Разработка моделей и алгоритмов диагностики и управления в компьютерной биотехнической системе мультипараметрического игрового тренинга

Актуальность темы

Использование различных технических устройств совместно с компьютерами в медицинской практике позволяет решать ряд проблем диагностического, профилактического и лечебного характера. Научные исследования в области медицинских информационных технологий являются также актуальными в связи с тем, что современные разработки способны прийти на замену медикаментозной терапии, зачастую имеющей побочные эффекты.

Ярким примером достойной альтернативы медикаментам являются системы с биологической обратной связью, целью которых является активизация и поддержка процессов самовосстановления больного организма. Важной особенностью данного метода является активное сознательное участие пациента в процессе обучения навыкам саморегуляции.

Компьютерное игровое биоуправление — одно из последних появившихся направлений в области технологий лечения с использованием биологической обратной связи. Использование биоуправляемых игровых систем позволяет значительно повысить эффективность тренинга, поскольку игровая деятельность способствует наилучшему восприятию материала. Компьютерная игра имеет ряд преимуществ по сравнению с другими электронными обучающими средствами. Во-первых, она, как и любой вид игровой деятельности, носит соревновательный характер. Во-вторых, современный уровень развития компьютерных технологий предоставляет возможность создать сложную по сюжету и привлекательную по внешнему виду игровую среду. Такая система легче воспринимается пациентами и позволяет увеличить их интерес к процессу тренинга.

Применение компьютерных игр с биологической обратной связью (БОС) позволяет решать ряд задач терапевтического характера: лечение детей, страдающих нарушениями в виде синдрома гиперактивности и дефицита внимания [56], антистрессовый тренинг, направленный на развитие умений контролировать собственные эмоции и соматическое напряжение [17, 32] и т. д.

Анализ литературы свидетельствует о наличии двух классов игровых систем с БОС: однопараметрические и мультипараметрические. lililliilil 11 к iililIliUIHi Hi Ш lilt 1 ЦЩ ШШШШШШМ il itt. il 11ЕШ li ШкШ ¿-Ш Ш tlilgliHUiil ЖШШ W& ШАШЩ РИ ШЛЪШ Ш 'ШШй.ЛШ ШЩ цаим" 4.

Существенным недостатком однопараметрических систем, таких как тренажер «Ибис» [7, 18], является управление единственным функциональным показателем (частота сердечных сокращений), что противоречит фундаментальным принципам хронобиологии о многочастотных кодах биоуправления. Использование в качестве управляющего параметра в тренажере «Ибис» среднего значения частоты пульса, достигнутого в предыдущем сеансе, затрудняет достижение успеха тренинга в последующих сеансах в связи с известными физиологическими ограничениями замедления пульса [52].

Эта проблема может быть решена путем применения систем с мультипа-раметрической биологической обратной связи, основанной на управлении несколькими функциональными показателями или их соотношением, поскольку они позволяют оптимизировать стимулирующее воздействие за счет расширения диапазона коррекции в сторону активизации или релаксации нервной системы человека.

Известные мультипараметрические системы («РЕАКОР» [1] и «Wild Divine» [94]) обеспечивают регистрацию и контроль нескольких показателей (пульс, потоотделение, ЭЭГ и др.), направленные на диагностику состояния пациента. В то время как биоуправление реализуется только по одному выбранному показателю без учета взаимоотношений между параметрами.

В литературе известен игровой модуль, в котором процесс автомобильного тренинга реализуется посредством управляемого отношения частоты пульса к частоте дыхания [36, 43, 92]. Однако в данном тренажере не предусмотрены элементы, позволяющие оптимизировать игровой тренинг на субсенсорном уровне (например, при помощи процедур цветостимуляции). Кроме того, в тренажере не реализован классический способ управления игровым объектом (с помощью клавиатуры или мыши), что снижает уровень интереса к процессу тренинга.

Использование различных алгоритмов цветового импульсного воздействия наряду с моделями биоуправления для обучения навыкам саморегуляции расширяет круг возможностей модификации функционального статуса организма, так как цветовые раздражители способствуют активизации парасимпатической или л жттшчжш шн * м hiiimiiumibiiliii u i uni n ¦¦¦¦ жтя яштшлшп ¡-ж i i —— ншшпш я шиш ¦ и i iinm «ч i и mr пщ и rn—imir 5 симпатической нервной системы в зависимости от оттенков цвета, а импульсный характер воздействия позволяет усилить стимулирующий эффект в развитии процессов торможения или возбуждения в зависимости от ритма [33, 44].

