CC BY
44
Полноценная реализация предложенных мер возможна лишь при создании научно-обоснованной концепции, затрагивающей наиболее значимые элементы структуры отрасли, отвечающие за ее жизнеспособность в целом.
Список литературы
1. Указ Президента Российской Федерации от 7 мая 2012 года
№ 603 "О реализации планов (программ) строительства и развития Вооруженных Сил Российской Федерации, других войск, воинских формирований и органов и модернизации оборонно-промышленного комплекса".
2. Поляков Е.П. Реализации совместного интеллектуального ресурса кафедр машиностроительного факультета ИВТС им. В.П. Грязева и предприятий оборонной отрасли // Вестник Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.
M. S. Vorotilin, A.E. Solovev, A.N.Chukov
PROBLEMS OF PREPARATION OF HIGHLY-SKILLED PERSONNEL IN INTERESTS OF DEFENSE INDUSTRY COMPLEX.
Questions connected with preparation of highly skilled experts in interests of defense industry complex on an example of the Tula state university are considered
Key words: defense industry complex, educational institutions, experts.
Получено 17.10.12
УДК 519.673
А.Ф. Индюхин, канд. биол. наук, (4872)35-05-52, ind a [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.Л. Коржук, канд. техн. наук, доц., проф., (4872)35-05-52, pbs. tula@rambler. ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОТ УЧЕБНЫХ ЗАДАЧ К ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМ
Рассмотрен перечень технических дисциплин, применяемых при регистрации, обработке и анализе ЭЭГ. Показана возможность создания системы диагностики неврологических нарушений.
Ключевые слова: биотехническая система, электроэнцефалограмма, цифровой фильтр, математическая модель
С момента возникновения теории биотехнических систем (БТС) (В.М. Ахутин, 1980) приоритетными направлениями ее развития были исследование и разработка методов и приборов медицинской диагностики. На кафедре «Приборы и биотехнические системы» в рамках выполнения
госбюджетной НТР «Исследование и проектирование электромеханических и электронных приборов, систем и комплексов. Моделирование БТС диагностики» (шифр 03 - 10) проводятся работы по динамическому анализу (ДА) электроэнцефалограмм (ЭЭГ).
Это новый метод анализа ЭЭГ, позволяющий в реальном времени оценить уровень взаимодействия тех участков коры, с которых регистрируется ЭЭГ. Он состоит в том, что сигнал ЭЭГ подается на цифровой фа-зочувствительный самонастраивающийся фильтр (ФСФ), который выделяет сигнал доминирующего ритма. Настройка осуществляется известным из радиотехники методом ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты). На вход регулятора подаются входной и выходной сигналы фильтра. Регулятор измеряет разницу фаз сигналов и вырабатывает управляющий сигнал, изменяющий резонансную частоту полосового фильтра. По окончании настройки доминирующий ритм проходит сквозь фильтр без фазовых и амплитудных искажений. В результате в любой момент времени известны мгновенное значение сигнала доминирующего ритма и его частота.
На основе указанного метода ДА проводятся научно-исследовательские работы по созданию:
1) БТС диагностики неврологических нарушений;
2) БТС диагностики биоритмов бинокулярного зрения;
3) БТС нейроинтерфейса с параметрической настройкой.
В процессе разработки необходимо решить следующие задачи:
- разработать структуру и математическую модель ФСФ;
- разработать методику расчета параметров ФСФ на основе теории регулирования;
- разработать метод диагностики неврологических нарушений на основе обработки ЭЭГ детей с известным диагнозом;
- разработать структуру подсистемы выявления грубой патологии на основе ФСФ;
- разработать метод определения вызванных потенциалов мозга человека с использованием ФСФ;
- разработать программное обеспечение системы диагностики.
Согласно теории БТС человек является неотъемлемой частью системы «человек - машина». Методология этой теории требует особого подхода к поэтапному учету характеристик и параметров биологического объекта, о которых можно сделать выводы только с учетом работы головного мозга, единственным окном в который, по словам акад. А.С. Батуева, является ЭЭГ.
С точки зрения инженера, ЭЭГ представляет собой так называемый «розовый шум» в полосе 0,5...40 Гц, причем основная мощность его сосредоточена в диапазоне 8.13 Гц, это доминирующий «ритм» -альфа-ритм. Берем в кавычки слово «ритм», поскольку термин пришел из электрофизиологии и означает не просто частотную составляющую, а име-
ет некоторые феноменологические особенности, в частности, периодически изменяющуюся амплитуду. На ЭЭГ весьма заметны «веретена» альфа-ритма, когда амплитуда его от максимума уменьшается почти до нуля и снова возрастает до максимума. Максимум амплитуды меняется с возрастом пациента и располагается в диапазоне от 20 до 150 мкВ. Длина «веретена» в норме - от 5 до 8 секунд. Происхождение альфа-ритма связано с ретикулярной формацией, он, в свою очередь, тесно связан с работой зрительного анализатора. Наиболее выражен при закрытых глазах, при открывании глаз подавляется.
