Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы анализа сигналов и моделирования процесса биоуправления 9
Глава 2. Материалы и методы 27
Глава 3. Дробно-линейная аппроксимация сигналов температурно-миографического тренинга по одному из мониторируемых показателей 33
Описание метода 34
Анализ экспериментальных траекторий 36
Некоторые статистические оценки 40
Поведение кросскорреляционных функций 42
Оценка времени "работы" испытуемых 44
Феноменологическая модель температурно миографического тренинга 49
Глава 4. Анализ сигналов температурно - миографического тренинга на плоскости 55
Идея метода картирования 56
Анализ экспериментальных траекторий 62
Динамика экстремумов в течении одного сеанса 69
Динамика плотности распределения по нескольким сеансам 73
Сравнение классификаций 79
Глава 5. Математические модели многопараметрического биоуправления 84
Описание модели 1 85
Оценка параметров модели по экспериментальным данным 88
Описание модели 2 - 94
Заключение 102
Основные выводы 107
Литература 108
- Проблемы анализа сигналов и моделирования процесса биоуправления
- Оценка времени "работы" испытуемых
- Динамика плотности распределения по нескольким сеансам
- Описание модели 2
Проблемы анализа сигналов и моделирования процесса биоуправления
Биоуправление (biofeedback) является, по мнению многих авторов, одним из наиболее перспективных направлений современной прикладной психофизиологии (Дж.Хэссет, 1981; J.P.Rosenfeld, 1990; N.E.Miller, 1992; В.В.Захарова соавт., 1993; K.M.Rice et al., 1993; I.Wickramasekera, 1998; J.M.Peterson, 2000), которое получило к настоящему моменту времени и международное признание (M.Schwartz, 1995; N.Mishima et al, 1995; N.Bierbaumer, 1997; S.Striefel, 2000a; T.Sokhadze, J.-H.Sohn, 2000 и др.). Нередко полагают, что биоуправление следует рассматривать как методологическую основу современной экспериментальной и клинической медицины (М.Б.Штарк, 1993, 1998, 1999, 2000; С.А.Бугаев, 1993; J.F.Lubar, 1995, 1997, 1999; J.P.Rosenfeld, 1990, 1997; J.P.Rosenfeld et. al., 1969, 1995, 1997; M.Schwartz, 1995).
В настоящее время нет ни одной теории, которая была бы универсально принята всеми исследователями и объясняла сущность клинического биоуправления. Трудность создания подобной универсальной теории объясняется неясностью концепций и, в частности, отсутствием достаточно четкого представления о том, что нужно считать целью биоуправления. Необходимо также отметить крайнюю неопределенность терминологии, используемой для описания феноменов биологической обратной связи (БОС). В руководстве M.Schwartz (М.Шварц, 1998; M.Schwartz, 1995) описывается несколько различных моделей биологической обратной связи.
А) Классическая модель биологической обратной связи. Данная модель предполагает, что информация о состоянии физиологической системы-мишени становится доступной пациенту, который получает возможность контролировать функционирование самой мишени. Можно предположить, что обострение восприятия самих симптомов и предшествующих им ощущений позволяет пациенту сформировать определенную стратегию поведения, пригодную для устранения или ослабления симптома нарушения функционирования. Традиционно эта модель биологической обратной связи применялась для объяснения наиболее классических видов биологической обратной связи, в первую очередь, - БОС по значениям электромиограммы и кожной температуры. В соответствии с этой теорией (моделью), пациент в процессе биологической обратной связи должен постоянно находится в состоянии активного бодрствования. Внимание пациента полностью сконцентрировано на отслеживании сигналов обратной связи.
Б) Когнитивная модель. Мысли пациента, его представления, мотивация, терапевтические ожидания, возникающие в процессе биологической обратной связи, приводят к изменению симптома.