В исследованиях, связанных с разработкой биотехнических систем цвето-стимуляции, установлено, что согласование параметров цветового воздействия с параметрами биологической обратной связи позволяет добиться эффекта в трансформации паттерна ЭЭГ и, как следствие, обеспечивает коррекцию функционального состояния пациента [45, 70].

Таким образом, актуальной является научно-техническая задача увеличения холинергических и адренергических влияний в ситуации виртуального соревновательного стресса с целью активизации механизмов саморегуляции функционального состояния человека посредством использования мультипараметри-ческого сигнала обратной связи в виде частоты пульса, дыхания, их соотношений и субсенсорных моделей оптимизации.

Диссертационная работа выполнена при поддержке проектов РНПВШ (Развитие научного потенциала высшей школы): 2.2.3.3/3301 (2007;2008 годы) и 2.2.3.3/4307 (2009;2010 годы), а также в соответствии с планами проблемной комиссии по хронобиологии и хрономедицине РАМН и научным направлением медицинского факультета НИУ «БелГУ» «Разработка универсальных методологических приемов хронодиагностики и биоуправления на основе биоциклических моделей и алгоритмов с использованием параметров биологической обратной связи».

Цель работы. Целью диссертации является разработка моделей, алгоритмов, технических и программных средств реализации биоуправляемого мульти-параметрического игрового тренинга, основанного на фундаментальных принципах хронобиологии с использованием субсенсорной биоуправляемой цвето-стимуляции.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать структуру биотехнической системы тренинга, основанного на использовании сигналов мультипараметрической биологической обратной связи. миш ушкии—дм—"шмташшшм—шиддиш тш шши и—?мв-мимиммиимни ни «ни. тишми 6.

2. Разработать структуру устройства и алгоритм ввода электрофизиологической информации, позволяющие регистрировать и обрабатывать мультипара-метрический сигнал в виде частоты пульса и дыхания, а также рассчитывать отношение частоты пульса к длительности дыхательного цикла в режиме реального времени.

3. Сформировать алгоритм определения успешности тренинга и управления динамикой игрового сюжета на основе отношения частоты пульса и дыхания.

4. Разработать модели и алгоритм биоуправляемой субсенсорной цвето-стимуляции для оптимизации игрового тренинга.

5. Сформировать алгоритм оценки эффективности проводимого тренинга.

6. Создать управляющую оболочку в виде программного средства технологии биоуправления в виртуальной игровой среде.

Объект исследования. Механизмы саморегуляции нервной системы человека.

Предмет исследования. Биотехническая система мультипараметрическо-го игрового тренинга, направленного на активизацию и поддержку процессов саморегуляции функционального состояния человека в ситуации виртуального соревновательного стресса.

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа, моделирования, математической статистики, методы регистрации и анализа электрофизиологической информации в виде датчика пульса и дыхания и ритмотестирования.

Научная новизна. В результате проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты, отличающиеся новизной:

— хронобиологические модели управления, основанные на использовании мультипараметрического сигнала в виде отношения частоты пульса и дыхания, отличающиеся их соответствием структуре паттернов релаксации и активации временной упорядоченности пульса и позволяющие обеспечивать усиление хо-линергических и адренергических влиянийнииншшшаишним чшимямитчаимш нш 7.

— алгоритм определения успешности тренинга и биоуправления виртуальным игровым сюжетом, отличающийся мультимедийным характером предъявления игровой информации, способствующий формированию стрессиндуциро-ванного состояния человека и позволяющий управлять динамикой игрового сюжета на основе отношения частоты пульса и дыхания и выдавать рекомендации пациенту для достижения целей тренинга;

— метод реализации биоуправляемого тренинга, заключающийся в использовании виртуальной игры, направленной на модификацию функционального статуса организма человека посредством преодоления стрессиндуцированного состояния, и отличающийся возможностью изменения целевой функции управления в виде отношения периодов пульса и дыхания;

