Содержание к диссертации
Введение
1. Организация произвольных и не произвольных движений человека. Условная произвольность постурального тремора 9
2. Биофизические методы регистрации различных видов движения 26
3. Стохастическая обработка результатов хаотической динамики произвольных и непроизвольных движений человека 38
3.1. Стохастическая обработка результатов хаотической динамики тремора и теппинга 39
3.2. Различия в параметрах квазиаттракторов тремора и теппинга 55
4. Практическое применение разработанных методов в биофизике сложных систем 83
4.1. Применение разработанных методов в биофизике сложных систем на примере звукового воздействия 83
4.2. Применение разработанных методов в биофизике сложных систем на примере холодового воздействия 100
Заключение 125
Выводы 132
Библиографический список
- Биофизические методы регистрации различных видов движения
- Стохастическая обработка результатов хаотической динамики тремора и теппинга
- Различия в параметрах квазиаттракторов тремора и теппинга
- Применение разработанных методов в биофизике сложных систем на примере холодового воздействия
Биофизические методы регистрации различных видов движения
Число степеней свободы взаимной подвижности звеньев кинематической цепи (или, иными словами, свободы деформируемости кинематической цепи) есть не что иное, как необходимое и достаточное число независимых друг от друга координат, которые должны быть назначены для того, чтобы поза органа оказалась вполне определенной. Так, например, для определения положения плеча относительно лопатки (при наличии у лопаточно-плечевого сочленения трех степеней свободы) необходимо и достаточно назначить три координаты (например, координаты сгибания — разгибания, приведения — отведения, продольной ротации). Очень важно отметить, что количество степеней свободы цепи не зависит от выбора той или иной системы координат или обозначений, т.е. является объективно присущим самой цепи. Заметим еще, что число степеней свободы деформации многозвенной цепи либо равно сумме чисел степеней свободы всех ее сочленений (так называемые незамкнутые цепи), либо несколько меньше ее (замкнутые цепи). Все это говорит одновременно и о большом числе мышц, которые обеспечивают все это многообразие.
Подвижности кинематических цепей человеческого тела огромны и исчисляются десятками степеней свободы, что зависит от числа разных систем управления разными группами мышц, обеспечивающих движение тела и его частей. Подвижность запястья относительно лопатки и подвижность предплюсны относительно таза насчитывают по 7 степеней, кончика пальца относительно грудной клетки — 16 степеней. Обладание подвижными пальцами обогащает подвижность и деформируемость руки по сравнению с передней конечностью, например, однокопытных четвероногих на 22 - е добавочных степени. Для сравнения укажем, что преобладающее большинство машин, работающих без непрерывного управления человеком, обладает при всей кажущейся сложности рычажных и шестеренных кинематических цепей всего одной степенью свободы, т.е. тем, что носит название вынужденного движения: например, многоцилиндровый дизель или газетопечатная ротационная машина. Две степени встречаются редко (например, центробежные регуляторы), три степени совершенно неупотребительны широко в технике. При этом сейчас резко и настолько бурно возрастает сложность управления кинематическими цепями в связи с прибавлением новых степеней свободы, что технические системы просто не могут обеспечить столь высокую подвижность, в сравнении с биомеханическими системами. Так например, теоретически шестью степенями свободы обладает летящий снаряд (пушечное ядро, пуля, мина) — предмет изучения внешней баллистики. Здесь необходимо отметить: а) очень большую неточность управления его полетом и попаданием и б) необходимость пристрелки и корректировки, что в биосистемах совершенно недопустимо [34-39,101-108,119,123-136].
Работа скелетных мышц человека происходит за счет нервной регуляции. При этом выполнение регуляции всех движений осуществляется двигательными центрами ЦНС. Все движения человека с позиций физиологии и в рамках компартментно-кластерного подхода (ККП) можно разделить на произвольные и непроизвольные. Отличие движений друг от друга в том, что первые (произвольные) носят сознательный характер и выполняется в соответствии со стоящей целью, вторые (непроизвольные) совершаются бес сознательно и/или автоматически, чаще рефлекторно. Однако качество выполнения этих двух типов движений все - таки бывает почти одинаково [42-74].
Даже самое простое движение в своей основе имеет сложные механизмы контроля, т.к. возбудимость мотонейронов определяется не только процессами, которые протекают на спинальном и супраспинальном уровнях. Постоянно и разнообразно регуляторные системы получают дополнительную информацию через обратные связи от мотонейров и рецепторов (чувствительных периферических аппаратов) которые имеют иерархическую структуру и особую систему регуляции. Сейчас мы говорим о хаосе в афферентном звене регуляции движений [41-80].
