Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Реабилитация онкологических больных после операции полного удаления гортани 17
1.1 Речеобразующая система человека 17
1.1.1 Анатомия органов речеобразования 18
1.1.2 Теории фонации 20
1.1.3 Рефлекс фонации 22
1.2 Рак гортани и его лечение хирургическим путем 25
1.3 Проведение реабилитационных мероприятий 27
1.4. Классическая методика реабилитации 28
1.5 Оценка качества речевой реабилитации 34
1.6 Применение метода биоуправления с использованием биологической обратной связи в процессе речевой реабилитации 36
1.7 Формирование требований к реабилитационному комплексу 41
1.8 Постановка задачи исследования 43
1.9 Выводы по главе 43
Глава 2. Структура и алгоритмы системы речевой реабилитации больных после операции полного удаления гортани 45
2.1 Этапы БОС-тренировок 46
2.2 Связь объективных и субъективных оценок качества пищеводного голоса 51
2.3 Требования к измерению параметров пищеводного голоса 56
2.4 Выводы по главе 60
Глава 3. Измерение параметров пищеводного голоса 61
3.1 Требования к структуре измерительной подсистемы автоматизированного комплекса 62
3.2 Особенности анализа спектра пищеводного голоса 64
3.3 Построение рекурсивных фильтров 71
3.4 Децимация входной последовательности 81
3.5 Измерение частоты основного тона 85
3.6 Оценка погрешностей измерения частоты основного тона. 89
3.6 Выводы по главе 99
Глава 4. Реализация реабилитационного комплекса 100
4.1 Структура реабилитационного комплекса 100
4.2 Подсистема формирования положительного подкрепления 104
4.3 Подсистема анализа речи реабилитационного комплекса 109
4.4 База данных реабилитационного комплекса 112
4.5 Тестирование комплекса, проверка производительности 115
4.6 Методика речевой реабилитации на основе БОС-тренировки 116
4.7 Проверка результативности БОС-метода на голосах здоровых людей 117
4.8 Внедрение реабилитационного комплекса в НИИ онкологии СО РАМН 118
4.8 Результаты речевой реабилитации с использованием реабилитационного комплекса 120
4.9 Применение количественной оценки параметров пищеводного голоса 121
4.10 Выводы по главе 122
Заключение 123
Литература 125
- Рак гортани и его лечение хирургическим путем
- Этапы БОС-тренировок
- Требования к структуре измерительной подсистемы автоматизированного комплекса
- Структура реабилитационного комплекса
Введение к работе
Применение современных технологий и электронной техники в медицине в настоящее время, скорее правило, чем исключение. Введение во врачебную практику электронных устройств повышает точность анализов, позволяет врачу получить своевременную обратную связь при различных методах лечения, в том числе и хирургических операциях[57]. Технические средства расширяют как качество взаимодействия врача и пациента, так и повышают производительность врача, работающего с определенной группой однотипных заболеваний. Хотя массовое применение техники и не стало первой стадией серьезного повышения производительности медиков (первое относится, по видимому, к вводу узкой специализацией врачей и создании современной поликлиники), но позволило поднять врачебный «конвейер» на уровень недостижимый никогда ранее.
Список медицинской электроники на сегодня кажется почти бесконечным и полностью доступен, наверное, только специалистам по медицинской электронике. Он начинается с простых устройств измерения давления и пульса, продолжается устройствами для определения силы зрения и для искусственного поддерживания сердца и легких в рабочем состоянии и заканчивается такими «монстрами» вычислительной техники, как электронные томографы. Как правило, современные медицинские устройства являются цифровыми, что позволяет изменять топологию вычислительного комплекса без смены «железа» — датчиков и систем отображения информации (СОИ), так как «железо» совершенствуется не один десяток лет.
Наиболее гибким ядром медицинской системы, по-видимому, следует признать ЭВМ общего назначения (или персональный компьютер) с электронными платами сопряжения с измерительной аппаратурой и устройствами отображения информации. Вообще, кроме ЭВМ общего назначения, как правило, есть возможность перепрограммировать и специализированные ЭВМ, но это сопряжено с трудностями изучения десятков специализированных ЭВМ, которыми обладает современный врач.
5 В шестидесятые годы XX века начал развиваться особый метод лечения
различных заболеваний, имеющий существенные отличия от классической
схемы «пациент»-«измерительный прибор»-«врач»-«лечебная процедура»-
«пациент». В данном методе фактически отсутствует элемент «врач» и
частично отсутствует элемент «лечебная процедура». Это метод
биоуправления с использованием биологической обратной связи (БОС)[21].
Биоуправление с использованием биологической обратной связи одна из самых молодых и бурно развивающихся научных дисциплин. Первые представления об обратной связи (ОС), как о базисном механизме функционирования биологических организмов, зародились в конце 19 века. Работы Ухтомского А.А., Бернштейна Н.А., Анохина П.К. об афферентной регуляции, опубликованные в 20-30 годах XX века, продемонстрировали наличие ОС («сенсорная коррекция», «обратная афферентация») в любом проявлении жизнедеятельности сложного биообъекта[2].
Общую известность понятие обратной связи приобрело в 1948 году, после выхода книги Н. Винера «Кибернетика» [27]. Самое общее определение: ОС — это информация, которая в работающей системе связывает выход с входом, обеспечивая тем самым контроль и необходимую коррекцию входного сигнала.
Идея обучения человека управлением своим состоянием принадлежит Запорожцеву А.В.[57], который на основании убедительных данных показал, что прежде чем стать управляемой, функция должна стать ощущаемой (по своим прямым или косвенным признакам).