— модели биоуправляемой цветостимуляции, используемые для оптимизации игрового тренинга и отличающиеся тем, что они обеспечивают согласование параметров цветового воздействия с параметрами биологической обратной связи, а также управление скважностью сигнала, что способствует усилению влияния стимуляции на субсенсорном уровне;

— алгоритм оценки эффективности игрового тренинга, заключающийся в определении показателя и уровня стресса, испытываемого до и после окончания сеанса, и отличающийся тем, что он основан на использовании двух моделей, имеющих в качестве целевой функции достижение нормального или умеренного уровня стресса;

— структура биоуправления в компьютерной биотехнической системе игрового тренинга, включающая датчики пульса, дыхания и программное средство, отличающаяся хронобиологическим способом диагностики текущего функционального состояния человека и позволяющая активизировать и поддерживать процессы саморегуляции функционального состояния человека в ситуации виртуального соревновательного стресса.

Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанные модели и алгоритмы игрового тренинга составили основу биотехнической системы реабилитационного лечебного воздействия. шшииишитмшшиштпшдшв иদ жнив¦ ашашшншшиншшшшшшшшштшштшшш. шшжшш щцш —"¦ 8.

Предложенный метод тренинга позволяет производить индивидуализацию реабилитационного воздействия, поскольку реализует управление с учетом биологических ритмов пациента.

Осуществлена оптимизация игрового тренинга посредством хронобиоло-гических принципов, включающих динамические изменения соотношений пульса и дыхания в ходе виртуальной игры, а также моделей субсенсорного светового воздействия, направленных на стимуляцию активационных и релаксационных процессов организма.

Результаты работ внедрены в учебный процесс кафедры информатики и вычислительной техники для студентов специальности 10 500.62 Прикладная математика и информатика, а также в научно-исследовательскую работу кафедры пропедевтики внутренних болезней и клинических информационных технологий Белгородского государственного национального исследовательского университета.

Содержание диссертации соответствует пункту 2 области исследований паспорта специальности 05.11.17 — Приборы, системы и изделия медицинского назначения.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Итоговой конференции по результатам научно-исследовательской работы студентов и молодых ученых Белгородского государственного университета, г. Белгород, 7−14 апреля 2007 г, на XIII Международном конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации в Дубае, ОАЭ, 26−30 апреля 2008 г (Современные медицинские и информационные технологии), на Международной научной конференции «Высшее профессиональное образование. Современные аспекты международного сотрудничества» в Майорке, Испания, 16−23 августа 2009 г, на Международной научной конференции «Производственные технологии», Италия (Рим, Флоренция), 6−19 сентября 2009 г, на Международной научной конференции «Проблемы международной интеграции национальных образовательных стандартов», Лондон-Париж, Великобритания-Франция, 20 апреля — 27 апреля 2010 г, на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций, г. Москва, 7−10 сентября 2010 г (разработка «Биоуправляемый аркадный ишщй&шшшш шшшшшлажшши т^ЕККЕШКшгшкшшЁЖШ! ИК2ЕЦ шшш шнк! aim шшш. швщщ tut. 1.11 шк т шт&я^ш mi, а ш шш^к*[шкшшгвкишкавшаш 9 игровой модуль с использованием субсенсорных моделей оптимизации» награждена серебряной медалью), на Международной научной конференции «Актуальные проблемы образования», Лутраки, Греция, 2−9 октября 2010 г, на Международной научной конференции «Инновационные медицинские технологии», Москва, Россия, 15−18 ноября 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 работ в рецензируемых научных журналах и изданиях и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем осуществлена параметризация и разработаны алгоритмы реализации моделей биоуправления игрового тренинга Xonix, сформирована модель мультипараметрического канала обратной связи, разработана структура биотехнической системы и способ ввода биологической информации с датчиков в компьютер, осуществлена параметризация моделей цветостимуляции, используемых для оптимизации игрового тренинга, произведена статистическая обработка результатов исследования моделей цветостимуляции, сформирован алгоритм управления уровнем сенсорности световых сигналов, применяемых в моделях цветостимуляции, создана структура игрового модуля и метод ее реализации в среде программирования Delphi, разработана структура и алгоритм работы программного средства, используемого для создания ситуации виртуального соревновательного стресса, разработана структура и алгоритм работы блока цветостимуляции, реализующего оптимизационные модели, сформирована модель и алгоритм работы системы ввода электрофизиологической информации, включающей датчики пульса и дыхания, а также схему сопряжения с компьютером.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 136 страницах машинописи и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (72 отечественных и 28 иностранных авторов) и приложений. Диссертация иллюстрирована таблицами (11) и рисунками (35).

