Методы и средства оценки параметров функциональных систем с различными типами обратных связей

Статья

дефицитной анемией уровень ошибки классификации не превысил 4% (Рв12=0,96 при экспертной оценке уверенности 0,98). При определении риска заболеваний гемолитической анемией величина ошибки не превысила 7% (Рга=0,93 при экспертной оценке уверенности 0,96). Результаты экспертной оценки достаточно близки к результатам, полученным на контрольной выборке.

Литература

1. Кореневский Н.А. // Системный анализ и управление в биомедицинских системах.- 2005.- Т 4.- № 1.— С. 12-20.

2. Рутковская Д. и др. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Пер. с польск. И. Д. Рудинского.- М.: Горячая линия - телеком, 2004.- 452 с.

УДК 615.84

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ

А.Е. БЕЛОЗЕРОВ,* Д.В. МЕШКОВСКИЙ*, В.В. ПЛОТНИКОВ**

Принято рассматривать биосистемы как системы открытого типа, взаимодействующие с окружающей средой. Оптимальное регулирование непрерывных потоков веществ, энергии и информации обеспечивается механизмами управления, поведением и состоянием биосистем. Состояние внутренней среды и оптимальное взаимодействие с внешней средой характеризуется стабилизирующими проявлениями и непрерывными динамическими модуляциями в соответствии с потребностями системы. Иерархичность является одной из основных характеристик структурной организации саморегулирующихся механизмов биосистем. Иерархия связана с постепенным усложнением и наслаиванием друг на друга аппаратов регулирования. Иерархия динамически сочетает принцип автономности с принципами субординации и централизованного соподчинения. Наряду с надежностью и гибкостью в иерархически построенных системах достигается высокая энергетическая, структурная и информационная экономичность. Отдельные уровни могут состоять из простых (или повторяющихся) элементов с ограниченным числом операций. Отдельные блоки выполняют роль фильтров, осуществляя передачу интегрированной информации на более высокие уровни системы.

Большинство функциональных систем (ФС), организованных по кольцевому принципу, возникает как результат процесса, в ходе которого идет непрерывное сличение параметров потребного и достигнутого результатов, корректировка и совершенствование организации ФС для достижения все большего соответствия этих двух видов результатов. Процесс достижения психофизиологическими ФС заданного результата является индивидуальным для каждого человека. Получить информацию об этом можно путем разработки специальных психофизических тестов на базе общей теории ФС П.К.Анохина [2]. Эта теория много лет является общепризнанной во всем мире, но надежных психологических методик, позволяющих получить количественные оценки, характеризующие способ организации ФС для реализации заданных типов действий, почти нет. Разработка таких тестов поможет создать методики, применяемые при решении задач профориентации, диагностики психических заболеваний и т. д.

Для исследования индивидуальных способов формирования ФС были разработаны методики воспроизведения линейных размеров объекта и высоты чистого тона без обратной связи, с обратной связью и ложной обратной связью. Исходя из поставленных целей, учитывая недостатки известных методик исследования законов формирования ФС, опыт построения методик саморегуляции, определяются требования, к основным из которых относятся: оценка количественных характеристик ФС при реализации цепочки «цель - действие - результат - цель»; возможность исследования формирования ФС для различных типов анализаторов; обеспечение чувствительности к индивидуальным особенностям формирования ФС, к изменению функционального состояния; обеспечение исследования режимов работы ФС на внутренних обратных связях и при использовании корректирующей внешней информации через подключение внешних цепей обратной связи с точными и ложными эталонными установками.

