Моделирование процесса диагностики неврологических нарушений

Уважаемые коллеги, читатели журнала «БИОТЕХНОСФЕРА»!

Вашему вниманию предлагаются статьи молодых ученых, преподавателей и аспирантов ряда ведущих высших учебных заведений Российской Федерации, подготовленные в Научно-образовательном центре «Биомедицинская инженерия» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» в рамках мероприятия «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров» Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Научно-образовательный центр (НОЦ) «Биомедицинская инженерия» был организован в СПбГЭТУ в 2009 году. За последние годы в центре выполнены 12 научно-исследовательских работ (в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы»), 5 научно-исследовательских работ (по аналитической ведомственной целевой программе Минобрнауки РФ), а также выполняется международный проект по программе УШВУ Шведского института. В центре неоднократно проводились Всероссийские школы молодых ученых и преподавателей по биомедицинской инженерии. Результатами этих работ явились публикации большого количества серьезных и интересных научных статей, подготовленных молодыми учеными, в том числе в ведущих российских и зарубежных научных изданиях; защищены 8 диссертационных исследований по специальности ВАК РФ 05.11.17 — Приборы, системы и изделия медицинского назначения.

В данном выпуске вы сможете ознакомиться с научными исследованиями докторантов и аспирантов ведущих вузов РФ: Владимирского государственного университета, Тульского государственного университета, Рязанского государственного радиотехнического университета, Орловского государственного университета — учебно-научно-производственного комплекса, Тверского государственного технического университета, Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого, Петрозаводского государственного университета, Сибирского государственного медицинского университета.

Хотелось бы надеяться, что результаты выполненных исследований станут основой для последующих серьезных научных достижений авторов и их имена будут звучать в числе ведущих ученых России.

Научный руководитель НОЦ «Биомедицинская инженерия» СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,

д-р техн. наук, профессор 3. М. Юлдашев

УДК 616.8-073.7:004.9

С. В. Антоненко, канд. биол. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Моделирование процесса диагностики неврологических нарушений1

Ключевые слова: биотехническая система, диагностика неврологических нарушений, метод электроэнцефалографии. Key words: biotechnical system, diagnosis of neurological disorders, electroencephalography.

Представлено описание программного обеспечения биотехнической системы диагностики неврологических нарушений, использующей новый метод количественной оценки степени неврологических нарушений по частоте и уровню синхронизации электроэнцефалограмм, записанных в стандартных отведениях.

Метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) наиболее перспективен и востребован в диагностике неврологических нарушений [1]. Несмотря на активное

1 Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0175 «Метод и инструментальные средства оценки функционального состояния систем организма».

развитие в связи с повышением технического арсенала и форм анализа информации ЭЭГ, он остается технически сложным и наукоемким методом диагностики [2]. Следовательно, успешность решения любой медико-диагностической или научно-исследовательской задачи, основанной на регистрации ЭЭГ, обеспечивается при условии разработки алгоритмического и программного обеспечения обработки и анализа.

Ввиду большого количества неврологических нарушений (НН) у детей младшего школьного и дошкольного возраста является актуальной разработка биотехнической системы (БТС) диагностики таких отклонений. Из множества возможных подходов к анализу электроэнцефалограмм наибольший интерес представляет оценка их синхронизации, при этом в качестве базисных показателей

Конференции, школы и стажировки молодых ученых

были выбраны частота и амплитуда синхронной составляющей. Синхронизация оценивается как значимый показатель диагностики и прогноза развития НН, поскольку с клинической точки зрения неврологические нарушения — это, прежде всего, неадекватность взаимосвязей между участками головного мозга [3].

Целями исследования являются разработка структурной схемы и математическое моделирование устройства расчета параметров синхронизации ЭЭГ, составление базы данных по НН, определение топологии электрофизиологических маркеров НН.

Задачами исследования стали разработка структурной схемы и математической модели, создание программы моделирования динамики устройства, получение и обработка результатов моделирования.

В разрабатываемую БТС входят три подсистемы, которые будут действовать по очереди и определять грубую патологию при помощи динамического анализа и различные НН с ориентацией на электрофизиологические маркеры, а также оценивать психофизиологические характеристики испытуемых (рис. 1).