В) Плацебо-модель. Такие компоненты БОС, как позитивные отношения с терапевтом и сформированные им ожидания являются неотделимой частью лечебного процесса и, следовательно, эффект собственно БОС-процедуры не отделим от плацебо-эффекта. Очевидно, что эта модель отчасти пересекается с когнитивной моделью. Однако, в рамках этой модели отрицается специфичность непосредственных эффектов процедуры БОС.
Г) Весьма любопытная точка зрения на процедуру биоуправления положена в основу четвертой модели, развиваемой в работах M.Schwartz (М.Шварца, 1998; M.Schwartz, 1995). В рамках модели предполагается, что пациент изначально способен оптимизировать свои физиологические функции и без помощи процедуры БОС, однако не знает, как это делать. В этом случае, сигналы обратной связи являются подкрепляющими и усиливающими факторами, способствующими обучению пациентов в требуемом направлении (Н.Н.Василевский с соавт., 1988; M.B.Sterman, 1989; A.J.Zolten, 1989; И.А.Святогор, 2000). Данная концепция является наиболее предпочтительной для всех тех, кто будет рассматривать систему биологической обратной связи с точки зрения восточных моделей медицины.
В процессе биоуправления происходит осознание единства и взаимосвязи когнитивных и физиологических процессов, что помогает вывести на осознаваемый уровень некоторые внутриличностные и межличностные конфликты. Это позволяет, по мнению M.Schwartz (1998), снижать уровень психо-эмоционального напряжения, тревоги на основе произвольного контроля физиологических процессов, сознательного регулирования внутреннего физиологического состояния и, наконец, усвоения такого поведения, которое будет предотвращать возникновение симптомов болезни.
В настоящее время биоуправление в целом рассматривается как некий определенный комплекс идей, методов и технологий, базирующихся на принципах БОС и направленных на развитие и совершенствование механизмов саморегуляции физиологических функций при различных патологических состояниях и в целях личностного роста (М.Б.Штарк с соавт., 1999). Оно создает уникальную возможность развития висцеральной самоперцепции (восприятие сигналов собственного организма, которые находятся ниже порогового уровня восприятия), сканирования и дифференцировки внутренних ощущений, а также способность понимать собственные эмоции, а, следовательно, и мотивы поведения (М.Б.Штарк, 1998).
Будущее применение биоуправления заключено в том, что оно открывает принципиально новые перспективы, которые невозможно достичь в любой другой методической среде. Как полагает I. Wickramasekera (1999), биоуправление будет способствовать уменьшению клинических симптомов у лиц, имеющих высокий антисуггестивный барьер. Биоуправление как поведенческая, т.е. обращенная к сущностным свойствам характера человека, новая технология, опирается на изменение микродинамики информационно -аналитических мозговых процессов, то есть нейродинамика остается доминирующей конструкцией, от успешности изменения которой зависит эффективность любого варианта биоуправления (М.Б.Штарк, В.Г.Тристан, 1999,2000).
Биоуправление может использоваться в процессе обучения и формирования новых навыков, благодаря возможному формированию ранее не существовавших связей и сетей, обеспечивающих приспособительный поведенческий опыт. Это будет способствовать появлению возможности количественной оценки «меры управляемости» (М.Б.Штарк, 1998), а, следовательно, и возможности оценить её у конкретного человека для суждения о профессиональной пригодности, например в спорте (Тристан, 1999, 2000).
