КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ БИОУПРАВЛЕНИЯ: ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

О.А.Джафарова 1, М.Б.Штарк 2

Институт молекулярной биологии и биофизики СО РАМН
Институт медицинской и биологической кибернетики СО РАМН,
г.Новосибирск
jafarova@cyber.ma.nsc.ru1, mark@cyber.ma.nsc.ru2

Общие положения

Ранее (1993, 1998) нами было дано системотехническое определение, рассмотрены теоретические основы новой компьютерной технологии - биоуправления - и определены сферы ее “влияния” в исследовательской и клинической практике. Была подчеркнута универсальность технологии, объединяющей как общий технический и биологический принцип - адаптивную обратную связь, так и современные компьютерные средства, гарантирующие развитие этого направления. Время, прошедшее с тех пор, проявило основные тенденции развития технологии биоуправления, подтверждающие жизнеспособность и перспективность всего направления в целом.

В докладе будет представлен анализ развития компьютерного биоуправления за последние 10 лет. Это время характеризовалось, с одной стороны, привлечением последних достижений микроэлектроники и вычислительной техники, в первую очередь, цифровых сигнальных процессоров, инструментальных программных систем, богатейших средств мультимедиа; с другой же - существенным расширением сфер использования биоуправления - от традиционных форм поведенческой медицины до серьезных по своим последствиям состояний типа патологических пристрастий, нарушений внимания и памяти, глубоких депрессий, последствий мозговых катастроф и т.п.

Особое внимание в докладе уделено новой ветви биоуправления - компьютерным лечебно-реабилитационным играм, сюжет которых управляется физиологическими параметрами регуляторных систем, поддерживающих гомеостаз и обеспечивающих основные механизмы жизнедеятельности.

Новые или развивающиеся варианты биоуправления

Существенно увеличился радиус “датчикового поля”. В структуре биоуправления появились ранее либо отсутствующие, либо крайне редко используемые в лечебном и реабилитационном процессе физические (физиологические) параметры.
  1. Прежде всего - это управление дыханием по содержанию CO2 в выдыхаемом воздухе. Здесь используются те обстоятельства, что, во-первых, дыхание является единственной функцией, доступной произвольному управлению в широких пределах, и во-вторых, дыхательная система занимает ключевое положение среди основных гомеостатических структур организма. Были созданы схемы, основанные на капнографической регистрации, где управление дыханием и его модификации были построены на регуляции содержания CO2 в выдыхаемом воздухе. Особенно эффективной эта технология оказалась для педиатрической практики, будучи реализованной в игровом варианте [3].
  2. Качественные изменения претерпело нейробиоуправление [4-6]. Биоуправление через электрическую активность нервной системы - как вмешательство в основные ритмы мозга - широко применяется в клинике пристрастий, расстройств внимания и памяти. Особую роль в нейробиоуправлении играет использование цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для обеспечения сбора, обработки и представления информации в реальном масштабе времени [7]. Технология ЦСП организует быстрый обмен массивами между прибором и компьютером, при большом потоке данных производит предварительную обработку входных сигналов (фильтрация, анализ спектра), что позволяет процессору компьютера преимущественно заниматься обслуживанием пользовательского интерфейса. Такая технология особенно принципиальна для многоканальных систем, где поток цифровой информации ежесекундно достигает нескольких сотен тысяч значений. ЭЭГ-системы таковыми, как правило, и являются. Сегодня в качестве управляемых параметров используется весь спектр ЭЭГ-сигналов - от медленных и сверхмедленных колебаний потенциала до быстрых вызванных ответов, представляющих собой выражение локального возбуждения ограниченного числа нейронных групп.

Техника биоуправления

Это, прежде всего, широкое использование современных элементов микроэлектроники, технологии цифровых сигнальных процессоров, инструментальных программных сред. О последних несколько подробнее.

При современной конфигурации вычислительных систем возможности их программной модификации безграничны. Переход от одной исследовательской или лечебной методики к другой, что наиболее характерно для современного подвижного клинико-физиологического или биофизического эксперимента, настоятельно требует гибкой системы программирования. Современные программные среды Windows’95, 98 мотивировали создание новых пользовательских интерфейсов, позволяющих исследователю свободно переходить от одной логики эксперимента к другой, используя для этого широкий набор библиотечных модулей, охватывающих весь диапазон той или иной проблемной области.

