.А., Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Корнилов А.Ю. Применение БОС в комплексе реабилитации больных после полного удаления гортани.// Сибирский онкологический журнал. — 2004. — №4 (12), с 17-20.

2- Изотов Д.А., Корнилов А.Ю. Проблемы создания подсистемы вывода данных для системы моделирования электронных схем. //Региональная научно-техническая конференция студентов и молодых специалистов «Радиотехнические устройства, информационные технологии и системы упарвления». Программа. ТУСУР, Томк, 2001 г.Стр 6.

3. Корнилов А.Ю., Терешков A.M., Красавина Е.А. Построение биологической обратной связи в процессе реабилитации больных после полного удаления гортани.

// Информационные технологии в образовании, технике и медицине: Материалы международной конференции. В 3-х т. Т.З./ ВолгГТУ,-Волгоград, 2004. - С.209-212.

4- Корнилов А.Ю. Моделирование цифровых нерекурсивных фильтров. // Интеллектуальные системы в управлении, конструировании и образовании. Выпуск 2. Под редакцией А.А. Шелупанова — Томск: SST, 2002. — 232 с. стр 32-36.

5« Корнилов А.Ю. Метод обработки речевого сигнала для задачи распознания слитной речи. // Интеллектуальные системы в управлении, конструировании и образовании. Выпуск 2. Под редакцией А.А. Шелупанова — Томск: SST, 2003. — 232 с. стр 32-36.

6' Корнилов А.Ю. Программа для тренировки пищеводной речи, сформированной у онкологических больных после полного удаления гортани. Стр 24-26.// Электронные средства и системы управления. Материалы международной научно-практической конференции. Часть 2. Издательство института оптики атмосферы СО РАН, 2004. В трех частях. 4.2. — 252 с.

7- Красавина Е.А., Корнилов А.Ю., Терешков A.M. Повышение эффективности и сокращение сроков реабилитации больных после полного удаления гортани // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: Материалы международной конференции. В 3-х т. Т.З./ ВолгГТУ.- Волгоград, 2004. - С.207-209.

8. Терешков А.М., Корнилов А.Ю, Красавина Е.А. Модель условно-рефлекторных механизмов в методике восстановления звучной речи после полного удаления гортани, основанная на принципе биологической обратной связи (БОС) // Интеллектуальные системы в управлении, конструировании и образовании. - Томск, Издательство института оптики атмосферы СО РАН, 2005 —55-62с.

9- Alexander U. Kornilov. The investigation of gullet speech spectrum by means of the recursive filters system. Page 138-140. Proceedings of the Ninth International Conference "Speech and Computer", SPECOM'2004. Saint-

Petersburg, 2004. Printed in Saint-Petersburg, 2004 by Publishing house "Anatolya".

Корнилов А.Ю. Исследование спектра пищеводного голоса с помощью системы рекурсивных фильтров. // Материалы работы конференции "Речь и компьютер", SPECOM2004, Санкт-Петербург 2004, Стр 138-140.

10. Alexander U. Kornilov. The simple algorithm of building nonrecursive digital filter for decimation purpose. Page 210-211. . Proceedings of the Ninth International Conference "Speech and Computer", SPECOM'2004. Saint-Petersburg, 2004. Printed in Saint-Petersburg, 2004 by Publishing house "Anatolya".

Корнилов А.Ю. Простой алгоритм построения нерекурсивного цифрового фильтра для децимации входной последовательности // Материалы работы конференции "Речь и компьютер", SPECOM2004, Санкт-Петербург 2004, Стр 210-211.

11. Alexander U. Kornilov. The biofeedback program for speech rehabilitation of oncological patients after full larynx removal surgical treatment. Page 560562. Proceedings of the Ninth International Conference "Speech and Computer", SPECOM'2004. Saint-Petersburg, 2004. Printed in Saint-Petersburg, 2004 by Publishing house "Anatolya".

Корнилов А.Ю. Программа с использованием биологической обратной связи для речевой реабилитации онкологических больных перенесших операцию полного удаления гортани.// Материалы работы конференции "Речь и компьютер", SPECOM2004, Санкт-Петербург 2004, Стр 560-562.

/' hfc

Тираж 100. Заказ № 590. Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40,

Введение

Глава 1. Реабилитация онкологических больных после операции полного удаления гортани

1.1 Речеобразующая система человека

1.1.1 Анатомия органов речеобразования

1.1.2 Теории фонации

1.1.3 Рефлекс фонации

1.2 Рак гортани и его лечение хирургическим путем

1.3 Проведение реабилитационных мероприятий

1.4 Классическая методика реабилитации

1.5 Оценка качества речевой реабилитации

1.6 Применение метода биоуправления с использованием биологической обратной связи в процессе речевой реабилитации

1.7 Формирование требований к реабилитационному комплексу

1.8 Постановка задачи исследования

1.9 Выводы по главе

Глава 2. Структура и алгоритмы системы речевой реабилитации больных после операции полного удаления гортани

2.1 Этапы БОС-тренировок

2.2 Связь объективных и субъективных оценок качества пищеводного голоса

2.3 Требования к измерению параметров пищеводного голоса

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Измерение параметров пищеводного голоса

3.1 Требования к структуре измерительной подсистемы автоматизированного комплекса

3.2 Особенности анализа спектра пищеводного голоса

3.3 Построение рекурсивных фильтров

3.4 Децимация входной последовательности

3.5 Измерение частоты основного тона

3.6 Оценка погрешностей измерения частоты основного тона.