В настоящее время исследованием возможностей применения биоуправления занимаются в 39 странах мира, в том числе в США, Японии, России и в некоторых странах Западной Европы. Особенно много работ появилось в области ЭЭГ-тренинга или нейробиоуправления (В.А.Астахов, И.В.Дмитриев, 1999; С.С.Бекшаев с соавт., 1998; Н.А.Бохан с соавт., 1999; А.А.Верещагина, Е.А.Кайданова, 1981; В.В.Гнездицкий, 2000; Н.В.Киреева с соавт., 2000; Э.А.Костандов , 1987; В.Г.Маркман с соавт., 1983; С.В.Пронин с соавт., 1998, 2002 а, б; М.Н.Русалова М.Н., 1998; М.Н.Русалова, И.Г.Калашникова, 2000; М.Н.Русалова, М.Б.Костюнина, 2000; И.А.Святогор, В.А.Куземкин, 1998; И.А.Святогор с соавт., 2000; А.А.Сметанкин, И.М.Габибов, 2000; С.И.Сороко, Т.Ж.Мусуралиев, 1995; С.И.Сороко с соавт., 1990, 1995; А.Л.Финкельберг, М.Б.Штарк, 1993; А.Н.Флейшман, В.А.Дьячков, 1993; О.С.Шубина с соавт., 2000; T.Brownback, L.Mason, 1999; T.H.Budzynski, 1999; J.V.Hardt, 1993 ; T.Janzen et al., 1995; B.Kotchoubey et al., 1999; R.Laibow, 1999; F.Lowe, 1999; S.L.Norris, M.Currieri, 1999; E.G.Peniston, P.J.Kulkosky, 1999; S.Striefel, 2000b; D. L.Trudeau, 2000; D.Walters, 1998). Расширяется и область применения биоуправления. Наряду со ставшими уже традиционными лечением головных болей (Ч.С.Адлер, Ш.М.Адлер, 1993; С.С.Павленко, 1997; L.Aloe et al. , 1994 ; J.G.Arena, 2000; M.Siniatchkin et al., 2000) и различных неврозов (А.Р.Аллахвердиев с соавт., 1995; А.А.Ивонин с соавт., 1999; С.П.Колядко с соавт., 1998; К.В.Константинов с соавт., 2000; О.Ю.Лазарева, О.Л.Гребнева, 2000; О.Ю.Лазарева, 2002; А.В.Муравьева, Н.С.Маляров, 2000; И.А.Святогор, 1988; Н.В.Черниговская, 1978; Н.В.Черниговская с соавт., 1981, 1993) широкое распространение получает применение биоуправления при подготовке спортсменов (А.В.Адамчук, А.А.Скоромохов, 1999; В.Н.Баранов, 2000; О.Н.Блюменталь, 2000; С.А.Бугаев с соавт., 1986; В.И.Геращенко с соавт., 2000; И.В.Дмитриев с соавт., 1999; А.Ю.Дятлова, 2000; А.А.Ивонин с соавт., 1999; С.Н.Кучкин, 1997; А.В.Соколов, А.М.Абрамов, 1991; И.Н.Солопов с соавт., 1999; В.Г.Тристан, 1994, 1999; В.Г.Тристан с соавт., 2000; В.Н Шемятенков., Н.Г.Молчанова, 2000).
В сущности, БОС-тренинг является комплексным процессом и "затрагивает" самые различные системы организма (А.И.Акопиан, И.А.Воронцова, 1995; Д.В.Бадажков с соавт., 1999; О.В.Богданов с соавт., 1990; О.Я.Боксер, 1994, 1999; О.В.Гришин с соавт., 1998, 2000; А.М.Зингерман с соавт., 1994; А.Г.Камчатов, Н.Н.Сентябрев, 2000; М.Н.Кисилева, О.Н.Вовк, 1998; М.А.Смирнов, 1999; А.Н.Флейшман, 1993; Р. Фрид, 1993; J.V.Basmajian, 1999; C.Chandler et al., 1999; K.Hiraki et al.1995; L.L.Jensen, 1999; M.Martinez-Pons et al., 1999; M.G.McKee, 1995; D.Moss, 1999; K.Tsuboi, 1995). При этом мониторируемые сигналы также являются в значительной мере "комплексными", что существенно затрудняет построение (с использованием имеющихся многочисленных экспериментальных данных) соответствующих математических моделей динамики процесса биоуправления. Именно поэтому особое значение в данной ситуации приобретает "предмодельный", статистический анализ сигналов БОС-тренинга, позволяющий выявить те или иные закономерности функционирования системы в специфических условиях тренинга.