* 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, КГТУ

** 305047, г. Курск, ул. Карла Маркса, 3, КГМУ

В качестве сигналов к началу действия были выбраны зрительные и слуховые раздражители, а в качестве исследуемых параметров - точность воспроизведения линейных размеров эталонного отрезка и эталонной высоты тона. Методики, использующие зрительный канал формирования управляющих воздействий, построены следующим образом. Испытуемому на экране предъявляется горизонтальная линия эталонной длины (10 см). Через 5 с эталонная линия исчезает. На экране появляется короткая линия. Задача испытуемого сводится к тому, чтобы с помощью заданных клавиш, увеличивая и уменьшая длину рабочей линии, по памяти воспроизвести на экране величину эталонной линии. Предоставляется 4 пробных задания, результаты которых не учитываются, затем 5 с предъявляется эталонная линия, и далее проводится 50 рабочих тестов. Методики, использующие слуховой канал формирования управляющих воздействий построены так же: эталоном является звуковой сигнал частотой 700 Гц. Испытуемый должен воспроизвести высоту эталонного тона, меняя высоту рабочего тона с помощью клавиатуры. В методиках имеется 3 варианта теста. В тесте без обратной связи (ОС) испытуемый не получает информации о допущенной ошибке, в тестах с ОС испытуемому в цифровом и графическом виде выдается информация о ее величине, в тестах с ложной ОС информация об ошибке выводится заведомо ложно и зависит от значений ошибок при выполнении предыдущих тестов. При выполнении всех методик регистрируется величина отклонения от истинного или ложного эталона. При реализации методики без ОС испытуемый формирует свои действия, используя лишь внутренние механизмы саморегуляции. Методика с ОС позволяет корректировать рассогласование между работой внутренних и внешнего эталонов, когда ФС синхронизируется внешним управляющим сигналом, методика с ложной ОС позволяет исследовать работу сформированных ФС, когда заранее сформировавшийся внутренний эталон подвергается корректировке со стороны внешнего управляющего воздействия, не соответствующего «истинному».

Для получения качественных и количественных характеристик, описывающих индивидуальные параметры ФС человека как реакцию на предложенный набор тестов, предлагается модель поведенческого акта «цель - действие - результат», структура которой приведена на рис. В этой модели выделены управляющие и исполнительные элементы ФС, охваченные внутренними и внешними обратными связями, для которых в общем виде определены функциональные зависимости от параметров, характеризующих индивидуальные особенности организма, энергетические потенциалы функциональных узлов и систем, задействованных в реализации поведенческого акта «цель - действие - результат -цель» и внешние воздействия на сенсорные системы организма.

Рис. Формирование управляющих функциональных структур и команд.

На рис. используются обозначения: УСВУ - управляющие структуры высшего уровня; ГЭА - главный эталонный нейронный ансамбль; БПД - блок памяти действий; ПНА - промежуточный нейронный ансамбль; ППД - промежуточная память действий; РНА - рабочий нейронный ансамбль; РУНА - рабочий управляемый нейронный ансамбль; СС - сенсорные системы; ИМ

- исполнительный механизм; ПК - персональный компьютер, реализующий заданную методику исследований; 7о - канал передачи информации о параметрах и условиях проведения эксперимента; 7м - канал передачи информации, формируемой по ходу выполнения методик от персонального компьютера; 7Г -канал запуска рабочего управляемого нейронного ансамбля; 7вс -канал внешней синхронизации РУНА; - пусковая команда для

А.Е. Белозеров, Д.В. Мешковский, В.В. Плотников

рабочего нейронного ансамбля; 8о-8б - взаимодействие элементов системы с вышестоящими нейронными структурами; Ьо-Ьб -взаимодействие элементов системы с нижестоящими нейронными структурами Х^! - каналы энергоинформационного взаимодействия головного мозга с эффекторными клетками ИМ. В ходе подготовки к исследованию испытуемому по каналу Ъо через слуховую и зрительную СС передается информация о параметрах и условиях проведения эксперимента для УСВУ (8о-Ьо). В ответ на это через каналы 82, Ь2 , и 83, Ьз УСВУ (стоящие по иерархии выше над нейронными структурами, задействованными для реализации заданного поведенческого акта) создают БПД, в котором хранится информация о том, как организовать нужную последовательность действий для ИМ через ППД, и РУНА через ПНА. В БПД хранится информация о включении внешних обратных связей для синхронизации работы РУНА.