Синхронизация процессов в мозге человека происходит в том случае, когда различные участки коры головного мозга участвуют в работе единой функциональной системы. Когда система работает, ее интегрирующие элементы в коре головного мозга принимают участие в организации процесса восприятия и передачи информации. Если в норме какие-то определенные участки коры связаны со

Канал 1

Рис. 1

Структура программного обеспечения (ПО) БТС в процессе отработки:

А — визуально выявленные артефакты; Д — сведения о диагнозе; ВЗ — блок визуализации; ПК — персональный компьютер; ДК — данные, полученные с пациентов с известным диагнозом; РЧУ — блок расчета частот и уровней синхронизации; ПМ — блок выявления электрофизиологических маркеров; РДС — блок расчета дескриптивной статистики; ДС — данные, снимаемые с испытуемого; РП — блок расчета принадлежности к группе НН; ПР — блок определения прогноза развития; ЗКЛ — блок формирования заключения (принадлежность к группе НН, наличие грубой патологии, прогноз развития); ПП — блок обработки заключения при выявлении грубой патологии; ФС — фотостимулятор; ЭК — экран портативной части системы; УФ — блок управления фотостимулятором; ПВ — блок обработки вызванных потенциалов мозга

ФД1

и

Канал 2

ФД1

ос.

ФП1 f1

}

Рис. 2 Структурная схема устройства определения уровня и частоты синхронизации для одного частотного диапазона:

ФД1 — фильтры диапазона, выходные сигналы которых подаются на блок произведений; ОС1 — осреднитель; Н1 — уровень синхронизации; fl — частота синхронизации; ФП1 — фильтр переменной частоты настройки

множеством функциональных систем, то у человека с определенными НН связи между участками коры организованы по-другому, и методом расчета синхронизации это можно выявить. Изложенное послужило базой для основной гипотезы исследования, которая нашла статистическое подтверждение.

Для поиска электрофизиологических маркеров были привлечены группы испытуемых с НН и контрольная группа нормальных детей. У всех детей с нарушениями зрения, слуха, минимальной мозговой дисфункцией (ММД) были выявлены характерные связи в коре головного мозга, отличающиеся от показателей связей контрольной группы.

Рассмотрим структуру системы, осуществляющей расчет частот и уровней синхронизации (рис. 2). Выходные сигналы усилителя ЭЭГ по очереди, одновременно с двух каналов (всего 16 каналов) поступают на попарно одинаковые фильтры диапазонов ФД1, после чего сигналы передаются на блоки произведений, на выходе с которых будет присутствовать некоторый уровень постоянного сигнала при наличии у сигналов общих синусоидальных составляющих. Количество анализируемых диапазонов может соответствовать стандартным шести (дельта, тета-1, тета-2, альфа, бета-1, бета-2).

Фильтр диапазона представляет собой полосовой фильтр второго порядка:

иф1 _ вд + ад *-2 - киф1 *

-1 - К4Цф1 ;

Б

К _ Б

2 ; К _ К ; К _ (2 2б5з) .

, К2 _ -К1, Кз _

5 4

Б

К _(1 + Б3 3 - Б3 2 ) ; Б _

К _ -~-; _

Б

5 4

2 п^ т

54

Б3 2 _

4 Б51

fl

ББ 3 _ 4 Б51 ; Б5 4 _ Б5 3 + Б5 2 + 1,

4

5 3

2

где Цф1 — выходной сигнал фильтра диапазона; К1, К2, К3, К4 — коэффициенты рекуррентного уравнения; Ц — выходной сигнал соответствующего канала; г — оператор ^-преобразования (запаздывание на один шаг решения); Б^, Б^, Б^з, Б84 — служебные переменные, используемые в алгоритме решения рекуррентного уравнения; fl — частота настройки фильтра диапазона; т — шаг дискретизации; Р1 — половина полосы пропускания фильтра диапазона.

н

1

№ 3-4 (21-22)/2012 |

биотехносфера

Величина постоянного сигнала определяется осреднителем по формуле

и, = ^Ы

(ь -1) . и

- + -

б

где и, — выходной сигнал осреднителя после суммирования Ь точек; и б — выходной сигнал блока произведений; Ь — номер точки на интервале осреднения.