В конце 70-х годов было высказано предположение, что функции автономной нервной системы так же, как и центральной нервной системы, и их внешние выражения могут быть модифицированы условным подкреплением при наличии внешней обратной связи. Schwartz В. (1979) и позднее Leisman (1989) [57] рассматривали процесс с точки зрения кибернетики и пришли к выводу, что величина и характер изменчивости поведения — результат синтеза новых внешних (искусственных) и внутренних обратных связей.
Биологическая обратная связь — это метод прямого обучения центральной и/или вегетативной нервной систем с целью нормализации их деятельности [20,35]. БОС метод реализует обратные связи, которые замыкаются непосредственно на человека. В этом случае человек в буквальном смысле получает возможность видеть и слышать такие свои физиологические процессы как, электрическая активность мышц, электрическая активность мозга, температура и электропроводность кожи, частота сердечных сокращений, величина кровотока в различных органах и др. Благодаря БОС появляется возможность имплицитного или условно-рефлекторного обучения (то есть обучения без участия сознания), в результате чего можно целенаправленно изменить в благоприятную сторону функционирование регуляторных систем организма[21,57, 86, 87, 88].
Преимущества БОС метода требуют особого внимания. Во-первых, этот метод неспецифичен в отношении диагноза, то есть позволяет работать не с отдельными заболеваниями, а с основными типами дисфункций регуляторных систем организма — нервной (центральной, периферической, вегетативной), иммунной и гуморальной. Следствием этого является то, что практически любое неинфекционное и нехирургическое расстройство может быть скорректировано БОС-методом. Более того, в последнее время проводятся эксперименты, в которых организм можно настроить на активную борьбу с инфекцией, либо на скорейшую ликвидацию результатов хирургического вмешательства. Наиболее показательным следует считать эксперимент, при котором человек видел на экране электрическую активность мозга и учился ей управлять. После чего даже не выспавшийся человек мог моделировать активность мозга только вставшего, выспавшегося человека. При удачной подстройке, человек действительно чувствовал себя, как будто спал целую ночь. При таком взгляде в новом свете предстают восточные философии, в которых декларируется торжество духа над телом. Если человек когда-нибудь сможет научиться существенно влиять на некоторые процессы в своем организме с помощью БОС-методов, то несущественными покажутся даже умения йогов останавливать работу сердца (опыты по замедлению работы сердца описаны в [121, 88]).
7 Наряду с впечатляющими достижениями, которые рождаются на стыке
биологии и техники особенно ярко выглядят наши больницы, в большинстве
которых работа ведется «по старинке» при существенном недостатке
эффективных медицинских препаратов. Бедное оснащение отечественной
медицины электроникой в целом широко известно. Дело в том, что
существенное отставание от индустриально-развитых стран в области
электроники приводит к необходимости покупать дорогую технику за
границей. Отечественные аналоги разрабатываются, но стоят достаточно
дорого, так как выполняются с применением импортной элементной базы.
Ситуация существенно меняется, когда у нас в стране реализуются свои же
разработки. В этом случае зарубежных аналогов нет и мы сами становимся
экспортерами медицинской технологии. Особенно это относится к системам,
имеющим в своей основе персональный компьютер, что позволяет внедрять
разработки, практически не вкладывая материальных средств, а продавать
только интеллектуальную собственность.
Особой статьей в медицине всегда стоит онкология. Онкологические проблемы за XX век стали приоритетными в медицине [30,3 6], и эти приоритеты закреплены в разнообразных медицинских правительственных программах[83]. Учитывая то, что заболеть онкологическим заболеванием может каждый независимо от возраста и условий жизни, приобретает особую важность задача вылечить этих людей. Хоть онкологическое лечения является одним из самых дорогих медицинских процессов, государство и медики идут на эти расходы, пытаясь спасти каждого больного. Иногда, единственным способом лечения является хирургическое вмешательство. После успешной операции больной зачастую становится инвалидом. В этом случае требуются реабилитационные мероприятия, которые вернут человека к нормальной жизни. Особое место среди последствий операций отводится потеря речи при операциях на гортани.
Актуальность темы диссертации.
Рак гортани представляет собой сравнительно частое заболевание среди злокачественных опухолей[83]. Хирургические вмешательства по поводу рака гортани стали производиться в конце XIX века. В 1873 г. Т. Бильрот
8 произвел первое тотальное удаление гортани (ларинготомия). Впервые
резекция гортани произведена в Садне в 1863 г. П.Я. Мультановский (через
несколько месяцев после Т. Бильрота), а 7 мая 1875 г. Н.В. Склифосовский
произвел резекцию гортани.
Устраняя новообразование, операция полного удаления гортани вместе с тем нарушает функцию дыхания (трахея разобщается с глоткой, а дыхание происходит через трахеостому) и лишает больного голоса при сохранении артикуляционного аппарата и нейрофизиологических механизмов речи. Таким образом, больной, после полного удаления гортани представляет собой инвалида, неспособного к трудовой деятельности. Вопрос о возможности восстановления голоса у лиц перенесших ларингэтомию обсуждался в конце XIX века J. Реге11о[97]. А.Ф. Иванов в 1910 году отмечал, что завершающим этапом после полного удаления гортани является «проведение специального обучения в раннем послеоперационном периоде», так как «речь ларингэтомированных может быть доведена до высокой степени совершенства и близко приближаться к нормальной»[71]. В настоящее время процесс речевой реабилитации является обязательным этапом лечения онкологических больных.