Вне зависимости от выполнения искомой методики ГЭА, синхронизирующий работу вновь создаваемых нейронных ансамблей синхронизируется по времени со стороны УСВУ по каналам 82, Ь2. При реализации методик УСВУ создает РУНА в виде цепочек нейронов, охваченных положительными ОС, и РНА, причем при выполнении тренировочной последовательности параметры РУНА и РНА стабилизируются и закрепляются. В ходе реализации методик без ОС канал внешней синхронизации Ъвс отсутствует. Запуск РУНА, настроенного на фиксацию эталонной длины (высоты тона), хранимой в ПНА, ведется по сигналу Ъг, формируемого СС по сигналу Ъм, поступающему с монитора ПК. Определив искомую длину отрезка (высоту тона) по своей индивидуальной линейной (частотной) шкале, РУНА вырабатывает сигнал Ъп, запускающий РНА, который через ретикулярную формацию спинного мозга по каналам Х1 организует управление эффекторными клетками ИМ. В ответ на это ИМ (рука) производит действие Ъд по нажатию клавиши ПК. В ходе реализации действия со стороны центральных структур осуществляется непрерывный контроль их исполнения по цепи ОС У!. В условиях отсутствия внешних ОС РУНА периодически контролируется со стороны ПНА по цепи 85 и синхронизируется со стороны ПНА по цепи внутренней связи Ь5. В свою очередь, ПНА контролируется и синхронизируется со стороны ГЭА по цепям 84 Ь4, а ГЭА контролируется и синхронизируется по цепям 82 , Ь2. Периодическому контролю и коррекции подвергаются также РНА и БПД по каналам 86 , 83 , Ь6, Ь3 соответственно. В ходе выполнения заданного типа действий по мере истощения энергетических ресурсов РАУНА и РНА управляющие структуры высшего уровня могут перераспределить нейронные ансамбли, выполняющие действия. Такому же перераспределению могут быть подвергнуты со стороны УСВУ ГНА и БПД. При реализации методик с ОС синхронизация РУНА передается внешним источникам (сигнал Ъвс), а обмен информацией по цепям Ь5 и 85 приводит к постепенному изменению параметров блока ПНА в силу приоритетности внешней синхронизации над внутренней.

Точность и стабильность достижения целей в реализуемой методике будет определяться: индивидуальной шкалой реализации заданных методик; текущим энергетическим потенциалом, задействованных нервных структур; соотношением долей жестко-программного и вероятностно-стохастического управления; реализацией переключения задействованных функциональных структур в ходе выполнения эксперимента; особенностью строения центральной и вегетативной нервных систем и состоянием здоровья испытуемых (на уровне задействованных структур) [1,

2, 5]. В общем виде показатель точности реализации методик: (Бруна Кдв, ти ЕбпдХ где Еруна - энергетический потенциал РУНА, влияющий на пороги срабатывания нейронных ансамблей, Кдв - коэффициент, определяющий соотношение долей жестко-программного и вероятностно-стохастического управления, Ти - показатель индивидуальной точности работы нейронных ансамблей на иерархическом уровне РУНА, Ебпд - энергетический потенциал БАТ. При описании модели в качестве информативных признаков использовались таблицы и графики отклонений времени реакций испытуемых от эталонного времени для каждого такта (номера) измерений. Первичный список признаков формировался двумя группами экспертов. 1-я группа экспертов, состоящая из 7 специалистов по теории ФС (3 доктора и 4 кандидата наук), на основе анализа исследований выделила 48 признаков, характеризующих структуру ошибок, совершаемых испытуемым в ходе

опыта в зависимости от индивидуальных особенностей и состояния здоровья в методиках без ОС, с ОС и ложной ОС.