Другие ритмы ЭЭГ - бета-, тэта-, дельта- (не будем здесь на них останавливаться) - также функционально обусловлены и занимают свои частотные диапазоны.
Рассмотрим проблему с другой стороны. В ЭЭГ содержится масса информации о работе функциональных систем организма. В коре больших полушарий головного мозга находятся управляющие механизмы этих систем, которые получают сигналы от периферических отделов нервной системы, обрабатывают их и формируют команды управления для исполнительных органов - мускулатуры. Таких систем тысячи - разного уровня, постоянно действующих и формируемых временно для решения конкретных разовых задач. Кажется невозможным в интерференционном хаосе проследить за работой отдельной системы, но если бы это было возможно, определенные зоны коры предстали бы перед нами в виде динамических звеньев, имеющих свои передаточные функции. А значит, на этом пространстве применим аппарат теории автоматического управления.
Ввиду стохастического характера объекта исследования к ЭЭГ применимы все методы статистического анализа - корреляция, спектральный анализ, когерентный анализ, вейвлет-анализ, полиспектральный анализ, дискриминантный и кластерный анализ, оценки достоверности, критериальный анализ и многое другое. Таким образом, практически весь курс теории вероятностей и математической статистики может быть практически отработан в процессе анализа ЭЭГ.
Обработка ЭЭГ - поле действия дискретных методов. Только в 90-х годах укрепилось, наконец, в умах врачей понимание, что компьютер может помочь в обработке и анализе ЭЭГ. Цифровые фильтры, цифровые окна, интеграл свертки, устранение трендов и артефактов, поиск эпифеноменов, сплайн-интерполяция, режектирующие фильтры, не говоря уже об упомянутой спектральной плотности мощности.
Применение ДА позволяет, не проводя спектральных преобразований, определить частоту доминирующего ритма. Проведенные исследования показали, что частота, амплитуда и длина веретена доминирующего ритма (в ЭЭГ чаще всего это альфа-ритм) являются ценными диагностическими показателями в онтогенетическом плане [1].
Другим приложением ДА оказался сравнительно простой алгоритм автоматической диагностики эпилепсии [2]. При прохождении через полосовой фильтр комплекса «острая - медленная волна» резонансная частота фильтра изменяется по визуально сходному закону, что позволяет корреляционным методом обнаружить искомый комплекс.
Систему ДА можно использовать в компенсационном режиме: вычитая из исходного сигнала ЭЭГ сигнал доминирующего ритма, визуализировать те низкоамплитудные составляющие, которые незаметны на фоне более высокоамплитудной активности. В частности, таким образом можно регистрировать единичные реализации когнитивных вызванных потенциалов Р300 [3]. Поставив перед испытуемым задачу «проговаривать» слова, соответствующие подаваемому стимулу, можно проследить формирование команды в моторном центре речи, т. е. определить не только электрофизиологические, но и психофизиологические характеристики пациента.
В рассматриваемом способе ДА можно определить уровни и частоты синхронизации [4]. Выходные сигналы усилителя ЭЭГ попарно поступают на одинаковые фильтры диапазонов, после которых сигналы идут на блоки произведений, на выходе которых при наличии в сигналах общих синусоидальных составляющих будет присутствовать некоторый уровень постоянного сигнала. Количество анализируемых диапазонов может соответствовать стандартным шести (дельта, тета-1, тета-2, альфа, бета-1, бета-2) либо быть каким-либо другим.
Рассмотрены четыре группы детей в возрасте от 4 до 10 лет: «Норма» - 29 человек, «Минимальная мозговая дисфункция» - 33 человека, «Нарушения зрения» - 19 человек, «Нарушения слуха» - 22 человека. Для всех были получены уровни и частоты синхронизации в диапазонах дельта, тета, альфа, и бета по 120 парам отведений (для 16 каналов регистрации). Проведено сравнение групп с неврологическими нарушениями с группой «Норма» по всем 960 параметром и точным методом Фишера получена достоверность отличий.
С использованием всех перечисленных возможностей ДА разрабатывается высокотехнологичный диагностический комплекс экспресс-оценки неврологического и психофизиологического состояния пациента в виде портативного прибора с минимальным временем обследования и выдачей заключения на миниатюрный экран. Комплекс соответствует по своей реализации востребованному на современном этапе процессу проведения комплексного изучения состояния здоровья и динамики психофизиологического развития подрастающего поколения. Представляет определенный интерес имитация ЭЭГ на математической модели. На первый взгляд, тривиальная задача, связанная с прохождением случайного шума через формирующий фильтр с определенными параметрами, может служить наглядным примером получения регулярных колебаний из первичного хаоса.