Оценка времени "работы" испытуемых
Использование метода аппроксимации данных с помощью дробно-линейных функций позволяет решить еще одну важную проблему, связанную с оценкой распределения времени «активной» работы (и, соответственно, отдыха) испытуемых. Как показал анализ статистической информации (см. рисунки 3.5-3.8), законы распределения (Д.Тернер, 1976; Й.Бард, 1979; М.Мелник, 1983; С.А.Айвазян с соавт., 1983; В.Феллер, 19846) для температуры и миограммы качественно различаются. А именно, для значений температуры наиболее приемлемым является степенной закон (со смещением): если обозначить через ъ случайную величину, равную времени эффективной работы испытуемого по повышению температуры, через " - случайную величину со степенной плотностью распределения где Ь,т — const 0 - константы распределения, t - время, t О , то д = + а 5 где С1 - положительная константа. Выполнение данного закона означает, что если испытуемый «работает» над повышением значений температуры, то всегда существует некоторое минимальное значение времени (в данном случае это минимальное время равно а), в течение которого он может выполнять эту работу.
С другой стороны, анализ показывает, что для значений миограммы (для времени эффективной работы по снижению значений миограммы) более приемлемым является показательный закон (также с определенным смещением). Обозначим через Л случайную величину, равную времени эффективной работы испытуемого по снижению значений миограммы, через СО - случайную величину с плотностью распределения где А - константа распределения, Я 0 , то Т\ — СО -\- С Где С -некоторая положительная константа (величина смещения). Иными словами, эффективная работа испытуемого по снижению значений миограммы также может продолжаться некоторое определенное время (равное величине смещения), однако, распределение случайной составляющей интервала работы носит качественно иной характер.
Заметим, что значения величин смещения, естественно, различны для испытуемых и также могут характеризовать испытуемых с точки зрения их потенциальных возможностей обучения при проведении сеансов БОС-тренинга. Однако, проблема использования этих оценок заключается в том, что они могут быть получены (имеются в виду их достоверные значения) только после проведения достаточно большого числа сеансов. Важно отметить, что времена "отдыха" испытуемого как по температуре, так и по миограмме носят сходный характер, соответственно, удовлетворяют степенному и показательному законам. Это позволяет использовать законы (3.2) и (3.3) при моделировании процесса биоуправления, последовательно разыгрывая их на ЭВМ с помощью методов Монте-Карло (Решение краевых задач ..., 1980; Г.А.Михайлов, 1987; С.М.Ермаков, 1975) и получая значения длительностей интервалов работы и отдыха испытуемых по обоим мониторируемым показателям.
Также необходимо отметить, что формулы (3.2) и (3.3) имеют один важный недостаток - с положительной (правда, достаточно малой) вероятностью длительность интервалов может быть сколь угодно большой. Впрочем, несмотря на этот недостаток (очевидно, длительности интервалов всегда конечны), указанные формулы широко используются в различных областях естествознания и при этом весьма успешно. Например, при исследовании процессов массового обслуживания (Дж.Риордан, 1966; И.И.Гихман, А.В.Скороход, 1977; А.Т.Баруча-Рид, 1969; Д.Тернер, 1976), которые в свою очередь широко используются при моделировании функционирования различных подсистем организма человека.
Динамика плотности распределения по нескольким сеансам
На рис.4.7 представлены результаты по восстановлению плотности распределения по всем шести сеансам для одного из пациентов. Как видно из этого рисунка, уже в течение первого сеанса тренинга испытуемому удалось выработать вполне определенную стратегию - наблюдается значительное смещение максимума плотности распределения в сторону оптимального значения показателя по температуре. Значения миограммы при этом существенно не изменились. Во время второго сеанса испытуемому удалось сформировать плотность с двумя экстремумами, причем один из них близок по своим характеристикам к тому, который проявился в течение первого сеанса. Второй экстремум лежит в области оптимальных значений. Сходная картина прослеживается и в течение третьего сеанса, однако, один из экстремумов существенно ниже другого. Это может свидетельствовать о том, что навыки, приобретенные за первый сеанс, уступают место новым - наблюдается явное стремление к формированию единственного экстремума в области оптимальных значений. Именно это четко прослеживается на трех последних сеансах тренинга (рис.4.7).