Вторая группа экспертов, состоящая из специалистов в области теории управления, математического анализа и информационных технологий (1 доктор, 3 кандидата наук и 3 специалиста по обработке данных), на основе анализа графиков зависимостей отклонений испытуемого от эталона для всех типов экспериментов, с учетом результатов наших исследований, выделила 1о признаков в пространстве, отражающем динамические особенности воспроизведения линейных размеров отрезка (высоты звука).

На 2-м этапе формирования списка информативных признаков, используя факторный и корреляционный анализ, количество информативных признаков было сокращено до 15: Х1, Х2, Х3

- среднеквадратичное отклонение ошибки воспроизведения эталона в методиках с ОС, без ОС и с ложной ОС соответственно; Х4 - преобладание тенденции к переоценке в методиках без ОС; Х5 - время перехода к ложному эталону в методике с ложной ОС; Х6 - средний показатель степени изменения реакции в методике без ОС; Х7, Х8 - среднее значение форсированных реакций в методиках с ОС и с ложной ОС соответственно; Х9, Хм - относительная энтропия реакций в методиках с ОС и с ложной соответственно; Хп, Х12 - вариационный размах первых 1о реакций относительно последних 1о в методиках с ОС и с ложной ОС; Х13, Х14 - коэффициент чувствительности к ОС в методиках с ОС и ложной ОС; Х15 - степень изменения реакции при введении ложной ОС. На основании анализа поведения модели саморегуляции ФС, гистограмм распределения информативных признаков по классам, индивидуальных различий и с привлечением экспертных оценок установлено, что испытуемые по индивидуальному различию в реализации акта «цель - действие - результат -цель» разделяются на лиц с нормальной индивидуальной шкалой (ИШ), имеющих ИШ с переоценкой эталона, имеющих ИШ с недооценкой эталона, с высокой, низкой и средней стабильностью ИШ. Эти показатели характеризуются признаками Х^Х5.

Экспертная оценка и экспериментальные исследования с использованием методики комплексного исследования уровня конформности с подтверждением результатов классификации по критерию индекса функциональных изменений (ИФИ) по Р.М.Баевскому [3] позволили, в соответствии с рекомендациями [4], сформировать список БАТ, информативных по отношению к задаче оценки функционального состояния и адаптационных возможностей организма. В этот список вошли точки: ТЯ7-меридиан трех обогревателей (противоболевая точка); УБ2о -меридиан желчного пузыря (точка ответвлений к меридианам ТЯ, Ю7, Е); Ю7 - меридиан сердца (седативная точка и точка пособник); С9 - меридиан сердца (тонизирующая точка); АР51 - точка ушной раковины (вегетативная симпатическая нервная система).

Для классификации испытуемых по типу ИШ вне зависимости от типа выполняемой методики получены правила вида: шкала с недооценкой эталона, если х4< а1; шкала нормального типа, если а1<х4<а2; шкала с переоценкой эталона, если х4>а2; шкала стабильного эталона, если х2<в1; шкала нестабильного эталона, если Х2>В1, где А1, А2, В1 - пороги принятия решений для разных типов методик, например, для методики воспроизведения линейных размеров объекта: А1-1,1; А2=1,4; В1=15.

Анализ этого правила показал, что методики, использующие определение линейных размеров, характеризуются большей точностью и меньшим разбросом показателей ошибки. Методики восприятия коротких интервалов времени характеризуются средними значениями показателей точности, а методики определения высоты звука дают наихудшие результаты по точности и разбросу контролируемых параметров. На основании проведенных исследований с анализом моделей поведения испытуемого была получена формула для определения функционального напряжения испытуемого при реализации методики воспроизведения линейных размеров объекта и высоты чистого тона без ОС, с ОС и ложной ОС по индексу функционального напряжения:

р И р И р И р Н р Н

ИФН = —7 + — - + —7 + + —,

ДТ Рт Т?т Рт рт 5

ТР 7 ^УБ 2о 7 ле 7 ЛС 9

где ЯТ - текущая величина сопротивления БАТ, ЯН - номинальная величина сопротивления БАТ, определяемая в состоянии спокойного бодрствования у практически здоровых людей контрольной группы, нижние индексы определяют номера БАТ в атласе меридианов. Рост ИФН на 5^Ю% относительно номинальных значений увеличивает показатели точности реали-

Статья

зации методик на 15^20%, если испытуемые не выходят в зону неудовлетворительной адаптации.