При изменении активности соответствующей группы мышц происходит осуществление движениями человека, но управление может производится только при наличии информации с обратных связей, т.е. информация о скорости, ускорении и положении частей тела. Наличие обратной связи является основным и обязательным фактором в регулировании временных и пространственных характеристик движения и в этой кратной связи уже нет строго повторения [66-99].
Таким образом, в ответ на соответствующий сигнал с периферии или вышележащих отделов центральной нервной системы спиной мозг способен обеспечить сложные согласованные движения. Поддержание мышечного тонуса производится за счет рефлекторных саморегулирующих механизмов которые осуществляют мотонейроны. На уровне спинного мозга выделяют преимущественно тонические и фазические звенья двигательной регуляции.
Регуляция движений получается невозможной без наличия двух функционально различных нейронов. Одна группа нейронов осуществляет запуск движения, вторая участвует в предпусковых процессах. При инициации якобы произвольного движения информация из моторной области поступает в сенсорную область. Однако и при непроизвольных движениях роль афферентации и сознания (состояния ЦНС) огромны и решающие [38-86,133-164].
Перед началом произвольного движения повышается рефлекторная возбудимость спинальных мотонейронов и понижается активность спинальных тормозных систем агониста. В результате обеспечивается необходимое количество быстрых и медленных двигательных единиц, которые задействуются в двигательном действии. Само это реципрокное движение всегда осуществляется непроизвольно как в звене сгибателей, так и разгибателей. В целом, реципроктность - это еще одна большая проблема в регуляции движений и она отсутствует в технических системах [16-22,30-40]. Периодические динамические движения различны как в норме, так и при патологии. Но, однако известно, что патологический тремор (к примеру при болезни Паркинсона), по механизму и характеристикам существенно отличается от тремора удержания позы. Более того, по характеристикам он приближается к теппингу [29-42,61-97].
Существует различное количество и большое разнообразие гипотез о происхождении и значении тремора. К примеру, происхождение тремора связывают с неполным тетанусом, инертностью саркоплазмы, игрой антагонистов, усилением импульсации из коры головного мозга в такт колебаниям а-ритма, необходимостью компенсации гемодинамических сдвигов и т.д. По другой теории, которую предложил B.C. Гурфинкель с соавторами [34,35] о происхождении тремора, низкочастотный компонент тремора (1-3 Гц) отражает регуляцию удержания определенного положения сустава, а высокочастотный (7-9 Гц) -активность отдельных нейромоторных единиц в мышцах, обеспечивающих поддержание этого положения сустава [35,36].
Стохастическая обработка результатов хаотической динамики тремора и теппинга
Контроль движения туловища осуществляется для количественной оценки устойчивости вертикальной позы в покое и при тестах - по Ромбергу, при одноопорном состоянии, после вестибулярных нагрузок и т.п. [4-7,23-27,42,43]. Регистрируются колебания вдоль нормалей к фронтальной и сагиттальной плоскости. Для этого используются либо акселерометры ПАМТ-1, размещенные с помощью специального поясного ременного крепежа, либо разработанные на базе их чувствительных элементов трехкомпонентные акселерометры ТПА [23-27, 42,43].
Относительные же измерения могут быть проведены существенно проще и надежнее. С другой стороны, поскольку одинаковое и одновременное поражение обеих конечностей маловероятно, нарушения симметрии сами по себе можно рассматривать как диагностические признаки [23-27,42,43].
С помощью подобных устройств в работах В.М. Еськова исследовались спектральные характеристики вибрационных сигналов, регистрируемых в ходе локомоционных актов [23-27,42,43,54,56,82].
Было выявлено, что интенсивности вибраций, обусловленных различными механизмами, могут отличаться на несколько порядков, что уже было отмечено выше. Частотная селекция позволяет в значительной степени обойти эту трудность, но АЧХ измеряемых треморограмм непрерывно изменяются. Однако несомненно, что пьезоакселерометрические датчики имеют ряд недостатков и в работах В.М. Еськова с соавторами были разработаны бесконтактные системы регистрации тремора на основе токовихревых датчиков движения (ТВДД) [23-27,42,43].
