Синергетический метод исследования постуральной системы человека

• Автор: Кононов, Антон Федорович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 171 с. : ил

1.1. Динамические системы

1.1.1. Основные понятия

1.1.2. Самоорганизация в диссипативных системах

1.1.3. Детерминированный хаос

1.1.4. Устойчивости динамических систем и показатели Ляпунова

1.1.5. Понятие аттрактора

1.1.6. Инвариантная мера

1.2. Количественные характеристики хаотического движения

1.3. Реконструкция аттракторов по временным рядам

Выводы к главе 1

Глава 2. Обзор математических моделей постуральной системы и модификация методов нелинейной динамики для ее анализа
2.1. Математическая модель постуральной системы
2.1.1. Упрощенное механическое описание тела стоящего человека в виде перевернутого маятника
2.1.2. Исследование устойчивости перевернутого маятника
2.1.3. Стабилизация маятника вертикальными колеба
. ниями
2.1.4. Стабилизация маятника средствами управления
2.1.5. Стандартизация движений у человека
2.1.6. Модель постуральной системы человека. Сагиттальная плоскость
2.1.7. Модель постуральной системы человека. Фронтальная плоскость
2.2. Определение параметров постуральной системы человека на основе экспериментальных данных
2.3. Методика определения параметра задержки при восстановлении аттрактора
2.4. Частотные свойства методов реконструкции аттракторов
2.5. Гистограммный способ определения корреляционной размерности
Выводы к главе 2
Глава 3. Алгоритмическое обеспечение экспериментальных исследований и его проверка с использованием переменных состояния математических моделей и тестовых сигналов
3.1. Алгоритм построения хорошо приспособленного базиса
3.2. Алгоритм расчета АЧХ и ФЧХ оператора перехода к новому базису
3.3. Гистограммный алгоритм определения корреляционной размерности
3.4. Алгоритм определения относительного времени пребывания точки на плоскости
3.5. Алгоритм определения фрактальной размерности поверхности в трехмерном пространстве
Выводы к главе 3
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований постуральной
системы человека
4.1. Традиционные методы обработки стабилограмм
4.2. Спектральные характеристики
4.3. Анализ векторов скорости
4.4. Применение синергетического метода исследования к постуральной системе человека
4.5. Численное моделирование уравнений, описывающих поведение тела стоящего человека
Выводы к главе 4 Заключение Литература
Приложение А. Сертификат соответствия стабилоанализатора Стабилан
Приложение Б. Дополнительная информация о компьютерном стабилографическом комплексе Стабилан
Приложение В. Блоксхема алгоритма построения хорошо приспособленного базиса Приложение Г. Блоксхема алгоритма расчета комплексного коэффициента передачи оператора перехода к новому базису Приложение Д. Блоксхема алгоритма расчета корреляционного интеграла на основе экспериментальных данных Приложение Ж. Блоксхема алгоритма расчета относительного времени пребывания точки на плоскости Приложение И. Компоненты векторов хорошо приспособленного и корреляционного базисов Приложение К. Фазочастотные характеристики оператора перехода к корреляционному базису и фазочастотная характеристика колебаний центра давления в сагиттальной плоскости
Введение


Чтобы она не упала, необходимо постоянно двигать рукой. Положение центра тяжести жерди при этом непрерывно колеблется вокруг своего неустойчивого положения. Перемещение ладони определяют перемещения центра давления жерди и зависят от состояния большого количества функциональных систем организма, а также навыка человека. При этом скорость ладони намного превышающей скорость перемещения центра тяжести жерди. Это происходит потому, что необходимо чувствовать и гасить малейшие отклонения жерди от вертикали. Данный пример приведен в статье 4, а описанная тактика названа тактикой метлы. Все выше сказанное относится к процессу поддержанием человеком вертикальной позы. На тело человека действует масса возмущающих факторов различной природы. В итоге реакция ПС сугубо нелинейна, кроме того, в ее формировании принимают участие различные функциональные подсистемы, характеризуемые принципиально разным временем запаздывания. Очевидно, что кривая, описываемая центром давления стоящего человека, будет носить сложную хаотическую форму, далекую от какого либо периодического процесса, что реально подтверждается на практике. Форма и амплитуда колебаний центра давления в значительной степени определяют степень надежности работы ПС и, таким образом, характеристики, полученные на их основе, могут рассматриваться в качестве критериев состояния всего организма. Приведенные выше рассуждения обосновывают попытки использования методов нелинейной динамики при анализе ПС. Круг приложений этих методов при анализе функциональных систем организма достаточно широк. Например, выявление особенностей организации системного регулирования способствует прояснению одного из центральных вопросов медикобиологических исследований, касающихся нахождения критерия устойчивости организма и показателей эффективности его адаптации как целостной макросистемы . Важную информацию об уровне и направленности сдвигов упорядоченности организации системного гомеостаза1 можно получить при анализе взаимодействия отдельных элементов ПС. Синергетический подход позволяет трактовать наличие исходной сонастройки и ее изменений во взаимосвязанной деятельности разнообразных подсистем с позиций общего принципа существования организма как единого целого. Можно предположить, что хаотический характер колебаний физиологической системы более оптимален для ее жизнедеятельности, чем регулярный периодический. Вовторых, системы работающие в хаотических режимах, быстрее и легче перестраиваются при изменении внешних условий. Кроме того, самому телу человека присущи фрактальные свойства. Система дыхательных путей, кровеносные сосуды, нервная система, строение кишечника имеют фрактальную геометрию они самоподобны в определенном диапазоне масштабов , . Синергетический подход к исследованию биомеханических движений человека предполагает, что, несмотря на сложность этих процессов, целый ряд важнейших паттернов поведения человека может быть описан с помощью параметров порядка. Такое макроскопическое описание биомеханических движений позволяет обеспечить колоссальное сжатие информации, так как рассматриваются не индивидуальные микродвижения, а изучаются глобальные свойства биотехнической системы в виде динамически связанных аттракторов. Информация проявляется на макроскопическом уровне, что существенно увеличивает эффективность такого подхода. В результате самоорганизации в ПС образуются пространственные, временные и функциональные структуры, связанные с соответствующими физиологическими характеристиками человека. В литературе имеются оценки фрактальных характеристик динамической размерности физиологических аттракторов функциональных систем организма. В работах , 7, 8 показана не только возможность использования методов нелинейной динамики для диагностики состояний головного мозга, но и продемонстрирована связь таких характеристик, как корреляционная размерность, размерность пространства восстановления, энтропия Колмогорова, вычисленных на основе последовательности отсчетов ЭЭГ испытуемых с различными патологическими нарушениями травма, опухоль.