Литература

1. Ананин В.Ф. Рефлексология (теория и методы): Монография.- М.: Изд-во РУДН и Биомединформ, 1992.- 168 с.

2. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем.- М.: Наука, 1972.- 372 с.

3. Баевский Р.М., Берсенева А.П. Оценка адаптационных возможностей организма и риск развития заболеваний.- М.: Медицина, 1997.- 235 с.

4. Кореневский Н.А. и др. Синтез моделей взаимодействия внутренних органов с проекционными зонами и их использование в рефлексодиагностике.- Курск: КГТУ, 2005.- 224 с.

5. Крыжановский Г.Н. Общая патофизиология нервной системы: Руководство.- М.: Медицина, 1997.- 325 с.

УДК 615.84

ДИАГНОСТИКА ЭПИЛЕПТИФОРМНЫХ ПРИСТУПОВ И ОСТЕОХОНДРОЗОВ

Рис. 1. Фрагмент диагностической модели для ситуации «остеохондроз грудного отдела позвоночника»

В последнее время, по данным ВОЗ, отмечен всплеск неврологических заболеваний. Патологии, относящиеся к данному классу, помимо утраты трудоспособности, в ряде случаев могут привести к летальному исходу. Среди одних из наиболее часто встречающихся неврологических заболеваний находятся остеохондрозы и эпилептиформные приступы. В структуре неврологических заболеваний эпилепсия стоит на 3-м месте, составляя 19% среди всех заболеваний нервной системы. Частота эпилепсии в детской популяции достигает о,5-о,75%, а фебрильных судорог -до 5%. Более чем у 3о% детей школьного возраста наблюдаются отклонения в развитии позвоночника. Некоторые виды эпилептических припадков могут вуалироваться другими клиническими и параклиническими проявлениями. Повысить оперативность и точность диагностики, сократить сроки лечения, можно, объединяя традиционные подходы с методами рефлексологии. Используя опыт, накопленный на кафедре «Биомедицинской инженерии» КГТУ, в качестве одной из подгрупп информативных признаков для диагностики выбранного класса заболеваний исследовалась диагностическая возможность энергетических характеристик вне- и меридианных биологически активных точек (БАТ). Каким образом информация о состоянии внутренних органов и систем доводится до электродов измерительной аппаратуры? Установлено, что наиболее важную роль в формировании полезного (с точки зрения рефлексологии) сигнала под электродами играют эффекторные клетки (ЭК), которые по нервным путям с электрической проводимостью связываются с микрозонами ретикулярных формаций спинного мозга (МРФс) и далее - с органами и системами.

Анализ множества ЭК, составляющих вместе со «своими» рецепторными аппаратами структуру проекционных зон (ПЗ) и, в частности БАТ, показал, что основу формирования диагностических показателей в виде электрических напряжений и проводимостей составляют ионные межклеточные токи, изменяющиеся под воздействием нервных структур МРФс. В свою очередь МРФ, взаимодействующие с ЭК одной ПЗ, состоят из группы ретикулярных нейронов, объединяющихся в нейронные ассоциации. Назовем эти группы ассоциациями 1-го уровня (А). Для поддержания заданного энергетического уровня множества ПЗ (БАТ), относящихся к одному меридиану ассоциации 1-го уровня, объединяются в ассоциацию более крупных образований -ассоциации 2-го уровня (АМ). Для обеспечения межмеридианных энергоинформационных взаимодействий формируются ассоциации 3-го уровня и т.д. При построении моделей учтено, что каждая ПЗ и БАТ имеет множественные связи с симптомами, синдромами, диагнозами и т.д., которые определены как множество ситуаций. В моделях должен быть предусмотрен механизм, обеспечивающий временной сдвиг (т) энергетического состояния нормально работающих сопряженных меридианов (т^2 часа).