Разработанный в НИИ БМК при СурГУ бесконтактный способ регистрации тремора (непроизвольные движения конечности человека) и теппинга (произвольные движения конечности человека) - биоизмерительного комплекса (БИК) в своей основе использует токовихревые датчики. БИК состоит из следующих функциональных блоков: блок датчиков, блок преобразователей, аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Блок АЦП служит для сопряжения БИК с ЭВМ. В качестве измерительного устройства применяются датчики токовихревого типа. Собственно датчик представляет собой индукционную катушку в специальном корпусе [27], что представлено на рисунке 2.
В таких системах при введении (см. рисунок 3) ферромагнитной пластины 1 в магнитное поле катушки 2 изменяется значение ее индуктивности, при этом весь магнитный поток делится на части: поток, прошедший через ферромагнитную пластину и поток, не прошедший через ферромагнитную пластину [23-27,42,43].
Чем ближе пластина подводится к катушке, тем большее количество линий магнитной индукции замыкается через нее, что и вызывает изменение индуктивности катушки. При удалении пластины от катушки происходит уменьшение ее индуктивности. Поскольку спираль Архимеда (индуктивность (2)) входит в колебательный контур (а он работает в резонансном режиме), то изменение магнитного потока отражается на величине тока в цепи колебательного контура. Так как частота колебаний контура велика (у 1МГц), то система весьма надежно работает в диапазоне 0-1 КГц и выше, демонстрируя почти линейную зависимость (рисунок 4) [23-27,42,43]. sl± ±
Таким образом, укрепив ферромагнитную пластину на поверхности объекта, можно дистанционно определить микроперемещение данного объекта по изменению значения индуктивности катушки. С приращением нулевой частоты (и=0) или постоянной скорости смещения, что невозможно в пьезодатчиках, акселерометрах [23-27,42,43,54,56,63].
Как было только что отмечено, определение значения изменения индуктивности катушки (за счет изменения расстояния от ответной пластины до датчика) с высокой точностью осуществляется при включении катушки (датчика) в резонансный контур. В качестве резонансного контура используется параллельный LC-контур, включенный в цепь нагрузки усилителя на биполярном транзисторе. На вход усилителя подается сигнал прямоугольной формы с частотой 5 МГц. LC-контур настраивается таким образом, что значение собственной резонансной частоты контура отличается от значения тактовой частоты; при этом среднему положению ферромагнитной пластины должно соответствовать положение рабочей точки, соответствующее середине линейного участка резонансной кривой контура (рисунок 5). В этом случае достигается максимальная точность измерения перемещений исследуемого объекта в обоих направлениях [22-27,54,56].
Сигнал с выхода LC-контура детектируется, суммируется с добавочным напряжением, задающим значение нулевого уровня и далее поступает на вход АЦП для последующего ввода в ЭВМ и автоматической обработки [23-27,42,43].
Генератор тактовых импульсов выполнен на 2-х элементах «И-НЕ» (ИС К155ЛАЗ). С целью стабилизации тактовой частоты используется кварцевый резонатор на 5МГц, включенный в цепь положительной обратной связи первого элемента «И-НЕ». Этот генератор обеспечивает синхронную работу 4-х каналов. Расстояние от пластины до поверхности датчика пропорционально разности частот кварцевого генератора и собственной частоты соответствующего колебательного контура, в цепь которого включен датчик [23-27,42,43].
Каждый канал содержит свой усилитель на биполярном транзисторе, свой контур, фильтр, повторитель и усилитель постоянного тока. Таким образом схема может отслеживать микроперемещения по четырем каналам, что позволяет организовать сложные комплексы съема информации [23-27,42,43].
Блок преобразователей конструктивно выполнен в отдельном корпусе со своим источником питания от электрической сети. По степени защиты от поражения электрическим током блок преобразователей относится к типу Н (электромедицинское изделие с нормальной степенью защиты, которая эквивалентна защите бытовых приборов). По способу дополнительной защиты от поражения током питающей сети блок преобразователей относится к классу 01 (имеется клемма для подключения к внешнему заземляющему устройству) [23-27, 42,43].
Различия в параметрах квазиаттракторов тремора и теппинга
Если мы определим вектор состояния организма человека (ВСОЧ) для некоторого q-ro пациента как х) = {xqjl,xqj2,...,xqjn}(n є N и N - множество натуральных чисел, п - количество регистрируемых диагностических признаков, j eN, J - номер измерения вектора состояния организма человека), то тогда нормогенез определяется исходя из следующего соотношения х\ єХ" =[xi nin,xi ax] , где i = l,n, a Xf =[х ,х ] - интервал значений п-то показателя вектора состояния организма человека для некоторого «усредненного» человека в нормогенезе (Я). Довольно часто в качестве такого интервала определяют значение величины стандартного отклонения, т.е. связывают его с величиной дисперсии. Отклонение значении показателей вектора состояния организма человека от X? =[xJL xiL], то есть xlzX? =[x? ,xf } свидетельствует об отклонении от нормогенеза и переходе к патогенезу.