3.6 Выводы по главе

Глава 4. Реализация реабилитационного комплекса

4.1 Структура реабилитационного комплекса

4.2 Подсистема формирования положительного подкрепления

4.3 Подсистема анализа речи реабилитационного комплекса

4.4 База данных реабилитационного комплекса

4.5 Тестирование комплекса, проверка производительности

4.6 Методика речевой реабилитации на основе БОС-тренировки

4.7 Проверка результативности БОС-метода на голосах здоровых людей

4.8 Внедрение реабилитационного комплекса в НИИ онкологии СО РАМН

4.8 Результаты речевой реабилитации с использованием реабилитационного комплекса

4.9 Применение количественной оценки параметров пищеводного голоса

4.10 Выводы по главе 122 Заключение 123 Литература 125 Приложение 1.

Применение современных технологий и электронной техники в медицине в настоящее время, скорее правило, чем исключение. Введение во врачебную практику электронных устройств повышает точность анализов, позволяет врачу получить своевременную обратную связь при различных ф методах лечения, в том числе и хирургических операциях[57]. Технические средства расширяют как качество взаимодействия врача и пациента, так и повышают производительность врача, работающего с определенной группой однотипных заболеваний. Хотя массовое применение техники и не стало первой стадией серьезного повышения производительности медиков (первое относится, по видимому, к вводу узкой специализацией врачей и создании современной поликлиники), но позволило поднять врачебный «конвейер» на уровень недостижимый никогда ранее.

Список медицинской электроники на сегодня кажется почти бесконечным и полностью доступен, наверное, только специалистам по медицинской электронике. Он начинается с простых устройств измерения давления и пульса, продолжается устройствами для определения силы зрения и для искусственного поддерживания сердца и легких в рабочем состоянии и заканчивается такими «монстрами» вычислительной техники, как 01 электронные томографы. Как правило, современные медицинские устройства являются цифровыми, что позволяет изменять топологию вычислительного комплекса без смены «железа» — датчиков и систем отображения информации (СОИ), так как «железо» совершенствуется не один десяток лет.

Наиболее гибким ядром медицинской системы, по-видимому, следует признать ЭВМ общего назначения (или персональный компьютер) с электронными платами сопряжения с измерительной аппаратурой и устройствами отображения информации. Вообще, кроме ЭВМ общего назначения, как правило, есть возможность перепрограммировать и специализированные ЭВМ, но это сопряжено с трудностями изучения десятков специализированных ЭВМ, которыми обладает современный врач.

В шестидесятые годы XX века начал развиваться особый метод лечения различных заболеваний, имеющий существенные отличия от классической схемы «пациент»-«измерительный прибор»-«врач»-«лечебная процедура»-«пациент». В данном методе фактически отсутствует элемент «врач» и частично отсутствует элемент «лечебная процедура». Это метод биоуправления с использованием биологической обратной связи (БОС)[21].

Биоуправление с использованием биологической обратной связи одна из самых молодых и бурно развивающихся научных дисциплин. Первые представления об обратной связи (ОС), как о базисном механизме функционирования биологических организмов, зародились в конце 19 века. Работы Ухтомского А.А., Бернштейна Н.А., Анохина П.К. об афферентной регуляции, опубликованные в 20-30 годах XX века, продемонстрировали наличие ОС («сенсорная коррекция», «обратная афферентация») в любом проявлении жизнедеятельности сложного биообъекта[2].

Общую известность понятие обратной связи приобрело в 1948 году, после выхода книги Н. Винера «Кибернетика» [27]. Самое общее определение: ОС — это информация, которая в работающей системе связывает выход с входом, обеспечивая тем самым контроль и необходимую коррекцию входного сигнала.

Идея обучения человека управлением своим состоянием принадлежит Запорожцеву А.В.[57], который на основании убедительных данных показал, что прежде чем стать управляемой, функция должна стать ощущаемой (по своим прямым или косвенным признакам).

В конце 70-х годов было высказано предположение, что функции автономной нервной системы так же, как и центральной нервной системы, и их внешние выражения могут быть модифицированы условным подкреплением при наличии внешней обратной связи. Schwartz В. (1979) и позднее Leisman (1989) [57] рассматривали процесс с точки зрения кибернетики и пришли к выводу, что величина и характер изменчивости поведения — результат синтеза новых внешних (искусственных) и внутренних обратных связей.