Следует отметить, что создание пищеводного голоса является не единственным способом восстановления речи. Кроме создания пищеводного голоса используют голосовые протезы и голосообразующие аппараты[50,83]. При применении протезов трахею и глотку соединяют искусственным приспособлением — протезом, который направляет поток воздуха из легких в речеобразующий тракт через трахеопищеводный шунт и модулирует этот поток, имитируя работу голосовых складок. Во время фонации при помощи протеза пациенты вынуждены закрывать трахеостому платком или марлей, что неизбежно ведет к обнаружению хирургического вмешательства посторонними лицами. Другими недостатками этого способа являются медицинские противопоказания для установки шунта, высокая стоимость, быстрая (около 3-х лет) изнашиваемость протеза, а так же слабая степень управления частотой основного тона.
9 Использование разнообразных голособразующих аппаратов основано на
двух основных способах. Первый состоит в том, чтобы вдувать поток воздуха
в полость рта, который с помощью специального приспособления и
посредством артикуляции преобразуется в звучную речь. Во время разговора
трубку аппарата постоянно держат во рту. Второй способ — создание
вибрации в воздушном столбе глотки, которые по нормальному механизму
речеобразования преобразуются в звучную речь [83]. Недостатками
голосообразующих аппаратов является монотонный, лишенный интонаций
голос с металлическим оттенком.
Хирургические операции на гортани включают в себя полное удаление или частичную резекцию. При полном удалении гортани трахею выводят на переднюю стенку горла, а пищевод отсоединяют от трахеи. В результате больной теряет естественный механизм речеобразования, что приводит к полной потере речи, и, как следствие, инвалидности. Кроме физического разрыва связи между легкими и речеобразующим трактом, так же нарушается множество рефлексов, связанных с устройством гортани, такими как кашель, сморкание и др.
Наряду с анатомическими отличиями при формировании пищеводной речи, врачам приходится иметь дело с неработающими рефлексами и психологическими проблемами. Особо важны психологические последствия операции, так как потеря речи и наличии трахеостомы является сильнейшими психотравмирующими факторами. Поэтому совершенствование методики речевой реабилитации является сегодня актуальной задачей.
Актуальность совершенствования методики реабилитации объясняется психотравмирующими, социальными и экономическими факторами, с которыми сталкивается больной [30].
К психотравмирующим факторам относятся: факт онкологического заболевания, хирургическое лечение с нарушением привычного облика (трахеостома), дыхание через трахеостому, потеря речи, инвалидность.
К социальным факторам следует отнести потерю привычного способа общения и, как следствие, изменение привычного круга общения, выключение из привычных коллективов.
10 Немаловажную роль в проблеме играет и экономическая сторона. Ведь
без речевой реабилитации человек становится инвалидом и лишается
возможности нормальной трудовой деятельности. Это тяжело сказывается на
материальном положении семьи и родственников. Проблема усугубляется
тем, что большинство больных (около 60%) являются мужчины в возрасте от
30 до 60 лет, то есть самая трудоспособная часть населения. На государство,
а значит и на население ложится налоговое бремя выплаты пенсии по
инвалидности. Поэтому возможностью реабилитации больных интересуются
и государственные чиновники. Работа по усовершенствованию
реабилитационных мероприятий получила государственный грант в 2004
году. Государственные чиновники высоко оценили усилия, направленные на
повышение качества жизни онкологических больных, при помощи речевой
реабилитации. В экономическом обосновании при подаче заявки на грант
приводились такие цифры: уменьшение сроков речевой реабилитации всего
на две недели для каждого больного давало экономию в 500 тысяч рублей в
год только для НИИ Онкологии СО РАМН в городе Томске.
Успешная реабилитация позволяет больному вернуться в привычную социальную среду, к нормальной трудовой деятельности, убрать или сильно уменьшить психотравмирующие послеоперационные факторы [30].
Исследования, проведенные в 2001 году д.т.н. проф. Бондаренко и к.т.н. Коцубинским В.П. [5,9,10,11,14,15] при участии д.б.н. В.П.Балацкой Л.Н., д.м.н. Кицманюк З.Д., в области математического моделирования пищеводного голоса позволили выработать новые подходы к речевой реабилитации. По данным этих исследований речевая реабилитация дает возможность вернуть к прежнему социальному статусу 67,6% пациентов после ларингэктомии, 78,2% - после резекции гортани, 86,9% после органо-сохранных операций органов полости и ротового отдела глотки, 98% - с парезами и параличами гортани. На основании математического моделирования, проведенного Коцубинским В.П., стало ясно, какими параметрами мы можем управлять, и как это управление отразится на формируемом голосе.
Однако до сих пор осталась открытой проблема претворения в жизнь полученных теоретических результатов, выбора методики обучения, контроля качества обучения, внедрения методики в онкологические учреждения. Сведение в единую систему данных, полученных к сегодняшнему времени, современных технологий обучения совместно с высокопроизводительной аппаратной частью позволит серьезно улучшить и облегчить процесс речевой реабилитации больных, и будет способствовать скорейшему возвращению пациентов к трудовой деятельности. Особое значение имеет выработка хорошего произношения гласных и звонких согласных звуков, так как более 60-70% (по времени) речевого сигнала формируется с участием голоса. Гласные и звонкие звуки определяют естественность и узнаваемость речи [23], и поэтому очень важно, чтобы реабилитируемые больные овладели звучной речью в полном объеме. Это определяет актуальность диссертационной работы и задает направление дальнейших исследований в области речевой реабилитации онкологических больных.