В результате непрерывного слежения в любой момент времени известно не только мгновенное значение доминирующего ритма, но и его частота. Открывается обширное поле исследований - от характеристик самого ритма до выявления когнитивных составляющих биоэлектрической активности, связанных с принятием решений, опознанием стимулов, формированием команд управления.
Таким образом, при проведении НИР используются теория БТС, теория регулирования, математическое моделирование, цифровые методы обработки сигналов, методы математической статистики (корреляционный анализ, оценки достоверности, факторный анализ), математическая логика, алгоритмическое программирование.
К такой многоплановой работе на кафедре широко привлекаются студенты, поскольку на примере электроэнцефалографии можно изучить практически весь курс технических дисциплин, преподаваемых в нашем вузе - от радиоэлектроники до системного анализа, от микропроцессорной техники до математического моделирования. Захватывающие перспективы изучения главного органа человека привлекают ежегодно на нашу сторону немало энтузиастов.
На кафедре ежегодно по проблематике ЭЭГ выполняются более двадцати курсовых работ студентами третьего и четвертого курсов, от двух до пяти дипломных проектов, по две - три бакалаврские работы и от одной до четырех магистерских диссертаций. При этом тематика достаточно широка - от определения характеристик человека как звена в системе тренинга с биологической обратной связью и моделирования способов обработки ЭЭГ (младшие курсы) до разработки систем диагностики и исследования электрофизиологических особенностей различных заболеваний. Разработаны фактически новые способы диагностики неврологических нарушений, основанные на спектральном анализе мультипликативных сигналов и выявлении и анализе единичных ответов центральной нервной системы на внешние раздражители.
Для ВКР выбираются сложные исследовательские темы в рамках проводимой НИР. Дипломное проектирование студенты начинают, по крайней мере, за год до защиты. Первые результаты исследований по дипломным проектам 2012 г. были поданы в октябре 2011 г. на конкурс научных работ в г. Саратов, затем опубликованы. Пять студентов, один магистрант и аспирант получили сертификаты, а один магистрант совместно с бакалавром получили диплом за третье место в конкурсе. Студенты приняли активное участие в конференции «Приоритетные направления охраны здоровья ребенка в неврологии и психиатрии» (сентябрь 2011 г., г. Тула). Разработка кафедры «Биотехническая система скрининговой диагностики неврологических нарушений для диспансеризации детей» была представлена на выставке VII Форума «Здоровье нации - основа процветания России», проходившей в Манеже 15 - 17 сентября (г. Москва), Два ма-
гистранта и аспирант участвовали с докладами в IV Молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации» (декабрь 2011 г.). Четыре студента-дипломника выступили с докладами на 48-й Студенческой конференции ТулГУ в 2012 г. Три студента получили дипломы за научную работу на конференции «Наука XXI века глазами молодых ученых и специалистов» в апреле 2012 г., пять студентов представили 2 доклада. В ноябре 2011 г авторами подана заявка на предполагаемое изобретение. В феврале 2012 г. в соавторстве с Н.С. Тарховым опубликована статья в журнале «Медицинская техника». По направлению диагностики бинокулярного зрения в 2011 г. Н.Л. Коржук, Н.В. Ивахно и А.Ф. Индю-хин получили премию им. С.И. Мосина.
Разрабатывается аппаратура для эксперимента в Диагностическом центре ТОКБ (когнитивный стимулятор для определения профпригодности спортсменов и построения нейроинтерфейса). В работе участвуют аспирант и два магистранта первого года обучения. Один из них опубликовал статью в сборнике «Физическая культура и спорт студенческой молодежи в современных условиях» (Всероссийская конференция в Туле, декабрь 2011 г.), другой выступил с докладом в г. Рязани на конференции «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (май 2012 г.).
Список литературы
1. Жеребцова В.А. Системный анализ механизмов организации высших психических функций в онтогенезе: дис. ... д-ра. биол. наук. Тула, 2004. 354 с.
2. Подсистема электроэнцефалографической диагностики эпилепсии / Л.М. Мишина [и др.] // Медицинская техника. 2012. № 1 (271). С. 22-25.
3. Способ диагностики длиннолатентного вызванного потенциала мозга и устройство для его осуществления: пат. Рос. Федерация № 2240036 от 20.11.2004
4. Способ электроэнцефалографической диагностики неврологических нарушений / Н.Л. Коржук [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Медицинские информационные системы». Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. № 8 (109). С. 121-127.
A.F. Indyukhin, N. L. Korzhuk
FROM EDUCATIONAL PROBLEMS TO RESEARCH
There was considered a list of technical disciplines used in acquisition, processing and analysis of the EEG. The possibility of creating a system of diagnosis of neurological disorders is shown.
Key words: bioengineering system, electroencephalogram, digital filter, mathematical
model.
Получено 17.10.12