Биологическая обратная связь — это метод прямого обучения центральной и/или вегетативной нервной систем с целью нормализации их деятельности [20,35]. БОС метод реализует обратные связи, которые замыкаются непосредственно на человека. В этом случае человек в буквальном смысле получает возможность видеть и слышать такие свои физиологические процессы как, электрическая активность мышц, 0 электрическая активность мозга, температура и электропроводность кожи, частота сердечных сокращений, величина кровотока в различных органах и др. Благодаря БОС появляется возможность имплицитного или условно-рефлекторного обучения (то есть обучения без участия сознания), в результате чего можно целенаправленно изменить в благоприятную сторону функционирование регуляторных систем организма[21,57, 86, 87, 88].

Преимущества БОС метода требуют особого внимания. Во-первых, этот метод неспецифичен в отношении диагноза, то есть позволяет работать не с * отдельными заболеваниями, а с основными типами дисфункций регуляторных систем организма — нервной (центральной, периферической, вегетативной), иммунной и гуморальной. Следствием этого является то, что практически любое неинфекционное и нехирургическое расстройство может быть скорректировано БОС-методом. Более того, в последнее время проводятся эксперименты, в которых организм можно настроить на т активную борьбу с инфекцией, либо на скорейшую ликвидацию результатов хирургического вмешательства. Наиболее показательным следует считать эксперимент, при котором человек видел на экране электрическую активность мозга и учился ей управлять. После чего даже не выспавшийся человек мог моделировать активность мозга только вставшего, выспавшегося человека. При удачной подстройке, человек действительно чувствовал себя, как будто спал целую ночь. При таком взгляде в новом свете предстают Ь восточные философии, в которых декларируется торжество духа над телом.

Если человек когда-нибудь сможет научиться существенно влиять на некоторые процессы в своем организме с помощью БОС-методов, то несущественными покажутся даже умения йогов останавливать работу сердца (опыты по замедлению работы сердца описаны в [121, 88]).

Наряду с впечатляющими достижениями, которые рождаются на стыке биологии и техники особенно ярко выглядят наши больницы, в большинстве которых работа ведется «по старинке» при существенном недостатке эффективных медицинских препаратов. Бедное оснащение отечественной медицины электроникой в целом широко известно. Дело в том, что существенное отставание от индустриально-развитых стран в области Ш электроники приводит к необходимости покупать дорогую технику за границей. Отечественные аналоги разрабатываются, но стоят достаточно дорого, так как выполняются с применением импортной элементной базы. Ситуация существенно меняется, когда у нас в стране реализуются свои же разработки. В этом случае зарубежных аналогов нет и мы сами становимся экспортерами медицинской технологии. Особенно это относится к системам, имеющим в своей основе персональный компьютер, что позволяет внедрять разработки, практически не вкладывая материальных средств, а продавать ^ только интеллектуальную собственность.

Особой статьей в медицине всегда стоит онкология. Онкологические проблемы за XX век стали приоритетными в медицине[30,36], и эти приоритеты закреплены в разнообразных медицинских правительственных программах[83]. Учитывая то, что заболеть онкологическим заболеванием может каждый независимо от возраста и условий жизни, приобретает особую важность задача вылечить этих людей. Хоть онкологическое лечения является одним из самых дорогих медицинских процессов, государство и медики идут на эти расходы, пытаясь спасти каждого больного. Иногда, единственным способом лечения является хирургическое вмешательство. После успешной операции больной зачастую становится инвалидом. В этом случае требуются реабилитационные мероприятия, которые вернут человека к нормальной жизни. Особое место среди последствий операций отводится £ потеря речи при операциях на гортани.

Актуальность темы диссертации.

Рак гортани представляет собой сравнительно частое заболевание среди злокачественных опухолей [83]. Хирургические вмешательства по поводу рака гортани стали производиться в конце XIX века. В 1873 г. Т. Бильрот произвел первое тотальное удаление гортани (ларингэтомия). Впервые резекция гортани произведена в Садне в 1863 г. П.Я. Мультановский (через несколько месяцев после Т. Бильрота), а 7 мая 1875 г. Н.В. Скпифосовский произвел резекцию гортани.

Устраняя новообразование, операция полного удаления гортани вместе с тем нарушает функцию дыхания (трахея разобщается с глоткой, а дыхание происходит через трахеостому) и лишает больного голоса при сохранении артикуляционного аппарата и нейрофизиологических механизмов речи. Таким образом, больной, после полного удаления гортани представляет собой инвалида, неспособного к трудовой деятельности. Вопрос о возможности восстановления голоса у лиц перенесших ларингэтомию обсуждался в конце XIX века J. Реге11о[97]. А.Ф. Иванов в 1910 году отмечал, что завершающим этапом после полного удаления гортани является «проведение специального обучения в раннем послеоперационном периоде», ^ так как «речь ларингэтомированных может быть доведена до высокой степени совершенства и близко приближаться к нормальной»[71]. В настоящее время процесс речевой реабилитации является обязательным этапом лечения онкологических больных.