Еще одна проблема, нуждающаяся в рассмотрении — это отсутствие объективных критериев оценки хода голосовой реабилитации и полученного результата. Существуют экспертные субъективные методы оценки, однако на основании них не удается построить автоматизированную оценку систему реабилитации. Поэтому важно выработать наряду с субъективной оценкой и некоторую объективную, основанную на параметрах речевого сигнала. Вместе с тем от субъективной оценки отказываться рано, так как она включает оценку голоса экспертом-логопедом и отражает восприятие сформированного голоса в социальной среде. Соответствующая объективная оценка включала бы в себя огромное количество физических, акустических и психоакустических параметров. В связи со сложностью проблемы, которая описана в [46,47,69,74,75,77] и до сих пор не решена, данная проблема не рассматривается в полном объеме в данной работе. Стоит задача лишь разработать объективную систему оценок, с помощью которой можно управлять параметрами пищеводного голоса, наиболее сильно влияющих на
12 субъективную оценку (частота основного тона ее нестабильность в течении
звонкой фонемы и др.).
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является
организация управления процессом речевой реабилитации, с помощью
автоматизированной системы обучения на основе биологической обратной
связи и выработка методики обучения онкологических больных
пищеводному голосу. Для достижения поставленной цели в диссертационной
работе были сформулированы следующие задачи:
провести исследования по применению методов БОС к задаче выработки пищеводного голоса;
Исследовать количественные параметры речевого сигнала, характеризующие отличие патологически измененного голоса от нормального, и создать инструментальную среду для исследования этих параметров;
определить структуру технических и программных средств для организации автоматизированного управления процессом речевой реабилитации с использованием БОС;
провести апробацию созданных средств; результаты внедрить в методику обучения онкологических больных на основе созданных средств.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются системный анализ, теория управления, методы теории восприятия и разборчивости речи, преобразование Фурье, теория цифровой фильтрации сигналов.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:
Развитие БОС-методики для речевой реабилитации онкологических больных после операции полного удаления гортани;
Методика оценки качества пищеводного голоса на основе предложенных количественных шкал;
Методика и алгоритмы БОС-тренировок параметров пищеводного голоса.
13 Тезисы, выносимые на защиту.
методика обучения пищеводному голосу с использованием биоуправления на основе биологической обратной связи, позволяющая целенаправленно тренировать параметры пищеводного голоса;
система количественных оценок качества пищеводного голоса, расширяющая существующую субъективную систему оценок и позволяющая
^ совершенствовать методику реабилитации;
автоматизированный комплекс, обеспечивающий БОС - тренировку
пищеводного голоса на основе количественных оценок качества
патологически измененной речи.
Практическая ценность работы.
Разработанная система позволяет логопеду проводить БОС тренировки онкологических больных с целью создания качественного пищеводного голоса (псевдоголоса).
база данных пациентов позволяет логопеду проводить оценку результатов реабилитации, проводить классификацию пациентов и вырабатывать оптимальные траектории тренировок;
алгоритм автоматизированного выделения частоты основного, позволяющий измерять частоту основного тона в слитном речевом сигнале, нормальном и патологически измененном;
^ алгоритм вычисления динамического спектра с помощью системы
рекурсивных цифровых фильтров, позволяет в режиме реального времени с затратами, меньшими, чем требует быстрое преобразование Фурье, проводить спектральный анализ речевого сигнала в процессе речевой реабилитации.
Достоверность. Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается:
результатами численных экспериментов по оценке метрологических характеристик автоматизированного комплекса;
14 качественным и количественным сопоставлением результатов БОС-
тренировок с результатами традиционной методики восстановления звучной
речи, использующейся в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.
Реализация результатов работы. Применение биоуправления с БОС в области восстановления звучной речи, вместе с созданием нового компенсаторного органа применяется впервые. Методика БОС-тренировки и автоматизированный комплекс используется в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН. По результатам работы оформлен патент № МПК7: A61N2/00. "Способ восстановления звучной речи у больных после полного удаления гортани." Теоретические результаты работы используются в учебном процессе факультета электронной техники кафедры промышленной электроники ТУ СУР для студентов специальности 210106 «Промышленная электроника». Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами внедрения.
Личный вклад автора.
Лично автором разработана методика количественной оценки качества пищеводного голоса, а так же автоматизированный комплекс речевой реабилитации. Программа автоматизированного синтеза цифровых рекурсивных фильтров без нулей была создана студентом ТУСУР Прокудиным В.Н. в рамках дипломного проекта под руководством автора. Методика реабилитации с использованием автоматизированного комплекса была создана в ходе сотрудничества автора под руководством д.т.н. профессора Бондаренко В.П. и сотрудников НИИ онкологии в частности Красавиной Е.А. под руководством д.б.н. Балацкой Л.Н.
Апробация результатов работы. Апробация результатов проводилась
на базе НИИ онкологии СО ТНЦ СО РАМН. Материалы диссертации
докладывались и обсуждались на международной конференции
«Электронные средства и системы управления» в 2004г (г. Томск), на
международной конференции «Речь и компьютер» SPECOM'2004 (г. Санкт-
Петербург), на международной конференции "Информационные технологии
в образовании, технике и медицине" в 2004т (г. Волгоград). Комплекс и
методика речевой реабилитации онкологических больных
демонстрировались на выставке "Интеграция-2004", а так же получили
диплом конкурса "Сибирские Афины" в 2005г.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 11 работ, из них 10 статей (в том числе 1 в центральной печати и 3 на английском языке) и одни тезисы доклада.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 138 страницу, 49 иллюстраций, 17 таблиц. Список литературы содержит 121 наименование.