Инструментальная программная система предоставляет в распоряжение врача легко настраиваемую программную среду, соответствующую требованиям современного пользовательского интерфейса. К сожалению, существующие инструментальные программные средства американских фирм (Biomed, Thought Technology, DataWave, J&J Engineering) не удовлетворяют растущим требованиям современного клинического эксперимента.

В докладе излагаются рабочие и проектируемые варианты систем биоуправления, формулируются основные требования к инструментальным средам и анализируются основные результаты работы с гибко конфигурируемым модульным комплексом “БОСЛАБ 5.0”, работающим в среде Windows’95/98. Он располагает удобным пользовательским интерфейсом, способным легко создавать новые и модифицировать старые алгоритмы, обеспечивает независимое создание модулей обработки для удовлетворения оригинальной методики, обладает высокой производительностью.

Интерфейсная техника

Биоуправление включает в качестве самостоятельного компонента универсальную технологию многоканального мониторинга, область использования которого чрезвычайно широка.

В докладе будет представлено новое семейство многоканальных интерфейсов типа БИ-01Р в модификациях, различающихся комплектацией каналов, обеспечивающих под управлением системы “БОСЛАБ 5.0” регистрацию произвольного сочетания наиболее распространенных физических параметров физиологических систем - биопотенциалов мышц, сердца, мозга, кожной температуры, кожно-гальванической компоненты. Приборы укомплектованы входными каналами в количестве от 4 до 8, обеспечивающими частоту дискретизации до 3000 Гц по одному каналу и передачу по последовательному порту RS232 в управляющую программу, работающую в среде Windows’95/98 [7].

Учитывая модульную организацию интерфейсов и возможность одновременного использования нескольких устройств системой “БОСЛАБ 5.0”, программная модификация мониторинга не представляет каких-либо сложностей.

Схемы клинического эксперимента, требующие одновременной регистрации 16-32 быстрых каналов, каковыми являются сигналы электроэнцефалограммы (диапазон до 70 Гц), электромиограммы (диапазон до 300 Гц), в аппаратной части основаны на технологии ЦСП. Такие системы широко применяются для картирования в режиме реального времени поверхностного распределения биопотенциалов мозга или групп мышц. В докладе будет представлен лабораторный макет системы для клинических и физиологических исследований DPRS-R05, имеющей 16 входных каналов ЭЭГ [7].

Области использования биоуправления

В Институте медицинской и биологической кибернетики СО РАМН с использованием собственных программно-аппаратных комплексов, описанных выше, были проведены реабилитационные и лечебные курсы в технологии биоуправления среди следующих форм и вариантов заболеваний.
  1. Аддиктивные состояния (наркомания, алкоголизм, токсикомания и другие пристрастия) - методами нейробиоуправления (a-стимулирующий тренинг)
    (А.Б.Скок, С.В.Пронин).
  2. Психосоматические расстройства (гипертоническая болезнь, краниалгии, вегетососудистая дистония, язва желудка), мягкие депрессии - средствами температурно-миографического тренинга (О.С.Шубина, В.В.Захарова).
  3. Бронхиальная астма, гипервентиляционный синдром, астмоидные состояния - методами капнографического (по содержанию CO2 в выдыхаемом воздухе) биоуправления (О.В.Гришин, М.И.Красноборова). Монитор, регистрирующий концентрацию CO2 , был создан совместно с НПФ “Ласпек-плюс” (В.К.Макуха, Д.Е.Грошев).
  4. Спинальные синдромы, парезы и параличи после нарушения мозгового кровообращения (Б.М.Доронин, О.А.Джафарова, Л.А.Черникова, Е.А.Тарасов) средствами электромиографического биоуправления.

Точки роста и развития технологии биоуправления

В первую очередь это относится к компьютерным лечебно-оздоровительным играм [8] - новой ветви биоуправления

Увлекательный сюжет соревнования в сочетании с использованием современных мультимедийных информационных возможностей открывает широкие перспективы приобретения в процессе игры навыков регулирования жизненно важных параметров (сердечного ритма, артериального давления, кожной температуры, содержания углекислого газа в выдыхаемом воздухе, биопотенциалов мозга, мышц и т.д.). Выбор того или иного параметра для обучения сознательному управлению определяется врачом или психологом и предназначен для вмешательства в те механизмы регуляции, которые определяют патологическое состояние или являются ведущими в механизмах заболевания.