Следует отметить, что создание пищеводного голоса является не единственным способом восстановления речи. Кроме создания пищеводного # голоса используют голосовые протезы и голосообразующие аппараты[50,83].

При применении протезов трахею и глотку соединяют искусственным приспособлением — протезом, который направляет поток воздуха из легких в речеобразующий тракт через трахеопищеводный шунт и модулирует этот поток, имитируя работу голосовых складок. Во время фонации при помощи протеза пациенты вынуждены закрывать трахеостому платком или марлей, что неизбежно ведет к обнаружению хирургического вмешательства Ф посторонними лицами. Другими недостатками этого способа являются медицинские противопоказания для установки шунта, высокая стоимость, быстрая (около 3-х лет) изнашиваемость протеза, а так же слабая степень управления частотой основного тона.

Использование разнообразных голособразующих аппаратов основано на двух основных способах. Первый состоит в том, чтобы вдувать поток воздуха в полость рта, который с помощью специального приспособления и посредством артикуляции преобразуется в звучную речь. Во время разговора трубку аппарата постоянно держат во рту. Второй способ — создание вибрации в воздушном столбе глотки, которые по нормальному механизму речеобразования преобразуются в звучную речь[83]. Недостатками голосообразующих аппаратов является монотонный, лишенный интонаций голос с металлическим оттенком.

Хирургические операции на гортани включают в себя полное удаление или частичную резекцию. При полном удалении гортани трахею выводят на переднюю стенку горла, а пищевод отсоединяют от трахеи. В результате больной теряет естественный механизм речеобразования, что приводит к полной потере речи, и, как следствие, инвалидности. Кроме физического * разрыва связи между легкими и речеобразующим трактом, так же нарушается множество рефлексов, связанных с устройством гортани, такими как кашель, сморкание и др.

Наряду с анатомическими отличиями при формировании пищеводной речи, врачам приходится иметь дело с неработающими рефлексами и психологическими проблемами. Особо важны психологические последствия >Щ операции, так как потеря речи и наличии трахеостомы является сильнейшими психотравмирующими факторами. Поэтому совершенствование методики речевой реабилитации является сегодня актуальной задачей.

Актуальность совершенствования методики реабилитации объясняется психотравмирующими, социальными и экономическими факторами, с которыми сталкивается больной [30].

К психотравмирующим факторам относятся: факт онкологического £ заболевания, хирургическое лечение с нарушением привычного облика трахеостома), дыхание через трахеостому, потеря речи, инвалидность.

К социальным факторам следует отнести потерю привычного способа общения и, как следствие, изменение привычного круга общения, выключение из привычных коллективов.

Немаловажную роль в проблеме играет и экономическая сторона. Ведь без речевой реабилитации человек становится инвалидом и лишается возможности нормальной трудовой деятельности. Это тяжело сказывается на материальном положении семьи и родственников. Проблема усугубляется тем, что большинство больных (около 60%) являются мужчины в возрасте от 30 до 60 лет, то есть самая трудоспособная часть населения. На государство, & а значит и на население ложится налоговое бремя выплаты пенсии по инвалидности. Поэтому возможностью реабилитации больных интересуются и государственные чиновники. Работа по усовершенствованию реабилитационных мероприятий получила государственный грант в 2004 году. Государственные чиновники высоко оценили усилия, направленные на повышение качества жизни онкологических больных, при помощи речевой реабилитации. В экономическом обосновании при подаче заявки на грант приводились такие цифры: уменьшение сроков речевой реабилитации всего на две недели для каждого больного давало экономию в 500 тысяч рублей в год только для НИИ Онкологии СО РАМН в городе Томске.

Успешная реабилитация позволяет больному вернуться в привычную социальную среду, к нормальной трудовой деятельности, убрать или сильно уменьшить психотравмирующие послеоперационные факторы [30].

Исследования, проведенные в 2001 году д.т.н. проф. Бондаренко и к.т.н. Щ Коцубинским В.П. [5,9,10,11,14,15] при участии д.б.н. В.П.Балацкой JI.H., д.м.н. Кицманюк З.Д., в области математического моделирования пищеводного голоса позволили выработать новые подходы к речевой реабилитации. По данным этих исследований речевая реабилитация дает возможность вернуть к прежнему социальному статусу 67,6% пациентов после ларингэктомии, 78,2% - после резекции гортани, 86,9% после органо-сохранных операций органов полости и ротового отдела глотки, 98% - с <р парезами и параличами гортани. На основании математического моделирования, проведенного Коцубинским В.П., стало ясно, какими параметрами мы можем управлять, и как это управление отразится на формируемом голосе.