Содержание работы.
Во введении приводится обоснование актуальности темы, формулируется цель работы, указывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, описывается основное содержание работы.
В первой главе описывается анатомия органов речеобразования, рефлекс фонации, а так же даны представления о современных теориях фонации. Далее, описывается операция полного удаления гортани и ее анатомические последствия. Дан перечень изменения, вносимых операцией в работу рефлексов. После этого, описывается классическая методика реабилитации и шкала субъективных оценок, применяющаяся на сегодняшний день. Далее описываются принципы биоуправления с использованием биологической обратной связи, а также формируется обобщенная структура реабилитационного комплекса. Завершается глава формированием требований ко всей реабилитационной системе, ставятся задачи исследования.
Во второй главе описывается структура БОС-тренировок, а так же алгоритм, лежащий в их основе. Во-первых, описано разбиение реабилитационного процесса на три этапа: наработка звука пищеводного голоса, увеличение длительности фонации, тренировка частоты основного тона. Определяются признаки пищеводного голоса. По этим признакам
выделяются отличия, характерные для фонации пищеводным голосом с образованием пищеводного пузыря, от фонации без образования пищеводного пузыря. Дается оценка требуемой погрешности измерения параметров пищеводного голоса, необходимые для проведения БОС-тренировок. Описывается структура БОС-тренировок для каждого этапа, а так же даются алгоритмы, лежащие в их основе. Производится выбор визуализации положительного подкрепления. Дается система объективных оценок качества пищеводного голоса.
В третьей главе дан обзор проблем, возникающих при анализе речевого сигнала. Описаны низкоуровневые процедуры обработки речевого сигнала, такие как построение гребенки рекурсивных фильтров, частотная децимация входной последовательности, нахождение частоты основного тона по частотному представлению.
В четвертой главе рассмотрена реализация интерфейса логопеда, дана структура базы данных. Проводится оценка производительности вычислительных процедур, реализующих разработанные методики и алгоритмы. Описаны результаты тестирования комплекса, позволяющие оценить реальную производительность. Рассмотрена разработанная методика реабилитации, а так же ее внедрение в клиническую практику. Даны оценки результатов применения комплекса к речевой реабилитации онкологических больных.
В заключении делаются выводы о проделанной работе.
Рак гортани и его лечение хирургическим путем
Хирургическая операция отнюдь не является единственной альтернативой для онкологических больных с раком гортани. В [83] приводятся следующие данные. При I стадии заболевания клиническое излечение без рецидивов и метастазов продолжительностью более 5 лет достигается у 83 - 95 % больных после проведенного лучевого лечения (при хирургическом и комбинированном лечении — 100%), при II стадии у 70-76%. Однако в настоящее время 70% больных начинают лечение в III, а 10% — в IV стадии заболевания. Причины подобного положения вещей в бессимптомном течении заболевания, недостаточной онкологической настороженности врачей поликлинического звена и отсутствие должной преемственности в обследовании больных. Поэтому, хирургическая операция зачастую является единственным методом избавления пациента от раковой опухоли (может входить как этап в комбинированный метод лечения).
В ряде случаев может быть проведена органосохраняющая операция резекции гортани. В этом случае тоже проводят речевую реабилитацию, но она принципиально отличается от реабилитации больных с полным удалением гортани, так как сохраняется привычный механизм фонации. Рассмотрим изменения, вносимые в речеобразующую систему человека, операцией полного удаления гортани. Изменения, вносимые в речеобразующую систему человека, операцией полного удаления гортани. Во-первых, самым важным результатом операции является удаление опухоли в области гортани. Изменения носят, как чисто анатомический, так и рефлекторный характер. Анатомические изменения: Удаляется основной модулирующий орган речеобразования — гортань (Рисунок 1.1 б). Физически разрывается связь между легкими и речеобразующем трактом. Трахея выводится на переднюю стенку горла, что позволяет больному дышать (Рисунок 1.1 б), но не обеспечивает поступление воздуха в речеобразующий тракт. Отверстие на передней стенке горла называется трахеостома. Рефлекторные изменения: На уровне контуров непосредственного управления мышцами гортани центральная нервная система теряет все связи на уровне 2 (Рисунок 3) На уровне центральной нервной системы разрывается речевой круг в центре Вернике. Центр Брока не обладает более способами генерации речи. На основании перечисленных причин выделим основные следствия: Потерян рефлекс фонации (нет единого акта за счет отсутствия гортани и избыточно давления). Сохранен рефлекс артикуляции, который все же терпит ущерб за счет разрыва местных обратных связей в области гортани. В случае справедливости моторной теории, центр Вернике (управляющий восприятием чужой и своей речи) не готов к фонации пищеводным голосом за счет отсутствия внутренней ассоциации признака звонкого звука и фонацией сужением пищевода. Следует отметить, что при хирургическом вмешательстве остается незатронутым послегортанный отдел речеобразующего тракта, что дает возможность как речевой реабилитации с созданием пищеводного голоса, так и протезирование. При протезировании создается трахеопищеводный шунт, который вновь связывает легкие с трахеей, а роль модулятора давления берет на себя голосовой протез. Такая методика имеет наряду с преимуществами и ряд недостатков, а ее рассмотрение выходит за рамки данной работы. Кроме требуемого пищеводного псевдоголоса могут создаваться и нежелательные типы голоса. К ним относится фарингиальный голос с фонацией без какого-либо нового физиологического образования только при наличии утрированной артикуляции и сближения мягкого неба с задней стенкой глотки при резком подъеме корня языка. Формирование такого типа голоса нежелательно, так как