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

Таким образом, задачей технического решения является создание биоуправляемого устройства, обеспечивающего устранение указанных симптомов и оказывающего лечебное воздействие, направленное на трансформацию нейродинамической активности мозга пациента с последующей модификацией его функционального состояния.

Разработка устройства основана на структуре модели управления анаболизмом клетки. Рассматриваемая модель состоит из элементов биохимической, гемодинамической, моторной и нейрогуморальной составляющих.

Биохимическая составляющая включает процесс элонгации или присоединения аминокислот при синтезе белка на рибосомах с частотой 7-13 Гц. Периодика первой составляющей совпадает со спектром частот микроциркуляции и тремора мышц в диапазоне 7-13 Гц. Нейрогуморальная составляющая зависит от работы центра терморегуляции и обеспечивает ритмические перераспределения кровотока и тонуса мышц с частотой около 0,003 Гц (период около 5 минут). Питательные вещества, необходимые для синтеза белка, приносятся вместе с кровью, периодичность выброса которой составляет в среднем 1 Гц. Дополнительно к этому объем кровотока модулируется дыхательным циклом со средней частотой 0,20 Гц.

Структура портативного устройства (рис. 8) для генерации сигналов, подобных ЭЭГ, содержит блок 1 преобразователей напряжения, преобразователь пульса 2 и последовательно c ним соединенный усилитель 3. Параллельно цепи датчика пульса 2 включены преобразователь дыхания 4 и последовательно с ним соединенный усилитель 5.

Устройство содержит также аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 6 и микроконтроллер 7, блок функциональных клавиш 8, дисплей 9, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 10, преобразователь полярности сигналов 11 и фильтр низких частот 12 с электродами 13.

Биоуправляемое устройство для генерации ЭЭГ-подобных сигналов содержит в микроконтроллере 7 программу, которая обеспечивает различные виды модуляции сигналов и возможность управления глубиной модуляции.

На рис. 9 сверху-вниз показаны:

1) несущий амплитудно-частотный модулированный сигнал 7-13-7 Гц;

2) модуляция несущего сигнала частотой пульса;

3) модуляция несущего сигнала частотой дыхания;

4) модуляция несущего сигнала частотой пульса и частотой дыхания.

Программа реализует цикличность функционирования с временным интервалом цикла в 360 ударов пульса. Продолжительность воздействия - 300 ударов пульса и пауза - 60 ударов пульса. Количество повторов циклов задается в зависимости от длительности процедуры: 1-6 повторов (5-30 биологических минут). При этом подсчет заданного количества ударов пульса осуществляется в переменной, которая предварительно обнуляется. Подобная длительность цикла функционирования обусловлена периодичностью синтеза информационной РНК, необходимой для обеспечения элонгации аминокислот на рибосомах. А также запрограммированные цифровые аналоги сигналов, подобных ЭЭГ, в виде альфа- и бета-веретен с частотой 7-13 Гц и 14-26 Гц.

На рис. 10 рассмотрены форма и соотношения сигналов несущей частоты 7-13-7 Гц при использовании процедуры угловой модуляции.

На первом графике рис. 10 (сверху-вниз): рассмотрен ампли-тудно-частотный модулированный сигнал в форме веретена с паритетными отношениями всех трех сигналов. Ромбовидное веретено имеет вертикально вытянутую форму.

Ромбовидность сигнала выра-жена в момент прихода систолической и дикротической волны аналогового сигнала сфигмограммы.

На втором графике представлен более выраженный по амплитуде двойной ромбовидный (вертикальный веретеновидный) сигнал за счет амплитуды систолической и диастолической волны аналогового сигнала пульса. В суммарном сигнале модуляции преобладает пульсовая составлющая. На третьем графике зарегистрирован вытянутый в длину веретеновидный сигнал, равный периоду дыхательной волны. В суммарном сигнале модуляции преобладает сигнал дыхания.

Рассмотрим взаимоотношения основных ритмов ЭЭГ в левом и правом полушарии мозга (лобные доли) после воздействия при помощи программно биоуправляемого генератора ЭЭГ - подобных сигналов с частотой 14-26 Гц.

На рис. 11 предста-влена динамика соотношений альфа-, бета- и тета-ритмов после воздействия при помощи биоуправляемого устройства генерации сигналов, подобных ЭЭГ, в правом полушарии мозга в ходе клинического исследо-вания.

В периоде после воздействия в правом полу-шарии достоверно возросли доли бета-ритма и снизились доли тета-ритма. Распределения ритмов в обоих полушариях после воздействия достоверно не отличаются.