Однако до сих пор осталась открытой проблема претворения в жизнь полученных теоретических результатов, выбора методики обучения, контроля качества обучения, внедрения методики в онкологические учреждения. Сведение в единую систему данных, полученных к сегодняшнему времени, современных технологий обучения совместно с высокопроизводительной аппаратной частью позволит серьезно улучшить и # облегчить процесс речевой реабилитации больных, и будет способствовать скорейшему возвращению пациентов к трудовой деятельности. Особое значение имеет выработка хорошего произношения гласных и звонких согласных звуков, так как более 60-70% (по времени) речевого сигнала формируется с участием голоса. Гласные и звонкие звуки определяют естественность и узнаваемость речи [23], и поэтому очень важно, чтобы реабилитируемые больные овладели звучной речью в полном объеме. Это определяет актуальность диссертационной работы и задает направление * дальнейших исследований в области речевой реабилитации онкологических больных.

Еще одна проблема, нуждающаяся в рассмотрении — это отсутствие объективных критериев оценки хода голосовой реабилитации и полученного результата. Существуют экспертные субъективные методы оценки, однако на основании них не удается построить автоматизированную оценку систему Щ реабилитации. Поэтому важно выработать наряду с субъективной оценкой и некоторую объективную, основанную на параметрах речевого сигнала. Вместе с тем от субъективной оценки отказываться рано, так как она включает оценку голоса экспертом-логопедом и отражает восприятие сформированного голоса в социальной среде. Соответствующая объективная оценка включала бы в себя огромное количество физических, акустических и психоакустических параметров. В связи со сложностью проблемы, которая 4 описана в [46,47,69,74,75,77] и до сих пор не решена, данная проблема не рассматривается в полном объеме в данной работе. Стоит задача лишь разработать объективную систему оценок, с помощью которой можно управлять параметрами пищеводного голоса, наиболее сильно влияющих на субъективную оценку (частота основного тона ее нестабильность в течении звонкой фонемы и др.).

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является организация управления процессом речевой реабилитации, с помощью автоматизированной системы обучения на основе биологической обратной связи и выработка методики обучения онкологических больных пищеводному голосу. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

• провести исследования по применению методов БОС к задаче выработки пищеводного голоса;

• Исследовать количественные параметры речевого сигнала, характеризующие отличие патологически измененного голоса от нормального, и создать инструментальную среду для исследования этих параметров;

• определить структуру технических и программных средств для организации автоматизированного управления процессом речевой реабилитации с использованием БОС;

• провести апробацию созданных средств; результаты внедрить в методику обучения онкологических больных на основе созданных средств.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются системный анализ, теория управления, методы теории восприятия и разборчивости речи, преобразование Фурье, теория цифровой фильтрации сигналов.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:

• Развитие БОС-методики для речевой реабилитации онкологических больных после операции полного удаления гортани;

• Методика оценки качества пищеводного голоса на основе предложенных количественных шкал;

• Методика и алгоритмы БОС-тренировок параметров пищеводного голоса.

Тезисы, выносимые на защиту.

• методика обучения пищеводному голосу с использованием биоуправления на основе биологической обратной связи, позволяющая целенаправленно тренировать параметры пищеводного голоса;

• система количественных оценок качества пищеводного голоса, расширяющая существующую субъективную систему оценок и позволяющая совершенствовать методику реабилитации;

• автоматизированный комплекс, обеспечивающий БОС - тренировку пищеводного голоса на основе количественных оценок качества патологически измененной речи.

Практическая ценность работы.

• Разработанная система позволяет логопеду проводить БОС тренировки онкологических больных с целью создания качественного пищеводного голоса (псевдоголоса).

• база данных пациентов позволяет логопеду проводить оценку результатов реабилитации, проводить классификацию пациентов и вырабатывать оптимальные траектории тренировок;

• алгоритм автоматизированного выделения частоты основного, позволяющий измерять частоту основного тона в слитном речевом сигнале, нормальном и патологически измененном;

• алгоритм вычисления динамического спектра с помощью системы рекурсивных цифровых фильтров, позволяет в режиме реального времени с затратами, меньшими, чем требует быстрое преобразование Фурье, проводить спектральный анализ речевого сигнала в процессе речевой реабилитации.

Достоверность.

Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается:

• результатами численных экспериментов по оценке метрологических характеристик автоматизированного комплекса;

• качественным и количественным сопоставлением результатов БОС-тренировок с результатами традиционной методики восстановления звучной речи, использующейся в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.