Но всегда ли должно выполняться соотношение х\.єХ" =[x/Ln x/LJ Для определения нормогенеза человека. Биологические системы, и в частности организм человека, остаются наиболее сложными системами, и определить нормогенез каждого человека путем вхождения его параметров вектора состояния организма человека в некоторые усредненные показатели не всегда удается выполнить корректно. Любая биологическая система находится в режиме непрерывной адаптации по отношению к внутренним процессам и внешним воздействиям, как следствие, любая сложная биологическая динамическая система и отдельные её составляющие находятся в режиме непрерывного «мерцания», то есть объективные показатели состояния непрерывно изменяются. Любой диагностический признак вектора состояния организма человека является функцией времени xqt = xqt it), и в разные моменты времени принимает различные значения .(0 .(/2), естественно, что в какие-то моменты времени мы можем получить и xqi(tl) = xqi(t2), но в общем случае для любого признака вектора состояния организма человека dxqIdt O. Особенно ярко это проявляется при изучении таких показателей вектора состояния организма человека как, электроэнцефалограмма, электрокардиограмма, треморограмма и т.д. Данные показатели более объективны, так как демонстрируют динамику поведения показателей вектора состояния организма человека во времени и имеют высокую диагностическую ценность. Но при более детальном рассмотрении данных показателей, оказывается, что во времени изменяются не только значения самих показателей, но и внутренняя структура сигнала регистрируемых показателей. Это демонстрирует хаотическую динамику организации самих изучаемых показателей (сигналов). В данном случае речь идет о работе систем организации движений человека.
Если представить у-е измерение параметров вектора состояния организма человека (всего измерений / (у = 1,/)) для q-то испытуемого в некотором условно стационарном состоянии, как вектор значений xq ={xqJl,xqJ2,...,xqJn}, где п количество значений в векторе состояния организма человека (для АЧХ, количество частот разложения исходного сигнала), х)к - значение к-то параметра вектора состояния организма человека (для АЧХ -ая частота разложения исходного сигнала) (к = 1,т), тогда можно сформировать два вектора XL ={mwixq1,...,xq1),...,mwixqn,...,aqn)} И Х п ={min(xq1,...,xq1),.-Mn(xqn,...,xqn)}, которые при большом количестве измерений (I) параметров будут ограничивать некоторую область, которая и будет описывать состояние организма испытуемого в том, или ином состоянии. Иными словами, можно сформировать вектор максимальных значений и вектор минимальных значений параметров вектора состояния организма человека. Такую область можно условно назвать областью вариабельности параметров вектора состояния организма человека в некотором условно стационарном состоянии организма.
Рассмотрим результаты хаотической обработки параметров треморограмм испытуемого с позиции теории хаоса - самоорганизации при повторах измерения. Отметим, что суперпозиция амплитудно - частотных характеристик сигналов, автокорреляционных функций и самих треморограмм, могут быть представлены на одном рисунке. Этот непрерывный хаос стохастических параметров (АЧХ и A(t)) можно перевести в хаотические параметры в виде квазиаттракторов, что и представлено на рисунке 8-D. Напомним, что существенных различий между выборками, полученных 15 - ть раз подряд от одного и того же испытуемого или от разных 15 - ти испытуемых (даже в разное время) мы не наблюдали. Системы регуляции тремора и теппинга у всех исптуемых демонстрирует схожие механизмы с позиции стохастики. При этом изменение функционального состояния организма или типа задания (произвольность - непроизвольность) имеет существенное значение. Тип задания или состояние организма влияют на процент стохастики в динамике движений и на параметры квазиаттракторв.
Применение разработанных методов в биофизике сложных систем на примере холодового воздействия
Как видно из таблицы 30 в результате попарного сравнения параметров треморограмм до и после локального холодового воздействия 3-й группы испытуемых получено, что только у 2 пар сравнения уровень значимости выше критического: у 4 испытуемого до воздействия с 7 испытуемым после воздействия (р=0,05), у 12 испытуемого до воздействия с 11 испытуемым после воздействия (Р=0,30).