при помощи фарингиальной речи удается произносить лишь несколько звуков за один раз (объем для создания избыточного давления очень мал). Так же может образоваться не описанный в отечественной литературе голос, когда источник возбуждения речеобразующего тракта находится в трахее (шум трахеостомы, свисты и шум мокроты) и не имеет прямой связи с речеобразующим трактом. Возбуждение происходит за счет энергии легких. Так как в трахее нет мышц, то энергия расходуется в основном апериодично, а голос плохо понятен (еще и потому, что есть прямой канал распространения шума, минуя речеобразующий тракт). Задача постановки правильного рефлекса до сих пор не решена в общем виде, что открывает широкие горизонты специалистам, работающим в области нейротехнологий. Задачей реабилитации является создание нового компенсаторного фонационного органа, при сохранности артикуляционного органа и нейрофизиологических механизмов. При выработке пищеводного голоса формируется новый условный рефлекс, основанный на нескольких принципиальных моментах. Во-первых, в пищеводе образуется воздушный пузырь, в котором создается избыточное давление, являющееся эквивалентом избыточного давления в легких при образовании нормальной речи. Объем воздушного пузыря составляет около 150-200 см , то есть на один-два порядка меньше объема легких. Создание этого пузыря является первоочередной задачей первого этапа реабилитации. Во-вторых, образование на уровне V - VI шейных позвонков [83, 71] псевдоголосовой щели в I физиологическом сужении пищевода и выработке ее произвольного смыкания, что служит основой появления пищеводного голоса. Псевдоголосовая щель имеет существенные отличия от голосовых складок. Во-первых, пищевод обладает гораздо меньшим набором мышц, по сравнению с гортанью, что приводит к значительному уменьшению выразительности пищеводного голоса. Во-вторых, масса стенок пищевода больше массы голосовых складок, что приводит к существенному падению частоты основного тона (до 40Гц и ниже). Несмотря на эти отличия, после появления звука пищеводного голоса центр Брока вновь включается в речевой круг, получая способ ассоциации построенной внутри фонемы и артикуляционных признаков, главным из которых является признак звонкого звука, генерируемого с помощью пищевода.
Этапы БОС-тренировок
В данной главе описан процесс создания пищеводного голоса после операции полного удаления гортани. Описана анатомия речеобразующего тракта здорового человека и перенесшего операцию полного удаления гортани. Приведены основные анатомические данные, описана генерация речи при помощи голосовых связок. Описаны основные физиологические, акустические и механические параметры легких, бронхов, трахеи, гортани, голосовых складок.
Описана операция полного удаления гортани и социальные, психологические и экономические последствия этой операции. Обоснована актуальность проблемы реабилитации больных, перенесших хирургическое лечение рака гортани. Рассмотрены изменения в речеобразующем тракте, вызванные операцией. Описана анатомия речеобразующего тракта больного после операции полного удаления гортани. Описаны физиологические, акустические и механические параметры компенсаторных органов: воздушного пузыря и псевдоголосовой щели. Рассмотрены рефлекторные связи при нормальном голосообразовании и пищеводном голосе. Описан фарингиальный голос. Проанализирована существующая методика реабилитации больных, применяемая в НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН. Составлена структурная схема реабилитационных мероприятий. Рассмотрены основы функционирования систем биоуправления с использованием биологической обратной связи (БОС). Приведены структурные схемы этапов тренировки пищеводного голоса. Определено место автоматизированного комплекса для проведения речевой реабилитации онкологических больных после операции полного удаления гортани. Выявлена структура, сформированы требования к реализации каждого блока структурной схемы реабилитационного комплекса. Выявлены и оценены возможные источники ошибок при работе с сигналом псевдоголоса, проведена оценка погрешностей. Рассмотрена система оценок реабилитационных мероприятий. Предложена система оценок, основанная на объективных параметрах и уточнение имеющейся субъективной оценки. Эта система оценок должна дать возможность управлять процессом создания пищеводного голоса, а так же позволит производить более точную классификацию реабилитированных больных.
Поставлены задачи научных исследований. Результатом исследований должна стать разработка и внедрение методики обучения онкологических больных пищеводной речи, после операции полного удаления гортани, основанная на объективной оценке параметров речи и методе управления данными параметрами на основании биологической обратной связи. Глава 2. Структура и алгоритмы системы речевой реабилитации больных после операции полного удаления гортани
Системы с биологической обратной связью разрабатываются более полувека. Даже работы Павлова с условными рефлексами часто относят к работам, относящимся к БОС методу. Рїх эффективность базируется на том, что в основе БОС лежит привычный для организма механизм формирования условных рефлексов. С точки зрения технической системы процесс выглядит следующим образом. В человеческом организме собирается громадное количество информации о состоянии человека. Эта информация заводится через сложную систему обратных связей на действующие элементы (мышцы, железы и т.д.) с тем, чтобы поддерживать некое оптимальное состояние системы. Существует сложная система с регуляцией по возмущениям. Ее действие опирается на систему врожденных или безусловных рефлексов и систему условных рефлексов, выработанных в процессе жизнедеятельности [72,73,78,96,119]. В организме есть адаптивные программы, направленные не только на обеспечение полнофункционального организма, но и способы, обеспечивающие выживание организма с учетом потери части функций. Адаптивные механизмы позволяю использовать технические системы во взаимодействии с биологическими системами. База механизмов компенсации — это образование новых связей, способов выполнения организмом своих функций.