Выводы пятой главы 1. Сформирована модульная структура управляющей оболочки системы тренинга, состоящая из тридцати двух процедур, реализующих работу программного средства.

2. Создана управляющая оболочка биотехнической системы тренинга в виде программного средства, выполненного в среде разработки Borland Delphi и имеющего иерархическую структуру с двумя группами разделов меню. Первая группа (Регистрация, Новая игра, Настройки звука и графики, Настройки обратной связи, Результаты и Выход) содержит разделы управления процессом тренинга и имеет название «Игра». Во вторую группу (Порядок пользования, Правила игры, Бонусы, Клавиши управления, О программе) включены разделы, содержащие справочную информацию для пациента по управлению и ходу тренингагруппа «Помощь».

3. Разработаны практические рекомендации по использованию программного и аппаратного обеспечения биотехнической системы тренинга в виде инструкции с описанием каждого шага, начиная с подготовки и заканчивая анализом результатов сеанса игрового тренинга.

•т. I (¦шшшвишнннлншн¦шишвивнппншышшинцщаншаинвк.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований разработана биотехническая система игрового тренинга, применяемая для обучения механизмам саморегуляции функционального состояния человека в ситуации виртуального соревновательного стресса посредством использования мультипараметрического сигнала обратной связи в виде соотношения частоты пульса и дыхания и субсенсорных моделей биоуправляемой цветостимуляции.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработана биотехническая система игрового тренинга, включающая четыре элемента: аппаратный блок ввода электрофизиологической информации, осуществляющий считывание данных с датчиков пульса и дыхания, программный блок биоуправления, реализующий анализ электрофизиологических данных и формирование параметров управления, программный игровой блок, отвечающий за создание игровой среды, и программный блок цветостимуляции для оптимизации тренинга.

2. Разработано устройство и алгоритмы ввода электрофизиологической информации с учетом медико-технических требований, позволяющие получать информацию о текущей частоте сердечных сокращений и частоте дыхания человека и их соотношении в режиме реального времени.

3. Сформирован алгоритм определения успешности тренинга с учетом выбора модели биоуправления (модель активации или модель релаксации), позволяющий управлять динамикой игрового сюжета на основе отношения частоты пульса и дыхания и формировать рекомендации пациенту для достижения целей тренинга. Модели биоуправления игровым тренингом основаны на стратегиях, направленных на достижение успеха (модель активации) и избегание неудачи (модель релаксации) и устанавливают зависимость входных параметров игровой среды (цвет фона области вывода частоты сердечных сокращений и цвет управляемого объекта, скорость «враждебных» объектов) от текущего функционального состояния пациента.

4. Разработаны модели и алгоритм цветостимуляции, включающие четыре элемента с различной частотой и скважностью сигналов стимуляции, управляемых ритмом дыхания, и способствующие возникновению активационных или релаксационных процессов организма путем субсенсорного светового воздействия красным или зеленым цветом с частотой альфа, бета или тета-ритмов.

5. Для оценки эффективности игрового тренинга разработан алгоритм, заключающийся в определении показателя и уровня стресса, испытываемого до и после окончания сеанса тренинга. Тренинг считается эффективным, если по его окончании при использовании модели активации пациент достиг уровня умеренного стресса, в том время как для модели релаксации сохранил нормальный уровень.

6. Создана управляющая оболочка биотехнической системы тренинга в виде программного средства для операционных систем семейства Windows, выполненного в среде разработки Borland Delphi, отличающегося привлекательной графикой и дружественным интерфейсом, а также возможностью оповещения о динамике функционального состояния пациента в режиме реального времени и обеспечивающего реализацию биоуправляемых игровых алгоритмов.

1жшшшкт1ши1^шжштшш1я ШтШШШЗШМ. ШШШШ1Ж ам! ЯИН шашж ущщ щщщшмщ^тщт вшттт. щ яшьтътхяшкУвщшт-ш идри пиий""мв""" !ТГ И.