Подобная динамика подтверждает адекватность разработанных моделей, поскольку в результате получаем прогнозируемую трансформацию нейродинамической активности мозга.

В седьмой главе представлены исследования по разработке портативного биоуправляемого игрового тренажера. Структурная схема портативного микропроцессорного устройства представлена на рис. 12.

Биоуправляемый игровой тренажер содержит датчик пульса 1, последовательно с ним соединенный усилитель 2 и фильтр низких частот для датчика пульса 1. Параллельно им включены датчик дыхания 3 и последовательно с ним соединенный усилитель и фильтр низких частот 4 для датчика дыхания 3. Биоуправляемый игровой тренажер содержит также цифровой сигнальный контроллер 5, управляющий микроконтроллер 6, внешнюю FLASH память данных 7, жидкокристаллический дисплей 8 и внешний USB приемо-передатчик 9, управляющие клавиши 10.

В процессе тренинга на портативном мониторе человеку предъявляют виртуальные автомобили, одним из которых управляет пациент.

В игре используют две стратегии операторской деятельности: 1) первая стратегия реализует игровую ситуацию на достижение успеха; 2) вторая стратегия направлена на избегание неудачи.

Для каждой стратегии в алгоритмы управления игрой включены субсенорные световые модели, реализуемые с частотой альфа-ритма для первой стратегии (зеленый свет) и бета-ритма для второй стратегии (красный свет) (табл. 4).

Таблица 4. Показатели успешности и эффективности игрового тренинга применительно к стратегии на избегание неудачи

Данная стратегия связана с минимизацией затрат, сбереганием энергетических ресурсов и связана со снижением частоты пульса и повышением амплитуды альфа-ритма. Второй вид операторской деятельности требует использования психофизиологических ресурсов активации, направленных на прирост частоты сердечных сокращений, снижение амплитуды альфа-ритма и рост амплитуды бета-ритма.

В восьмой главе приведены результаты клинической оценки эффективности электроэнцефалографического альфа-тренинга у больных с аддиктивными синдромами. В течение тридцатиминутной сессии пациентам, находившимся в сидячем положении с закрытыми глазами, предлагалось достигать учащения звукового сигнала обратной связи. Звуковой сигнал возникал при превышении в течение 0,5 секунды альфа-активности порогового уровня в пять микровольт. Нами рассмотрены в динамике амплитудные характеристики альфа-ритма, полученные по средним показателям за период конкретного сеанса первой, десятой и двадцатой сессии тренинга.

При повторном изучении автономной нервной системы в конце курса лечения, если показатели макроструктурного информационного анализа соответствуют гармоническому, квазигармоническому, квазистохастическому или стохастическому режимам управления ритмом сердца, а функциональное состояние пациента претерпело положительную модификацию, то такие результаты тренинга нами признавались успешными.

При диагностике детерминированного и квазидетерминированного режимов управления ритмом сердца и отсутствии динамики функционального состояния пациента такие результаты альфа-тренинга нами рассматривались как не эффективные.

Результаты курсового альфа-тренинга рассматривают эффективными, если при повторных исследованиях нейродинамической активности мозга получены гармонические, квазигармонические, квазистохастические или стохастические режимы управления при наличии модификации функционального состояния пациента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана иерархическая система классификации режимов управления нейродинамической активностью мозга и ритмом сердца, основанная на информационном анализе и включающая шесть режимов управления: детерминированный, квазидетерминированный, гармонический, квазигармонический, квазистохастический и стохастический. Определенный режим управления ритмом сердца и нейродинамической активностью мозга соответствует конкретному функциональному состоянию пациента.

2. Разработан комплекс моделей цветостимулирующего воздействия, которые соответствуют паттерну ЭЭГ и включают цветовую составляющую и временную композицию в виде длительности импульса и длительности паузы с определенным количеством тиков, отличающиеся оптимизацией воздействия посредством управления скважностью световых сигналов, подобных веретеновидному сигналу ЭЭГ.

3. Разработаны детерминированные модели и алгоритмы биоуправления глубиной модуляции паттернов электрических сигналов плавающей частоты 7-13 Гц и 14-26 Гц, подобных альфа- и бета-ритмам электроэнцефалограммы человека, отличающиеся способом реализации посредством изменения соотношения амплитуд пульса и дыхания.

4. Разработана структура интегрированной информационной системы, предназначенной для трансформации нейродинамической активности мозга и последующей модификации функционального состояния человека, отличающаяся набором необходимых модулей, которые включают возможность реализации технологий биоуправления в виде альфа- и бета-тренинга, биоуправляемой электростимуляции мозга ЭЭГ-подобными сигналами, биоуправляемой директивной цветостимуляции и игрового биоуправляемого тренинга.