Реализация результатов работы. Применение биоуправления с БОС в области восстановления звучной речи, вместе с созданием нового компенсаторного органа применяется впервые. Методика БОС-тренировки и автоматизированный комплекс используется в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН. По результатам работы оформлен патент № МПК7: A61N2/00. "Способ восстановления звучной речи у больных после полного удаления гортани." Теоретические результаты работы используются в учебном процессе факультета электронной техники кафедры промышленной электроники ТУ СУР для студентов специальности 210106 «Промышленная электроника». Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами внедрения.

Личный вклад автора.

Лично автором разработана методика количественной оценки качества пищеводного голоса, а так же автоматизированный комплекс речевой реабилитации. Программа автоматизированного синтеза цифровых рекурсивных фильтров без нулей была создана студентом ТУСУР Прокудиным В.Н. в рамках дипломного проекта под руководством автора. Методика реабилитации с использованием автоматизированного комплекса была создана в ходе сотрудничества автора под руководством д.т.н. профессора Бондаренко В.П. и сотрудников НИИ онкологии в частности Красавиной Е.А. под руководством д.б.н. Балацкой JI.H.

Апробация результатов работы. Апробация результатов проводилась на базе НИИ онкологии СО ТНЦ СО РАМН. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Электронные средства и системы управления» в 2004г (г. Томск), на международной конференции «Речь и компьютер» SPECOM'2004 (г. Санкт-Петербург), на международной конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" в 2004г (г. Волгоград). Комплекс и методика речевой реабилитации онкологических больных демонстрировались на выставке "Интеграция-2004", а так же получили диплом конкурса "Сибирские Афины" в 2005г.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 11 работ, из них 10 статей (в том числе 1 в центральной печати и 3 на английском языке) и одни тезисы доклада.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 138 страницу, 49 иллюстраций, 17 таблиц. Список литературы содержит 121 наименование.

4.10 Выводы по главе

В данной главе описана реализация комплекса на языке высокого уровня Borland Delphi 6.0. Дана общая структура комплекса, описаны интерфейсы пациента и логопеда. Проведена проверка производительности.

Описано применение разработанного комплекса речевой реабилитации в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.

Описана методика речевой реабилитации на основе БОС-тренировок на основании патента, а так же дана дополнительная информация, не вошедшая в патент.

Даны статистические данные проверки методики контроля над частотой основного тона на здоровых людях, как предварительная проверка работоспособности метода.

Описано внедрение разработанного комплекса в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.

Описаны результаты внедрения комплекса в клиническую практику. Приведена статистика по речевой реабилитации онкологических больных после полного удаления гортани, подтверждающая эффективность данной методики. Сделаны выводы о применимости методики биоуправления с использованием биологической обратной связи при восстановлении звучной речи.

Проведено сравнение сроков реабилитации с использованием комплекса с средним сроком реабилитационных мероприятий. Для пациентов, которые прошли все тренировки, сокращение сроков реабилитации составило одну неделю.

Заключение

В диссертационной работе был усовершенствован процесс речевой реабилитации онкологических больных, после полного удаления гортани. При введении автоматизированного комплекса речевой реабилитации стало возможным получать количественные оценки качества пищеводного голоса. На основании этих оценок была разработана методика управления параметрами качества пищеводного голоса в ходе специальных БОС-тренировок, а так же появилась возможность выстраивать индивидуальные траектории обучения, исходя из текущих успехов пациента.

Для достижения поставленной цели были проведены исследования по применимости методов БОС к задаче выработки пищеводного голоса. Исследования показали, что данные методы могут с успехом применяться при речевой реабилитации онкологических больных.

Так как для построения БОС-тренировок нужны тренируемые параметры, то были исследованы количественные параметры речевого сигнала, характеризующие отличия патологически измененного голоса от нормального. При исследованиях использовались методы теории восприятия и разборчивости речи, преобразование Фурье, теория цифровой обработки сигналов.

Были разработаны специальные инструментальные средства для исследования этих параметров. В результате исследований были предложены следующие количественные параметры качества пищеводного голоса: длительность фонации, частота основного тона и ее нестабильность. Показано, что данная система оценок существенно расширяет существующую трехбалльную систему оценок

По длительности фонации и частоте основного тона были разработаны алгоритмы БОС-тренировки, что позволило целенаправленно тренировать данные параметры, а следовательно улучшать качество пищеводного голоса в заданной системе оценок.

База данных пациентов, которая ведется в реабилитационном комплексе, представляет большую научную и практическую ценность. Так как в базе хранятся результаты тренировок, то существует реальная возможность дальнейшего совершенствования методики обучения. Контрольные звукозаписи на различных этапах тренировок позволяют проводить сравнительный анализ большого количества голосов, что позволяет проводить научные исследования пищеводного голоса. Необходимо отметить, что на сегодняшний день были обнаружены несколько разных типов пищеводных голосов, не описанных в классических трудах.

На сегодняшний день, реабилитационный комплекс, построенный на основе БОС-тренировк, успешно прошел апробацию в НИИ онкологии СО ТНЦ РАМН и внедряется в клиническую практику, методика реабилитации оформляется в виде патента.