Как видно, что у испытуемых которые закаливаются более 2-х лет количество совпадения до и после локального холодово воздействия в 2,5 раза меньше чем у испытуемых которые не закаливаются и 2 раза меньше чем у испытуемых которые закаливаются менее одного года. Уменьшение количества совпадений в результате попарного сравнения у испытуемых которые закаливаются, говорит об адаптации организма, в результате испытуемые, которые закаливаются легче переносят холодовое воздействие.
Для идентификации сложных биосистем с хаотической структурой поведения использование методов стохастики недостаточно, но при расчете квазиаатракторов можно наблюдать более выраженную динамику изменения ВСС. По этому просчитаем площади и объемы квазиаттракторов трех групп испытуемых. Так как значения площадей и объемов квазиаттракторов отличаются от усеченного нормального распределения (за исключением третьей группы после холодового воздействия) то данные представим в виде медианы и интерквантильного размаха в виде таблиц 31 и 32.
После холодового воздействия у первой группы (не тренированных) наблюдается увеличение параметров КА как для площадей, так и для объемов и составляет, для площадей увеличение произошло в 2.2 раза (Scv 0= 0.96, сР.после=2.1), объемы увеличились в 2.43 раза (Ксрдо= 1.8, Ксрпосле=4.37). Для второй группы (хорошо тренированных) параметры КА так же как и для первой увеличились, для площадей увеличение составило 1.72 раза (Scv 0= 1.44, 5српосле=2.48), а для объемов увеличение произошло в 1.74 раза (Vcp.ao= 2.86,
Кф.после=4-97). Для третьей группы испытуемых произошло уменьшение параметров КА как по площадям так и по объемам, для площадей произошло уменьшение в 0.77 раза (Scv 0= 1.36, 5,српосле=1.04), для объемов уменьшение составило 0.79 раз ( р.до= 2.47, Vcpn0CJie=1.96). По степени тренированности групп, можно наблюдать изменение параметров КА т.е. чем более тренированн организм к холоду, тем меньше изменяется КА. Более того, характер изменения параметров КА инвертируется (от увеличения S КА происходом для тренированных к уменьшению) но, что такая динамика КА может служить маркером тренированности, когда скорость изменения S для КА меняет знак (от v 0, т.е. Vi=2,2 у.е. и V2=l,72 у.е. мы приходим к Vi= -1,04 у.е., т.е. уменьшение S для КА). Динамика скоростных параметров изменения площадей (в виде изменения модуля и знака у v). Характеризует степень тренированности и детренированности к Холодовым воздействиям у групп испытуемых).
Так как распределения параметров КА треморограмм отличается от усеченного нормального, все данные представлены в виде медианы и интерпроцентильного размаха. Интерпроцентильный размах указывается в виде 5% и 95% процентилей.
Результаты статистической обработки данных динамики площадей квазиаттракторов параметров треморограмм (Z 10 6 у.е.) трех групп испытуемых, представленных медианами и процентилями (Me, 5% процентиль, 95% процентиль) до и после локального холодового воздействия
Согласно таблицам 33, 34 и рисункам 18, 19 необходимо отметить, что у первой и второй групп испытуемых наблюдается увеличение значений медиан после локального холодового воздействия. Так же можно наблюдать разницу значений медиан между первой и второй группами испытуемых как для площадей так и для объемов. В то время как третья группа испытуемых показала не существенную разницу между значениями медиан до и после локального холодового воздействия. Для площадей произошло небольшое уменьшение значений медиан, для объемов произошло небольшое увеличение. Такие результаты можно объяснить эффектом закаливания организма т.к. после локального холодового воздействия во второй группе значение медианы для площадей квазиаттракторов увеличивается в 1,68 раза тогда как в первой группе после локального холодового воздействия значение медианы квазиаттракторов увеличивается в 1,95 раза. Такая же динамика характерна и для объемов: в первой группе значения медианы после локального холодового воздействия увеличивается в 1,82 раза, тогда как во второй группе значения медианы после локального холодового воздействия увеличивается в 1,71 раза.
Используем новый метод расчета матриц парных сравнений для трех групп испытуемых до и после локального холодового воздействия. Результаты статистической проверки на нормальность распределения треморограмм показали по критерию Шапиро - Уилка, представленных в таблице 27. Из полученных результатов видно, что большинство выборок не параметрические, т.е. не описываются законом усеченного нормального распределения поэтому дальнейшие исследования производились методами непараметрической статистики. Для выявления различий параметров треморограмм использовался критерий Ньюмона - Кейлса.
Похожие диссертации на Стохастический подход в оценке хаотической динамики произвольных и непроизвольных движений человека