Таким образом, можно констатировать, что в течение всех шести сеансов тренинга у испытуемого первоначально сформировалась одна стратегия поведения (по сути, однопараметрический тренинг), которая в дальнейшем проявлялась все меньше и меньше. Окончательно же сформировалась стратегия, которая является двухпараметрической.
Более сложная картина представлена на рис.4.8 по десяти сеансам тренинга другого испытуемого. Если в течение первого сеанса наблюдаются определенные попытки выработать какую-либо стратегию поведения (максимумы плотности располагаются как в области достаточно низких значений миограммы и довольно высоких значений температуры), то уже во втором сеансе сформировался максимум плотности в области неоптимальных значений показателей. Сходная структура плотности проявляется в третьем сеансе, однако, наблюдаются и попытки сформировать максимум в области высоких значений температуры.
Эти тенденции проявляются и дальше (4-10 сеансы тренинга).
Окончательного же формирования стратегии не наблюдается. Можно констатировать, что в основном в отдельных сеансах тренинга проявляется однопараметрический тренинг (по температуре). При этом каких-либо значительных снижений значений миограммы не наблюдается.
Характеризуя в целом все сеансы тренинга, можно утверждать, что в данном случае БОС-тренинг является неэффективным.
В приведенных ниже таблицах дана общая характеристика групп испытуемых (указаны общие данные по числу обследованных с тем или иным типом стратегии и соответствующее им число сеансов биоуправления - табл.1), а также представлены результаты статистической обработки некоторых показателей для выделенных групп испытуемых (однофакторный дисперсионный анализ с тестом Бонферрони для множественных попарных сравнений средних - табл.2-7).
Как видно из этих таблиц, среднее число интервалов работы и средняя длительность этих интервалов зависит от типа выработанной стратегии. Это прослеживается как при анализе данных по температуре (табл.2-3), так и по электромиограмме (табл.4-5), а также и при учете значений обоих показателей одновременно (табл.6-7).
Описание модели 2
Как уже отмечалось, математическое описание процесса БОС тренинга встречает серьезные трудности даже в относительно простой ситуации, когда мониторируется только один какой-либо показатель. При наличии нескольких показателей проблема описания процесса еще более усложняется, поскольку возникает необходимость в учете в рамках математической модели взаимозависимостей значений показателей (что далеко не всегда известно или даже исследовано экспериментально), а также в описании механизма "переключения" пациента с одной группы показателей на другую.
В данном разделе рассматривается модификация модели (5.1)-(5.3), отличием которой является то, что в процессе БОС-тренинга мониторируется только один показатель - температура концевой фаланги пальца кисти Q(t) (что характеризует периферическое сосудистое сопротивление), - и в процессе тренинга воздействие осуществляется только на величину Q(t).
Будем предполагать, что изменения величины Q(t) влияют на динамику текущего значения артериального давления P(t), а изменения величины стационарного уровня K(t) происходят лишь в том случае, когда P(t) отличается от K(t) в течение достаточно длительного времени Т. В наиболее простом ("линейном") варианте динамику величины K(t) можно описать с помощью следующего уравнения
Расслабление мышц сосудистой системы вызывает снижение сопротивления кровотоку, увеличение объемного кровотока и, как результат, приводит к снижению уровня АД и повышению температуры Q(t). Наоборот, рост сопротивления кровотоку вызывает подъем уровня АД и снижение температуры Q(t). Таким образом, собственно воздействие на рассматриваемую систему сказывается одновременно на динамике АД P(t) и динамике Q(t).
Обозначим через U(t) функцию, описывающую внешнее воздействие на динамику Q(t). В течение одного сеанса БОС-тренинга влияние U(t) носит периодический характер и в каждом периоде имеется как время активного воздействия на рассматриваемую систему, когда U(t) 0, так и время релаксации, когда U(t)=0. Естественно предположить, что в течение одного или нескольких сеансов БОС-тренинга величина активного воздействия на систему постоянна
Следует заметить, что предположение о постоянстве величины U , очевидно, не будет выполняться для достаточно большого числа сеансов БОС-тренинга и в результате обучения величина этого параметра может возрасти.