Особо необходимо отметить практическую ценность разработанной методики вычисления динамического спектра при помощи системы рекурсивных фильтров, а так же методики выделения частоты основного тона по данному спектру. Данные методики позволяют в режиме реального времени проводить анализ частоты основного тона как пищеводного, так и нормального голоса с высокой точностью (с относительной погрешностью порядка 1-5%).

В заключение, хочу выразить благодарность моему научному руководителю д.т.н., профессору Бондаренко В.П., директору НИИ онкологии д.м.н., профессору Чойнзонову Е.Ц., зав. Кафедрой КИБЭВС Шелупанову А.А., руководителю отделения речевой реабилитации д.б.н. Балацкой JI.H., зам. Зав. Кафедрой КСУП ТУСУР к.т.н. Коцубинскому В.П., логопеду отделения опухоли головы и шеи НИИ онкологии Красавиной Е.А.

1. Андреев О. А., Хромов J1. Н. Техника быстрого чтения. - М.: Прометей, 1990. - 175 с,ил.

2. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. — М.: Медицина, 1974. 446 с.

3. Балацкая JI.H., Чойнзонов E.JL, Красавина Е.А., Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Корнилов А.Ю. Применение БОС в комплексе реабилитации больных после полного удаления гортани.// Сибирский онкологический журнал. — 2004. — №4 (12), с 17-20.

4. Бермант А.Ф., Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа для втузов М., 1967 г., 736 стр. с ил.

5. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Маркивский И.О. Модель синтеза речевых сигналов // Автоматизация проектирования, идентификация и управление в сложных системах. Сб.статей/ Под ред. В.П.Тарасенко. Томск: Изд-во HTJI, 1997. с. 88-102.

6. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П. Синтез речи по печатному тексту // 3-ая международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-3-97)» Тезисы догладов, Красноярск, 1997- 232 с, с156-157

7. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Маркивский И.О. Модель синтеза речевых сигналов // Автоматизация проектирования, идентификация и управление в сложных системах. Сб.статей/ Под ред. В.П.Тарасенко. Томск: Изд-во HTJI, 1997. с. 88-102.

8. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Маркивский И.О. Исследование структуры речевых сигналов гласных звуков // Методы и алгоритмы автоматизации технологически процессов. Сб.статей/ Под ред.

9. В.П.Тарасенко. Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1995.-252с. с.72-81.

10. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Маркивский И.О. Оценка параметров системы фильтров модели анализа речевых сигналов / Методы и алгоритмы автоматизации технологических процессов. -Томск.: Изд-во Том. Ун-та, 1995. с.120-131.

11. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Мещеряков Р.В. Влияние легких на колебания голосовых связок при генерации вокализованных звуков // Сборник трудов XI сессии российского акустического общества. Москва.: ГЕОС 2001. Том 3. 214с. 56-59с.

12. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Мещеряков Р.В Управление просодией при синтезе речи // Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии: Материалы межвузовской научно-технической конференции: Вологда: ВоГТУ, 2000. -210с. с211-213

13. Бондаренко В.П., Коцубинский В.П., Мещеряков Р.В. Нелинейные механизмы в образовании звучной речи // Труды Нижегородской акустической научной сессии. / Под. ред. С.Н. Гурбатов. Нижний Новгород: Часть 3. - TAJIAM, 2002, 409с., с 200-204.

14. Бондарко Л. В. Звуковой строй современного русского языка. Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по специальности «Рус. яз. и литература». М, «Просвещение», 1977.

15. Бондарко Л.В., Вербицкая Л.А., Гордина М.В. Основы общей фонетики. С-П.: Издательство С-П университета, 1991.

16. Бреслав И.С. Произвольная регуляция дыхания.- Л.: Наука, 1975.

17. Будников В. И. ЗАО «Биосвязь» — мировой лидер технологии биологической обратной связи. // Биологическая обратная связь. — 2001г,№1,стр 22-26.

18. Бурлакова М. К. Коррекционно-педагогическая работа при афазии: Кн. для логопедов. — М.: Просвещение, 1991.— 190 с.

19. Быков Ю.С. Теория разборчивости в линиях связи. — М.: Оборониздат, 1954, с. 196.

20. Вартанова Т.С., Сметанник А.А. Очерк истории развития биологической обратной связи как метода медицинской реабилитации.// Биологическая обратная связь. — 2001г, №1, стр 2-8.

21. Вацуро Э.Г. Условные рефлексы на специфические раздражители. — Л.: Медицина, 1967. 204 с.

22. Венда В. Ф. Инженерная психология и синтез систем отображения информации. М., «Машиностроение», 1975.

23. Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. 2-е издание. - М.: Наука; Главная редакция изданий для зарубежных стран, 1983.-344 с.