3464о1, г. Новочеркасск Ростовской области ул. Просвещения, д. 132,

Юр жно-Российский государственный технический университет г. Курск, ул. 5о лет Октября, д.94 КГТУ, каф. биомедицинской инженер.

Пользуясь атласами меридианов и методикой, разработанной [2], для выбранных классов заболеваний были синтезированы графические меридианные модели, учитывающие все существенные (для эпилепсии и трех типов остеохондрозов) меридианные и межмеридианные связи. На рис. 1 приведен фрагмент для ситуации «остеохондроз» грудного отдела позвоночника.

Графическое представление меридианной сборки на экране монитора позволяет врачу на этапе диагностики проследить, какие ситуации и в каких пропорциях влияют на изменения энергетических характеристик БАТ, включая влияние центральных управляющих структур (ЦУС), сопряженно работающих меридианов, множественных ЛО-пунктов и т.д. Это позволяет проследить наличие сопутствующих патологий, более точно дифференцировать наличие патологий и степень их тяжести. На этапе рефлексотерапии такие модели позволяют проследить, на какие сопряженно работающие органы и системы будет направлено воздействие на конкретную БАТ, что позволит выбирать такие точки для воздействия и такие параметры, которые минимизируют вредное влияние на те органы и системы, которые находятся в состоянии энергетического дисбаланса. Анализ моделей по методике, изложенной в работе [2], позволяет находить информативные БАТ, которые, подтверждая диагноз, минимизируют возможные ложные диагнозы. Эти информативные точки названы диагностически определяющими точками (ДОТ).

Для синтеза диагностических решающих правил нами был использован аппарат теории нечетких множеств с базовыми формулами расчета коэффициентов уверенности в диагнозе вида: КУ^к/Х) = МД ^к/Х ) - МНД^к/Х)

МД ^К/Х,х ) = МД

МНД ^к/Х,х )=МНД ^к/Х )+МНД^к/х)(1-МНД (и/Х), (3) где МД ^к/Х) - уверенность в диагностической гипотезе Wк с учетом наличия свидетельств (признаков) Х; МД^к/х) - мера доверия к Wк с учетом вновь поступившего признака х; МНД^к/Х ) - соответствующая мера недоверия к Wк; х - текущий признак, поступающий на обработку, причем, запятая между Х и х обозначает, что х поступает для анализа после признаков Х. Учитывая разнородность диагностических признаков (кроме энергетических характеристик БАТ в правилах принятия решений могут использоваться результаты инструментальных методов исследований, опросов и т.д.) в качестве элемента МД^к/Х) предлагается использовать функцию принадлежности к классу Wк

- Цик (хі) с носителем по шкале, определяемой по очередному информативному признаку хі. При отсутствии признаков, исключающих диагноз иі , коэффициент уверенности в диагнозе иі может рассчитываться по мере поступления медицинской информации в соответствии с итерационной формулой:

Киі

где Киі(1)= Циі(хі); І - номер признака участвующего в постанове диагноза иі; і=1 - эпилепсия, і=2 - остеохондроз шейного отдела позвоночника, і=3 - остеохондроз грудного отдела позвоночника, і=4 - пояснично-крестцовый остеохондроз; Киі(І), Киі(І+1) -коэффициенты уверенности в диагнозе иі на соответствующих шагах итерации.

А.В. БУНЯЕВ . А.Е. СОЛОШЕНКО . С.В. СОЛОШЕНКО