Также будем предполагать, что существует стационарный уровень Q для температуры Q(t) и при отсутствии каких-либо внешних воздействий на Q(t) любые отклонения от ее равновесного значения экспоненциально затухают. Таким образом, с учетом сделанных предположений динамику величины Q(t) в наиболее простом варианте можно описать уравнением: = a(P-K) + fi(Q -Q) + U(.t) (58) где а, Д 2 =const 0. Параметр а характеризует интенсивность процесса изменения температуры, обусловленное отклонением величины АД от стационарного значения. Величина Д равна интенсивности нормализации уровня температуры при возникновении каких-либо ее отклонений от стационарного значения. Представляется маловероятным, что эти величины могут изменяться при проведении сеансов БОС-тренинга. В то же время величина Q (как и величина С/ ) может меняться в зависимости от числа проведенных сеансов.
Относительно динамики уровня АД P(t) будем предполагать, что при отсутствии каких-либо внешних воздействий любые отклонения от стационарного значения K(t) асимптотически затухают. Если предположения о том, что рост АД вызывает рост периферического кровотока и соответствующее увеличение температуры пальца, представляется вполне оправданным (и это отражено в уравнении (5.6)), то обратное утверждение, по-видимому, неверно. Повышение температуры Q(t) (например, под воздействием каких-либо внешних источников) не вызывает снижения уровня АД. С другой стороны, воздействие U(t) вызывает снижение величины АД, но это снижение прямо пропорционально как U , так и величине отклонения Q(t) от ее стационарного значения. Причем, при отсутствии воздействия или при Q(t)=Q никакого влияния на динамику P(t) нет.
Параметр С соответствует интенсивности восстановления исходного стационарного уровня после отклонения P(t) от равновесного значения. Параметр г отражает уровень воздействия тренинга на скорость снижения АД: при одних и тех же значениях параметров системы увеличение г приводит к большей скорости снижения АД во время сеанса БОС-тренинга. С другой стороны, этот параметр отражает уровень эффективности проводимых сеансов тренинга: при г близком к нулю эта эффективность крайне низка; с ростом значения г (величина этого параметра изменяется в зависимости от числа проведенных сеансов БОС-тренинга) растет и эффективность тренинга.
Под воздействием сеансов БОС-тренинга изменяются как значения стационарного уровня АД K(t) (в соответствии с уравнением (5.4)), так и значения параметра С. Рост значений параметра С означает усиление действия саморегуляторных механизмов, направленных на стабилизацию значений АД, так и более быстрое установление стационарного уровня. Заметим, что по динамике значений параметра С также можно судить об эффективности проводимых сеансов БОС-тренинга.
Изменение значения С прямо пропорционально как длительности проводимых сеансов тренинга, так и величине отклонения Q(t) от равновесного значения Q . Причем, положительный эффект (увеличение значения С) достигается при отклонении Q(t) от Q в обе стороны. Таким образом, динамику величины С в наиболее простом случае можно описать с помощью следующего уравнения где giseonst 0. Параметр q отражает способность организма к обучению.
При q 0 сеансы БОС-тренинга имеют самую низкую эффективность вследствие невозможности обучить организм приемам и методам снижения уровня артериального давления.
Объединяя уравнения (5.6)-(5.10), получаем математическую модель, описывающую динамику показателей состояния кровотока под воздействием сеансов БОС-тренинга. Необходимо, отметить, что из всех переменных модели непрерывно мониторируемой является только SdV) ; величину \Ч можно экспериментально определять косвенным методом (например, вычисляя с помощью непрерывно регистрируемым временем распространения пульсовой волны). Значения K(t) „ С(0 можно оценивать, измеряя величину - (/) перед очередным сеансом БОС-тренинга.