Уровень синхронизации в заданном частотном диапазоне определяется как частное деления уровня постоянного сигнала на выходе соответствующего осреднителя на корень квадратный из суммы квадратов уровней всех рассматриваемых диапазонов. После вычитания постоянной составляющей выходные сигналы блоков произведений поступают на фильтры переменной частоты настройки ФП1. На выходе ФП1 определяется среднее значение частоты настройки — частота синхронизации [4].

БТС создается с использованием программного обеспечения, позволяющего автоматически выявлять статистически достоверные электрофизиологические маркеры групп «Норма», «ММД» «Слух» и «Зрение» по выбранным параметрам анализа ЭЭГ. Для организации и поиска электрофизиологических маркеров была разработана система, которая предполагает:

• ввод данных электроэнцефалограмм людей с известными диагнозами в программу в интерактивном режиме;

• просмотр, после которого некоторые данные могут быть исключены из дальнейших расчетов из-за наличия артефактов;

• расчет частоты синхронизации и уровня синхронизации;

• накопление базы (960 параметров для каждого пациента).

В данном режиме обследовали все четыре группы: с нарушениями зрения, слуха, ММД и контрольную группу. Программа выполняла поиск маркеров, суть которого заключалась в оценке достоверности различий с использованием точного метода Фишера. В соответствии с последним оценивается уровень случайности двух выборок. Если он меньше 0,05, то две выборки отличаются между собой достоверно. Для каждого пациента все параметры сравнивались с уровнем отсчета (за уровень отсчета выбрано математическое ожидание) в группе детей без нарушений (норма), превышающие данный уровня значения оценивались как плюсовые («+»), а не достигающие его — как минусовые («-»). Маркеры, полученные данным методом, предоставлялись для дальнейшего изучения. Они сравнивались между собой с целью исключить совпадения, которые не дают отделить одну группу с неврологическими нарушениями от другой. Таким образом была подготовлена база данных, для того чтобы пациента с неизвестным диагнозом отнести к группе с определенным НН.

В ЭЭГ здорового человека выделяют четыре главных ритма, имеющих различные частотные

диапазоны, амплитуду и функциональное значение. Основной и наиболее легко выделяемый ритм ЭЭГ — альфа-ритм. Он доминирует в ЭЭГ здоровых людей в спокойном состоянии в условиях бодрствования. Более высокочастотный бета-ритм отражает повышение возбудимости и лабильности головного мозга, активацию коры. Он появляется при напряженной умственной работе и деятельности в быстро меняющихся условиях, например при постоянном чередовании заданий. Тета-ритм проявляется в состоянии засыпания, при умеренной гипоксии или неглубоком наркозе. Несомненна связь тета-ритма с эмоциональными структурами, так как в образованиях лимбической системы головного мозга он выражен больше, чем в корковых зонах. Дельта-ритм проявляется при глубоком сне, характерен для патологических состояний центральной нервной системы. Этот ритм имеет существенное значение на ранних этапах онтогенеза.

Дети с врожденными сенсорными дефектами имеют в той или иной степени минимальную мозговую дисфункцию, но психические и неврологические проявления имеют другой характер. Задержка психического развития у детей вторична и вызвана сенсорно-перцептивным дефицитом. Наличие сенсорной депривации нарушает формирование таких важнейших психических функций, как мышление и речь. У детей с нарушениями зрения и слуха формирование механизмов зрительного и слухового восприятия отстает от нормы, но при этом задействованы другие мозговые процессы для получения необходимой информации. Поражение слухового анализатора автоматически вызывает усиление не только деятельности зрительного анализатора, но и процессов мыслительного анализа.

На основе оценки синхронизации была установлена первая группа маркеров — достоверные отличия показателей частоты и амплитуды синхронной составляющей группы «Слух» от аналогичных показателей группы «Норма». По данному показателю было обнаружено 63 достоверных отличия во всех четырех основных диапазонах. В диапазоне максимальных частот бета-ритма оказалось 10 отличий по частоте и 6 — по амплитуде, данный ритм должен быть активен при напряженной умственной работе. Отличия наблюдаются и в тета-ритме, который активизируется при наличии эмоциональной составляющей. В альфа-диапазоне обнаружено 26 достоверных связей. Можно сделать вывод о том, что плохо слышащий человек напрягает органы слуха для понимания и включает ассоциативный ряд для лучшего понимания и трактовки информации. Специфика такого рода понимания может привести к несвоевременному формированию взаимодействий между восприятием и речью.