5. Разработана структура биоуправляемого модуля директивной цветостимуляции в рамках интегрированной информационной системы модификации функционального состояния человека, отличающаяся реабилитационной направленностью реализации. При 10 дневном курсе лечения коррекция вегетативной регуляции у больных возбудимым типом невроза отмечается в 90 % случаев, а у больных тормозным типом невроза только в 58 % случаев.

6. Разработана структура биоуправляемых аппаратных и микропроцессорных систем генерации ЭЭГ-подобных сигналов, предназначенных для процедуры электростимуляции мозга, отличающихся направленностью на коррекцию нарушений кровообращения, усиление активности метаболических процессов мозга, трансформацию нейродинамической активности мозга и модификацию функционального состояния пациентов.

7. Созданы модели и реализованы алгоритмы управления игровым тренингом при помощи мультипараметрических сигналов, включающих вычисление соотношений динамики частоты пульса и дыхания (Т=Число RR / 1 дых. цикл) для реализации игровых стратегий биоуправляемого игрового тренинга, отличающиеся наличием сигналов субсенсорного светового воздействия.

8. Разработана структура портативной биотехнической системы для игрового тренинга, а также модели и алгоритмы оценки успешности и эффективности игрового тренинга применительно к реализации стратегии на успех и на избегание неудачи. Реализация игровых стратегий обеспечивает коррекцию стрессиндуцированных состояний человека. При соотношении пульса и дыхания Т < 4,0 сеанс игрового тренинга с реализацией на успех считается успешным. Сеанс игрового тренинга с реализацией стратегии на избегание неудачи считается успешным в том случае, если соотношение пульса и дыхания находится в диапазоне 10 Т> 5,0.

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

Показано, что при эффективном курсовом альфа-тренинге результаты повторного спектрального анализа ЭЭГ свидетельствуют о более высоких уровнях пластичности нейродинамической активности мозга. Результаты курсового альфа-тренинга можно считать эффективными, если при повторных результатах исследования нейродинамической активности мозга получены гармонические, квазигармонические, квазистохастические или стохастические режимы управления при наличии модификации функционального состояния пациента.

Завершение лечебного цикла сеансов альфа-тренинга на фоне патологических черт ЭЭГ указывает на отсутствие успешности лечения.

Детерминированный и квазидетерминированный режимы управления нейродинамической активностью мозга на фоне исходного функционального состояния пациента указывают на неэффективные результаты альфа-тренинга.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Книги

1. Пятакович Ф.А. Реабилитационные аспекты биоуправляемой директивной цветостимуляции: монография / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен. - М.: Академия естествознания, 2007. - 150 с.

2. Pyatakovich, F.A. Photostimulation biocontrolee: monographie/ F.A. Pyatakovich, Y.Hashana K.F. Makkonen// Academie Russe des sciences medicales, Comission ”Chronobiologie et Chronomedicine”. Univercite d`Etat de Belgorod. Univercite d`Etat de la Manoube. Institut superieur d`education physique Kssarr Said. Press Univercitaire de Tunis. ISSEP Science -Tunis, 2008.- 104 p.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

3. Анкудинова О.В. Эффективность нейробиоуправления у больных с синдромом артериальной гипертензии / О.В. Анкудинова, К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Аллергология и иммунология. - 2008. - Т.9. №1.- С. 38.

4. Макконен К.Ф. Модели световых веретен и алгоритмы биоуправления в паттерне дельта-тета-альфа-волн, сцепленных с низкочастотными альфа- ритмами ЭЭГ в дыхательном цикле / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Аллергология и иммунология. - 2007. Т.8. № 3. - С.318.

5. Макконен К.Ф. Модели и алгоритмы биоуправления в информационной системе игрового автомобильного тренинга / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Системный анализ и управление в биомедицинских системах: журнал практической и теоретической биологии и медицины. - М., 2008. -Т.7. № 1. - С. 177-181.

6. Макконен К.Ф. Разработка структуры модуля директивной цветостимуляции, реализующего реабилитационный вектор воздействия / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Системный анализ и управление в биомедицинских системах: журнал практической и теоретической биологии и медицины. - М., 2008. -Т.7. № 2. - С. 335-338.

7. Макконен К.Ф. Техническая реализация биоуправляемого микропроцессорного модуля электростимуляции мозга, обеспечивающего состояние релаксации или активации пациента / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Аллергология и иммунология. - 2008.- Т.9. №1. - С. 145.

