Введение к работе
Актуальность работы. 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 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 (Е.В. Хаймович, А.Б. Скок, О.С. Шубина, 2004), антистрессовый тренинг, направленный на развитие умений контролировать собственные эмоции и соматическое напряжение (О.А. Джафарова, М.Б. Штарк, 2002; О.Ю. Лазарева и др., 2004) и т.д.
Анализ литературы свидетельствует о наличии двух классов игровых систем с БОС: однопараметрические и мультипараметрические.
Существенным недостатком однопараметрических систем, таких как тренажер «Ибис» (О.А. Джафарова, М.Б. Штарк, 2002; О.А. Вангревич, О.Г. Донская и др., 2004), 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 (Н.Б. Суворов, Н.Л. Фролова, 2002).
Эта проблема может быть решена путем применения систем с мультипараметрической 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» (А.В. Адамчук,
С.М. Захаров и др., 2002) и «Wild Divine» (официальный сайт компании «Wild Divine Project», 2001), 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 (Ф.А. Пятакович и др., 2007; К.Ф. Макконен и др., 2008; A.S. Novochenko, 2007). 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 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 (A.M. Лугова, 1999; Ф.А. Пятакович, С.Л. Загускин, Т.И. Якунченко, 2002).
В исследованиях, связанных с разработкой биотехнических систем цветостимуляции, 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 (Ф.А. Пятакович, Т.И. Якунченко, 2006).
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 мультипараметрического сигнала обратной связи в виде частоты пульса, дыхания, их соотношений и субсенсорных моделей цветостимуляции.
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 мультипараметрического игрового тренинга, основанного на фундаментальных принципах хронобиологии с использованием субсенсорной биоуправляемой цветостимуляции.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать структуру биотехнической системы тренинга, основанного на использовании сигналов мультипараметрической биологической обратной связи.
-
Разработать структуру устройства и алгоритм ввода электрофизиологической информации, позволяющие регистрировать и обрабатывать мультипараметрический сигнал в виде частоты пульса и дыхания, а также рассчитывать отношение частоты пульса к длительности дыхательного цикла в режиме реального времени.
-
Сформировать алгоритм определения успешности тренинга и управления динамикой игрового сюжета на основе отношения частоты пульса и дыхания.
-
Разработать модели и алгоритм биоуправляемой субсенсорной цветостимуляции для оптимизации игрового тренинга.
-
Сформировать алгоритм оценки эффективности проводимого тренинга.
-
Создать управляющую оболочку в виде программного средства технологии биоуправления в виртуальной игровой среде.
Объект исследования. Механизмы саморегуляции нервной системы человека.
Предмет исследования. Биотехническая система мультипараметрического 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 паттернам релаксации и активации временной упорядоченности пульса и позволяющие обеспечивать усиление холинергических и адренергических влияний;
алгоритм определения успешности тренинга и биоуправления виртуальным игровым сюжетом, отличающийся мультимедийным характером предъявления игровой информации, способствующий формированию стрессиндуцированного 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.
Предложенный метод тренинга позволяет производить индивидуализацию реабилитационного воздействия, поскольку реализует управление с учетом биологических ритмов пациента.
Осуществлена оптимизация игрового тренинга посредством хронобиологических 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 010500.62 Прикладная математика и информатика, а также в научно-исследовательскую работу кафедры пропедевтики внутренних болезней и клинических информационных технологий Белгородского государственного национального исследовательского университета.