У детей с нарушениями слуха формирование механизмов зрительного восприятия отстает от нормы, его состояние зависит от глубины структуры первичного дефекта. Вследствие значительного снижения

Конференции, школы и стажировки молодых ученых

физиологической интенсивности сенсорных воздействий у детей с глубокими нарушениями слуха плохо развито внимание. Оно играет большую роль в осуществлении ориентировочно-исследовательской деятельности ребенка на первых этапах развития, а значит, его формирование имеет большое значение.

На основе оценки синхронизации была установлена вторая группа маркеров — достоверные отличия показателей частоты и амплитуды синхронной составляющей группы «Зрение» от аналогичных показателей группы «Норма».

Выявлено, что на диаграмме с нарушениями зрения распределение маркеров в затылочной доле сведено к минимуму, а значит, обрабатываемые сигналы, поступившие от сетчатки глаз, плохо или вообще не воссоздают картину окружающего мира. При этом активны центры речи, ассоциативные области и чувственное представление собственного тела. В диапазоне альфа-ритма (8—13 Гц) обнаружено максимальное количество достоверных связей — 38.

На основе оценки синхронизации была установлена третья группа маркеров — достоверные отличия показателей частоты и амплитуды синхронной составляющей группы «ММД» от аналогичных показателей группы «Норма». Максимальное количество отличий наблюдается в тета-ритме — 30. В диапазоне максимальных частот бета-ритма ока-

залось 2 отличия по частоте и 14 — по амплитуде. Оказалось, что использование частоты и амплитуды синхронной составляющей в качестве маркера отличий ММД от нормальной мозговой активности более результативно для выявления отличий во всех диапазонах.

Таким образом разработана структура и математическая модель БТС, позволяющей осуществлять диагностику неврологических нарушений у детей. Для четырех групп детей определены уровни и частоты синхронизации ЭЭГ. В результате сравнения получены три группы электрофизиологических маркеров, для которых рассчитанные параметры в группах НН достоверно отличаются от нормы.

1. Благосклонова Н. К., Новикова Л. А. Детская клиническая электроэнцефалография: Руководство для врачей. М.: Медицина, 1994. 202 с.

2. Иванов Л. Б. Прикладная компьютерная электроэнцефалография. М.: АОЗТ «Антидор», 2000. 256 с.

3. Ливанов М. Н., Свидерская Н. Е. Психологические аспекты феномена пространственной синхронизации потенциалов // Психологический журнал. 1984. Т. 5, № 5. С. 71—83.

4. Коржук Н. Л., Индюхин А. А., Индюхин А. Ф. и др. Способ электроэнцефалографической диагностики неврологических нарушений // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Медицинские информационные системы». 2010. № 8 (109). С. 121-127.

1Г

ОАО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА"

предлагает:

Биомедицинская инженерия: проблемы и перспективы / Г. Н. Пахарь-ков: Учеб. пособие. — СПб. : Политехника, 2011. — 232 с. : ил.

ISBN 978-5-7325-0963-2 Цена: 240 руб.

В пособии рассматриваются современные проблемы и перспективы развития основных направлений биомедицинской инженерии (БМИ): роль и значимость фундаментальных и прикладных медико-технических исследований и разработок, являющихся важными элементами развития и повышения эффективности системы национального здравоохранения. Приведены примеры применения современных достижений БМИ в практической медицине, реабилитационной индустрии, медицине критических состояний, человеко-машинных системах. Большое внимание уделено таким инновационным направлениям БМИ, как бионаносистемы и бионанотехнологии, микро- и наноробо-ты, медицинские микросистемы, биологические волновые воздействия на организм человека, неинвазивные методы диагностики.

Пособие предназначено для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, обучающихся по направлениям медико-технической подготовки, а также для специалистов, работающих в области биомедицинской техники.

Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации:

Тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73; тел./факс: (812) 312-57-68;

e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: www.polytechnics.ru

J

№ 3-4 (21-223/2012 |

биотехносфера