Главная особенность лечебно-оздоровительных компьютерных игр - их соревновательный характер (гонки на байдарках, погружение водолазов на дно, автогонки и т.п.), моделирующий стрессовую ситуацию. Увлекательный сюжет мотивирует пациента (испытуемого), вызывая у него эмоциональный интерес к результату, способствуя более эффективному обучению его навыкам саморегуляции, умению контролировать свое эмоциональное состояние. Цель тренинга, организованного в форме игры, - обучение рациональному и физиологически адекватному поведению в условиях стресса. Обучающий алгоритм построен таким образом, что для победы необходимо улучшить свой результат из предыдущего сеанса. Этот механизм является залогом совершенствования навыков саморегуляции.

Игры обращены прежде всего к владельцам персональных компьютеров. Это возможность формировать семейный архив, отражая успехи каждого члена семьи в обучении искусству релаксации. Вся динамика обучения сохраняется в базе данных, что позволяет сравнить свои результаты с другими участниками игры. Предпочтительные пользователи компьютерных лечебно-оздоровительных игр - пациенты поликлиник и стационаров, страдающие болезнями регуляции, пограничными состояниями; люди “компьютерных” профессий: программисты, секретари-референты, менеджеры.

Игры выполнены с использованием средств мультимедиа в среде Windows-95/98. Постоянное развитие “компьютерной игротеки здоровья” возможно за счет новых игровых сюжетов и увеличения числа параметров, управляющих сюжетом игр, а также создания относительно дешевых (бытовых) устройств, регистрирующих соответствующие физиологические показатели.

Следующий шаг развития технологии биоуправления - это, конечно, сетевые варианты лечебно-оздоровительных игр. Вовлечение в игровую “релаксирующую” среду соревнующихся между собой распределенных пользователей (владельцев) персональных компьютеров с привлечением возможностей Интернет может оказать фантастический коллективизирующий эффект, создать интересный прецедент и придать взаимоотношениям между людьми характер истинных демократических свобод.

Литература
  1. Биоуправление-2: теория и практика (ред. М.Штарк, Россия; Р.Колл, США), Новосибирск, 1993.
  2. Биоуправление-3: теория и практика (ред. М.Штарк, Россия; Р.Колл, США), Новосибирск, 1998.
  3. Гришин О.В., Зубков А.А., Гришин В.Г. Клиническое применение капнографии в биоуправлении для диагностики и лечения гипервентиляционного синдрома.//В сб. “Биоуправление - 3. Теория и практика”, (ред. М.Штарк, Россия; Р.Колл, США),Н-ск, 1998, С.122-129.
  4. Штарк М.Б., Скок А.Б. Применение электроэнцефалографического биоуправления в клинической практике (обзор литературы).//Там же, С. 130-141.
  5. Скок А.Б., Шубина О.С., Джафарова О.А., Веревкин Е.Г. Энцефалографический метод альфа-тета тренинга при лечении аддиктивных расстройств.//Там же, С. 180-187
  6. Пронин С.В., Киреев И.И., Пронина Н.А. Предварительный опыт альфа-тета тренинга в лечении абстинентных состояний при опиоидной наркомании.//Там же, С. 172-179.
  7. Корсаков А.Н. Использование цифровых сигнальных процессоров в системах многоканального мониторинга физиологических параметров.//Там же, С. 260-265.
  8. Мнацаканян Е.В. Индивидуальные особенности, динамика выполнения задачи и изменения компонентов при саморегуляции вызванной активности мозга человека с применением обратной связи.//Там же, С. 46-53.
  9. Соколов А.В. Аппаратные средства физиологического мониторинга и биоуправления.//Там же, С. 257-259.
  10. Донская О.Г., Великохатный Р.И., Дебелов В.А., Джафарова О.А., Иутин В.С., Мазурок Б.С., Ткачев Ю.А., Черепанов А.И., Штарк М.Б., Шульман Е.И. Компьютерные оздоровительные и лечебно-реабилитационные игры (новая ветвь в биоуправлении).//Там же, С. 232-241.

Содержание конференции | Секция10