С точки зрения теории автоуправления [52,56] здесь происходят два процесса. Первый — это перераспределение весов обратных связей. С помощью данного процесса организм пытается компенсировать полную или частичную потерю поврежденных каналов восприятия или управления. Второй процесс, происходящий при компенсации потерянной функции — это выработка принципиально новых обратных связей, ранее либо не существовавших, либо не учувствовавших в процессе управления. При речевой реабилитации пациентов, после операции полного удаления гортани, требуется формирование новых условных рефлексов. Орган фонации потерян (удалена гортань), нервы, участвующие в процессе фонации уже ничем не управляют, речи нет. Тем не менее, компенсаторный механизм существует и задача врачей и логопедов — помочь больному этот механизм запустить, то есть максимально усилить обратные связи, которые начинают управлять генерацией пищеводного голоса. Это достигается за счет формирования внешней, по отношению к организму, обратной связи, которая + максимально стимулирует факт появления пищеводной речи (первый этап), в момент ее появления. То есть запускает ассоциативный механизм: звук голоса — положительное подкрепление.
Требования к структуре измерительной подсистемы автоматизированного комплекса
Следовательно, БОС-тренировку по частоте основного тона на произвольном речевом материале допустимо проводить с точностью порядка 30Гц. С другой стороны при подборе речевого материала из односложных слов (все гласные под ударением) с большими паузами (подавление просодики фразы) следует обеспечить большую точность. Из таблице 2.3 видно, что здоровый человек, как правило, способен поддерживать частоту основного тона с относительной погрешностью в 1%. Этот результат был бы идеальным для пациентов, проходящих речевую реабилитацию, но исходя из таблиц 2.1 и 2.2, можно заключить, что такая точность для пациентов недостижима (по крайней мере, при прохождении речевой реабилитации). Поэтому, будем стремиться к точности измерения 1%, но в качестве максимальной погрешности измерения частоты можно допустить 5%. Этой точности будет достаточно, чтобы определить по формуле (2.2) оценку пищеводного голоса по частоте основного тона и по формуле (2.4) оценку нестабильности частоты основного тона. Таким образом, в данном параграфе сформулированы требования к погрешностям измерения параметров пищеводного голоса, а именно, требования к погрешности определения амплитуды, времени фонации и частоты основного тона. На основе этих данных всегда можно получить оценки по формулам (2.2), (2.4) и (2.5). На основе сформулированных оценок (2.4), (2.4) и (2.5), а так же требований к погрешностям измерений параметров пищеводного голоса можно перейти непосредственно к методам измерения БОС параметров. В данной главе выделены и проанализированы этапы БОС-тренировок, определены, на каждом этапе, место и функции технических средств, а так же описано взаимодействие пациента, логопеда и автоматизированного комплекса. Разработан алгоритм работы автоматизированного комплекса в режиме тренировок. Введены оценки, позволяющие количественно измерить качество пищеводного голоса. Определено, что качество пищеводного голоса связано с длительностью фонации, частотой основного тона и ее нестабильностью. По этим параметрам чаще всего отличается пищеводный голос от параметров речи. Предложены количественные оценки качества пищеводного голоса. Эти оценки ориентированы на проведение БОС-тренировок в процессе речевой реабилитации больных. В заключении, сформулированы требования к погрешностям измерения параметров пищеводного голоса, а именно, требования к погрешности определения амплитуды, времени фонации и частоты основного тона. На основе этих данных всегда можно получить оценки по формулам (2.2), (2.4) и (2.5). Необходимо отметить, что измерение параметров пищеводного голоса по речевому сигналу достаточно непростая задача и требует специального рассмотрения. Глава 3. Измерение параметров пищеводного голоса Задачам выделения и измерения параметров речевых сигналов посвящено много работ. Эти работы концентрируются в основном с решением таких задач, как: анализ и синтез речи [5,6,7,8,12,13,14,15,16,17,74,75,77,111,118], построение моделей речевосприятия и речеобразования [10,23,65,66,70], сжатия и передачи речевого сигнала[23,37,49], подавления эха и разнообразных шумов[23,28,34] и др. Регулярно проводятся конференции на данную тематику. В данной области наработано огромное количество инструментальных средств [101,102,103,104,105,106,107,108,109,110], для решения основных задач в обработке речи: сегментации речевого сигнала [97,100] по признакам (тон/шум, фонемы, слова, просодика) и нахождении разнообразных частотных представлений. Наиболее традиционным в данной области считается анализ Фурье в виде своих модификаций, таких как дискретное преобразование Фурье или быстрое преобразование Фурье(БПФ) [33,61,112,114]. Кроме преобразования Фурье, применяется так же вейвлет-анализ, который позволяет проводить мгновенный анализ в конечном окне. В работе [90], показано применение вейвлет анализа для решения задачи нахождения частоты основного тона.
Одна из главных особенностей речевых сигналов — это их квазипериодичность, то есть изменение спектрального состава во времени. Это свойство заставляет использовать БПФ, которое определено в конечном временном интервале. Пищеводный псевдоголос имеет ряд отличий от голоса в норме. Соответственно, встает задача адаптации существующих методов обработки речевых сигналов к особенностям пищеводного голоса, а так же разработка новых методов, если существующие окажутся неприменимыми. Данная проблема освещена автором в [3,39,40,41,42,44].
