Разработка моделей и алгоритмов диагностики и управления в компьютерной биотехнической системе мультипараметрического игрового тренинга

• Автор: Сурушкин, Максим Александрович
• Шифр специальности: 05.11.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 136 с. : ил.

шьшшмшшмнч ш шиш 1 ниш11мш дшимл мтй чащ итштжшьшшюлшшшшшяштшшякшйшшш шл цдич»

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ БИОУПРАВЛЕНИЯ

1.1. Опыт использования метода биологической обратной связи

1.2. Игровое биоуправление - современный вариант применения метода биологической обратной связи

1.3. Цель и задачи исследования

2. СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИГРОВОГО ТРЕНИНГА ХОМХ

Выводы второй главы

3. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В СИСТЕМЕ ИГРОВОГО ТРЕНИНГА ХОМХ

Выводы третьей главы

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ИГРОВОГО ТРЕНИНГА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА БИОУПРАВЛЯЕМОЙ ЦВЕТОСТИМУЛЯЦИИ
4.1. Модели и алгоритм цветостимуляции
4.2. Исследование адекватности моделей цветостимуляции
Выводы четвертой главы
5. УПРАВЛЕНИЕ ИГРОВЫМ ТРЕНИНГОМ ХОМХ
5.1. Структура и алгоритм работы управляющей оболочки Хошх
5.2. Практические рекомендации по использованию программного и
аппаратного обеспечения биотехнической системы тренинга
Выводы пятой главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ш шве ШШЕк&ша!каш иьлк шаииш, ешиахш аа»ишшкцш хнешшы яшщш 1ШШВШбШИШШ»а*ш шю & азшЕ it.iaat.aamt ииаангаш щаа.гешимш.вммв.и1;»чш«»«

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. 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 появившихся 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 [56], антистрессовый тренинг, направленный на развитие умений контролировать собственные эмоции и соматическое напряжение [ 17, 32] и т.д.
Анализ литературы свидетельствует о наличии двух классов игровых систем с БОС: однопараметрические и мультипараметрические.
тш luiiius-iiuu шшштмтштв и ш хншгшш! s ив вешни ив1х.кквщ|Ш1мшщ!шшыанши швы к.внымкнниш и

Существенным недостатком однопараметрических систем, таких как тренажер «Ибис» [7, 18], 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 [52].
Эта проблема может быть решена путем применения систем с мультипа-раметрической 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» [1] и «Wild Divine» [94]) 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 [36, 43, 92]. 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
- процент закрашенной области игрового поля;
- номер уровня игры;
- количество попыток игрока;
- количество секунд, оставшееся на прохождение уровня;
- количество набранных очков (счет).
В качестве входных параметров модели игровой среды, используемых для организации обратной связи, выбраны следующие элементы:
- Частота сердечных сокращений

- Флаг дыхания, отображающий вдох/выдох. I
- Цвет фона области вывода частоты сердечных сокращений и цвет

управляемого объекта - игрока.

- Скорость движения твердых и мягких шаров.

Посредством этих параметров реализуется сенсорная связь по зрительному каналу, выполняющая функции оповещения пользователя о его текущем состоянии и воздействия на него через игровые алгоритмы.
2. Блок ввода электрофизиологической информации.
Одной из главных задач, связанных с разработкой биоуправляемого игрового тренинга, является создание среды передачи биологических параметров. Источником сигнала, несущего эту информацию, является обучаемый человек, а прием и обработка должна осуществляться персональным компьютером.
Такие биологические сигналы обратной связи как пульс и дыхание можно представить в виде появляющихся с определенной частотой импульсов, которые могут быть преобразованы в электрические, т.е. в аналоговую форму, следовательно, для их передачи можно использовать обычную проводную цепь связи.
Однако для ввода информации о частоте импульсов в компьютер необходимо представить эти сигналы в цифровой форме при помощи специализированных аналогово-цифровых преобразователей. Одним из таких преобразователей является звуковая карта, которая имеется почти во всех современных системных блоках компьютеров. Кроме того, звуковая карта содержит в себе соот-