8. Макконен К.Ф. Результаты успешности и эффективности альфа- тренинга у больных алкогольным аддиктивным синдромом / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Аллергология и иммунология. - 2008.- Т.9. №1. - С. 113.

9. Пятакович Ф.А. Модули мониторинга электроэнцефалограммы и электростимуляции мозга в рамках структуры сетевой интегрированной системы нейробиоуправления / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен // Системный анализ и управление в биомедицинских системах: журнал практической и теоретической биологии и медицины. - М., 2008. - Т.7. № 1. - С. 61-64.

10. Пятакович Ф.А. Биоуправляемый портативный модуль генерации модулированных сигналов, подобных ЭЭГ / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен // Системный анализ и управление в биомедицинских системах: журнал практической и теоретической биологии и медицины. - М., 2008. - Т.7. №2. - С. 485-490.

11. Пятакович Ф.А. Разработка структуры биоуправляемого модуля для генерации модулированных ЭЭГ-подобных сигналов / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен // Аллергология и иммунология. - 2007. Т.8. № 3. - С.317-318.

12. Пятакович Ф.А. Биоуправляемая игровая система, реализующая автомобильные гонки на основе мультипараметрической обратной связи / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен, А.С. Новоченко // Аллергология и иммунология.- 2007. Т.8. № 3.- С.328.

13. Пятакович Ф.А. Детерминированные модели в структуре портативного микропроцессорного биоуправляемого модуля для генерации модулированных ЭЭГ-подобных сигналов / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен // Аллергология и иммунология. - 2008. - Т.9. №1. - С. 146.

14. Pазработка сетевой интегрированной системы трансформации нейродинамической активности мозга и модификации функционального состояния человека / С.Л. Дударева, Г.В. Емельянов, К.Ф. Макконен и др. // Аллергология и иммунология.- 2007. Т.8. № 3.- С.328-329.

15. Рязанова В.И. Состояние активности центральной и автономной нервной системы у больных язвенной болезнью при комбинированном лечении импульсным белым светом и миллиметровыми волнами / В.И. Рязанова, К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Аллергология и иммунология.- 2007. Т.8. № 3.- С.269-270.

Статьи и материалы конференций

16. Автоматизированный модуль директивной цветостимуляции в структуре сетевой интегрированной системы модификации функционального состояния человека / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен, С.Л. Дударева и др. // Успехи современного естествознания. - 2007. №12. -- С. 168-170.

17. Макконен К.Ф. Информационная система игрового биоуправления, реализующая стратегию с установкой на успех и избегание неудачи [электронный ресурс] / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович, А.С. Новоченко // Прикладные информационные аспекты медицины -2006. Т.9. №2. - С.14-20. -Режим доступа: http://www.vsma.ac.ru/publ/.

18. Макконен К.Ф. Игровой модуль с реализацией стратегии, направленной на избегание неудачи / К.Ф. Макконен, Ф.А.Пятакович, А.С. Новоченко // Фундаментальные исследования. 2007. №1. - С.70-72.

19. Макконен К.Ф. Биотехническая система игрового тренинга, реализующая две стратегии / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович, А.С. Новоченко // Современные проблемы науки и образования. - 2007. №1. - C. 67-73.

20. Макконен К.Ф. Моделирование и алгоритмизация в биотехнической системе автомобильного игрового тренинга / К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Современные проблемы науки и образования. - 2008. - №2. - С.17-22.

21. Пятакович Ф.А. Биоуправляемый индуктор электроэнцефалограммы для лечения синдрома дефицита внимания / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен // Успехи современного естествознания. - М., 2006. - №5. - С.55-58.

22. Пятакович Ф.А. Низко частотные и высоко частотные модели световых веретен, соответствующих паттернам электроэнцефалограммы человека в модуле директивной цветостимуляции / Ф.А. Пятакович, К.Ф.Макконен // Современные проблемы науки и образования. - М., 2006. - №3. - С. 74-77.

23. Структура сетевой интегрированной системы, предназначенная для ЭЭГ нейробиоуправления / Ф.А. Пятакович, К.Ф. Макконен, С.Л. Дударева, Г.В. Емельянов // Успехи современного естествознания. - 2007. № 12. - С. 166-168.

24. Рязанова В.И. Динамика показателей автономной нервной системы у больных язвенной болезнью при использовании в лечении биоуправляемой цветостимуляции белым светом и биоуправляемой миллиметровой терапии // В.И. Рязанова, К.Ф. Макконен, Ф.А. Пятакович // Современные наукоемкие технологии. - 2008. №1.- С. 40-43.

Размещено на Allbest.ru