Структура реабилитационного комплекса
В ходе проектирования подсистемы формирования положительного подкрепления возьмем за основу теорию систем отображения информации (СОИ) и инженерную психологию[31, 38,67, 79]. Следует отметить, что применить хорошо разработанные теории отображения информации весьма сложно по той причине, что пациент представляет собой «не совсем оператора», то есть присутствуют существенные особенности взаимодействия системы отображения с пациентом.
Первой особенностью является то, что на такого оператора, как послеоперационный пациент не рассчитана ни одна теория СОИ. Пациент перенес сильный психический шок, его внешний облик изменился, говорить он не может, находится в больнице. Кроме этого, в это время может проводиться химио- или лучевая терапия. Состояние нервной системы подваленное, тонус организма пониженный. Поэтому пациента нельзя отнести даже к самой последней группе в классификации операторов «случайный оператор».[67] Второй особенностью является тот факт, что пациент управляет процессами, происходящими в его собственном организме, поэтому визуальное представление не должно мешать образованию рефлекса. Третьей особенностью является тот факт, что большая часть пациентов, это люди старшего поколения, которые не имеют опыта работы с компьютером. Поэтому, на подсистему формирования положительного подкрепления необходимо обратить особое внимание. Опишем общие положения, на основании которых можно сделать выбор способ визуализации положительного подкрепления. Способы тренировки разнообразных условных рефлексов хорошо известны. Их суть состоит в положительном подкреплении требуемого поведения (срабатывания рефлекса). Так как пациент уже содержит в себе некую систему контроля и управления, задача БОС программы состоит в создании требуемой ассоциации между внешней связью (положительным подкреплением, обеспечивающимся техническими средствами) и имеющимися внутренними связями, которые подходят наиболее хорошо для создания условного рефлекса фонации пищеводным голосом. Положительное подкрепление — это некое действие (стимуляция), желательная для пациента. Положительное подкрепление, как правило, нельзя задать заранее, исключая прямую стимуляцию областей удовольствия в коре головного мозга, так как для разных индивидуумов в различные моменты времени приятными по смыслу являются различные действия (стимуляции). Поэтому, в задачу логопеда входит пояснение, как сигналы, отображаемые на экране, помогут ему вновь обрести речь. Тогда любой сигнал, не вызывающий безусловной неприязни (яркий свет, воздействие высоких или низких температур и д.р.) можно считать условным положительным подкреплением. Если же найти сигналы, которые большинству людей, как правило, будут безусловно приятны (чувство тепла, мягкие оттенки, приятные звуки), то такие сигналы, усиленные осознанием прогресса в ходе восстановления речи способны служить сильным положительными подкреплениями. Своевременность подкрепления. Требуемое поведение должно подкрепляться сразу. В психиатрии есть специальный прием составления контракта, который позволяет избавиться от дурных привычек, основанный на немедленном добровольном наказании за нежелательное действие. Если поведение подкрепляется не сразу, то ослабевает обратная связь на поведение, что приводит к медленному вырабатыванию условного рефлекса, а так же к полной невозможности выработки такового. Даже логопед, работающий с пищеводным голосом неспособен подкрепить похвалой желательный голос сразу — нужно дождаться окончания фразы. А так как в фразе может появляется как хороший, так и неудовлетворительный псевдоголос, то для больного часто невозможно определить, какое именно поведение пытается подкрепить логопед. Поэтому первым требованием, как к положительному, так и отрицательному подкреплению является своевременность подкрепления. Общий прогресс тренировки. Общий прогресс данного цикла тренировки важен, так как создает некий игровой элемент, элемент безусловной заинтересованности в результате. В сочетании с общей мотивацией при тренировках, он способен создать сильное положительное подкрепление. Время тренировки. Для любого биологического процесса характерно некоторое время эффективного функционирования, после которого появляется усталость. Одна тренировка не должна выходить за это время, а времени отдыха между тренировками должно хватать на восстановление сил. Следует указать, что на основе опыта типичное время тренировки в классической методике 5 минут, а время отдыха 30 минут. Данные времена следует считать приемлемыми. Выбор вида и формы представления информации очень важен с психологической точки зрения [58,62,67,79]. Обратная связь, замыкается через визуальный центр высшей нервной системы, которая, как правило, находится в подавленном состоянии. Поэтому, неправильный выбор визуальных средств, приведет к тому, что обратная связь либо вообще не будет работать, либо будет работать хуже, чем обычная похвала логопеда. Визуализация положительного подкрепления должна говорить пациенту, что происходит нечто однозначно хорошее, отвечающее текущим желаниям пациента. Очевидно, что для человека, проходящего речевую реабилитацию самым желанным является обретение нормального голоса. Поэтому, положительное подкрепление можно выбрать достаточно свободно, связав некоторую прогрессирующую визуализацию с процессом обретения голоса. В качестве такого процесса выберем такое часто использующееся подкрепление как открывающаяся картинка. Следует открывать картинку слева направо, а не мозаикой. Хоть мозаика позволяет дольше скрывать картинку, а следовательно подкрепление интересом будет действовать дольше, но будет достаточно трудно отследить, какая часть задания выполнена, а эта информация важна для пациента в процессе тренировки. От визуализации самого БОС-параметра требуется, прежде всего, четкое различие «правильного» и «неправильного» состояния. Чем четче будет различие, тем легче будет сформировать рефлекс. Мгновенное подкрепление выберем с учетом локализации БОС тренировки.