24. Виницкий А. С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМсигналов. М., изд-во «Советское радио», 1969, 548 стр.

25. Гелъфонд А.О. Исчисление конечных разностей. М., 1967 г., 376 стр.

26. Герасименко В. Н., Артюшенко Ю. В., Амирасланов А. Т. и др.; Под ред. В. Н. Герасименко. Реабилитация онкологических больных. . — М.: Медицина, 1988, 272 с — ил.

27. Гилой В. Интерактивная машинная графика: Структуры данных, алгоритмы, языки. Пер. с англ. —М.: Мир, 1981. — 384 с, ил.

28. Гольденберг JI. М. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник/ JI. М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин, М. Н. Поляк.— М.: Радио и связь, 1985. — 312 с, ил.

29. Динамические спектры речевых сигналов. / Под ред. Дергач М.Ф. — Львов: Высшая школа, 1983, с. 294.

30. Зверев В. А., Стромков А. А. Выделение сигналов из помех численными методами. Ниж Новгород: ИПФ РАН, 2001. 188 с.

31. Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервныхболезней 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина. - 1991. -640 с, ил.

32. Зимкин Н.В. Физиология человека. — М.: Физкультура и спорт, 1975.

33. Золотухин ИЛ. и др.Цифровые звуковые магнитофоны/И.П.Золотухин, А.А.Изюмов, М.М.Райзман. Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. 160. с: ил,- (Массовая0/ радиобиблиотека. Вып. 1153).

34. Корнилов А.Ю., Терешков A.M., Красавина Е.А. Построениебиологической обратной связи в процессереабилитации больных после полного удаления гортани. // Информационные технологии в образовании, технике и медицине:

35. Материалы международной конференции. В 3-х т. Т.З./ ВолгГТУ.-Волгоград, 2004. С.209-212.

36. Корнилов А.Ю. Моделирование цифровых нерекурсивных фильтров. // Интеллектуальные системы в управлении, конструировании и образовании. Выпуск 2. Под редакцией А.А. Шелупанова — Томск: SST, 2002. — 232 с. стр 32-36.

37. Корнилов А.Ю. Метод обработки речевого сигнала для задачи распознания слитной речи. // Интеллектуальные системы в управлении, конструировании и образовании. Выпуск 2. Под редакцией А.А. Шелупанова — Томск: SST, 2003. — 232 с. стр 32-36.

38. I/Коцубинский В.П. Модели образования звучной речи.1. Диссертационная работа.

39. Курячий М.И. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие. -Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002.- 175 с.

40. Ли У. Методы автоматического распознавания речи: В 2-х книгах. Пер. с англ./Под ред.—М.: Мир, 1983. —Кн. 1. 328 с, ил.

41. Ли У. Методы автоматического распознавания речи: В 2-х книгах. Пер. с англ./Под ред.— М.: Мир, 1983. — Кн. 2. 392 с, ил.

42. Митринович-Моджеевска А. Патология речи, голоса и слуха. -Варшава, 1965.

43. Митряев Е. В. Элементы теории дискретной передачи непрерывных сигналов. Ленинградская военная инженерная краснознаменная академия имени А. Ф. Можайского. Ленинград—1967.

44. Ольшанский В.О., Новожилов Е.Н., Дворниченко В.В. Голосовые протезы как способ реабилитации голосовой функции после ларингекгомии // ОТОРИНОЛАРИНГОЛОГИЯ 2003.

45. Остапенко А. Г., Сушков А. Б., Бутенко В. В. и др.; Рекурсивные фильтры на микропроцессорах. Под ред. А. Г. Остапенко. — М.: Радио и связь, 1988.— 128 с: ил. — (Массовая б-ка инженера Электроника»).

46. Основы автоматического управления. Под редакцией В.С.Пугачева. М.:Наука, 1967, 680с.

47. Основы логопедии. / Филичева Т.Б., Чевелева. Н.А., Чиркина Г.В.

48. М.: Просвещение, 1989. 223 с., ил.

49. Павлов С.П. Теория систем и системный анализ: Учебное пособие. -Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003.- 134 с.

50. Павлов И.П. Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей щ нервной деятельности (поведения) животных. Условные рефлексы. —

51. М.: Госиздат, 1973. 369 с.

52. Р. Паллю де Ла Барьер. «Курс теории автоматического управления». Пер. с франц. под ред. П. И. Кузнецова. М., «Машиностроение», 1973,396 с.

53. Пеккер Л.С, БразовскийКС. Компьютерные технологии в медико — биологических исследованиях. Сигналы биологическогопроисхождения и медицинские изображения. Учебное пособие.

54. Томск: Изд. ТПУ, 2002. 240 с.

55. Перегудов Ф. И., Тарасенко В. П., Ехлаков Ю. П. и др.; Информационные системы для руководителей/ Под ред. Ф. И.59.60,6162,63