Биологическая обратная связь

На начальном этапе развития биоуправления как научного направления в области экспериментального изучения физиологических механизмов саморегуляции, адаптации и поведения действие сигнала биологической обратной связи (БОС) в виде биологически значимого подкрепления носило преимущественно энергетический характер (“управляемый эксперимент” конца 50-х – начала 70-х годов). Пересечение регулируемой функцией сверху/снизу некоторого заданного уровня приводило к включению электростимулятора, формирующего околопороговые электрокожные стимулы. Информационная составляющая имела значительно меньший вес – в аналитическом блоке биотехнической системы лишь формировались команды на включение стимулов. Таким путем исследовались: динамика частотно-временных параметров импульсной активности нейронных популяций различных отделов головного мозга, роль отдельных ритмических составляющих этой активности в реализации устойчивых приспособительных перестроек двигательных актов, артериального давления, мышечной активности и т.д. Биологически значимая электростимуляция, синхронизированная с определенными фазами биоритма, способствовала устойчивой минимизации отрицательного энергетического воздействия, содержащего одновременно мотивационный компонент, то есть, имела место реакция избегания тех форм биологической активности, которые вызывали электростимуляцию, и, в то же время, отсутствие стимулов воспринималось как положительное подкрепление.

Технология биологической обратной связи или биоуправление – это комплекс профилактических, лечебных и исследовательских психофизиологических процедур, в ходе которых пациенту посредством внешней цепи обратной связи, организованной преимущественно с помощью микропроцессорной или компьютерной техники, предъявляется информация о состоянии и изменении тех или иных собственных физиологических процессов. Используются зрительные, слуховые, тактильные и другие сигналы-стимулы, что позволяет развить навыки саморегуляции за счет тренировки и повышения лабильности регуляторных механизмов.

Ряд важных результатов получен в многочисленных аналитических обследованиях испытуемых, находившихся в условиях неблагоприятных экологических воздействий. Функциональный характер нарушений, обнаруженных в центральной и автономной нервной системах, дал основания полагать, что применение биологической обратной связи (регулируемая функция – кардиоритм) для психофизиологической поддержки пациентов при нейроциркуляторных дистониях гипертензивного, гипотензивного и нормотензивного типов с кардиальным, астено-невротическим, вазомоторным (церебральным) синдромом и с синдромом респираторных расстройств, включая больных с нейро-психической формой бронхиальной астмы, повысит эффективность общепринятых схем лечения. Указанные виды патологии приводят:
– к нарушению вегетативного баланса и к вероятному нарушению внутри- и межцентрального баланса основных нервных процессов (активации и торможения);
– к искажению биоритмологических закономерностей в кардиоритме, дыхании и т.д. и динамике пространственной электроэнцефалограммы (ЭЭГ);
– к изменению функциональной значимости, локализации и пространственной координации основных ритмов ЭЭГ и их поддиапазонов.

Сочетание традиционных методов лечения с биоуправлением входит в практику стационарной, амбулаторной медицины и реабилитации. Обусловлено это отчасти тем, что процедуры биологической обратной связи благоприятно действуют не только на управляемую функцию, но и на ряд других функциональных систем. Полиграфический контроль состояния становится неотъемлемой частью технологий БОС, которые рано или поздно сделают переворот в профилактической медицине и в областях, связанных с психофизиологической подготовкой операторов систем управления.

Исследования нейрофизиологических механизмов саморегуляции физиологических функций в режиме обратной связи, проводившиеся в НИИЭМ РАМН с 1965 г. под руководством чл.-корр. РАМН, профессора Н.Н.Василевского, очевидным образом показали необходимость учета колебательного характера (периодического торможения и активации) регулируемой функции при БОС-тренинге. Полученные результаты заложили основу нового направления в БОС-технологиях – колебательное или знакопеременное биоуправление. Подобная технология позволяет выявлять и восстанавливать естественные (собственные) биологические ритмы организма. При этом пациент не ставится в рамки “жесткой” инструкции, ему предлагается лишь следовать за текущей динамикой регулируемого процесса, биоритм которого нуждается в коррекции (с предъявлением “целевой” функции или без нее).

В биотехнических системах последних поколений, реализующих принцип соответствия параметров сигнала обратной связи характеру физиологической функции (последовательность включения мышц в реализации двигательного акта, колебательная структура сердечного ритма, артериального давления, нормализация собственной электроэнцефалограммы и т.д.), благодаря установке на успешный конечный результат информационно-мотивационная насыщенность сигнала обратной связи чрезвычайно велика. В качестве подкрепляющего мотивационного фактора используются специально подобранные видеоклипы, видеофильмы, музыка, в том числе “музыка мозга”. Активно развиваются мультимедийные варианты с соревновательными сюжетами. Необходимо подчеркнуть, что достигнутый в результате процедур (10–20 сеансов по 6–8 проб в каждом) и осознанный пациентом положительный результат является дополнительным “допингом” – положительная мотивационная обратная связь. При этом в управление включаются как произвольно, так и непроизвольно регулируемые механизмы. Положительный клинический результат устойчив в течение длительного времени – более одного года.

Изучение механизмов влияния колебательного биоуправления c обратной связью на центральные и периферические звенья регуляции центральной и автономной нервной систем и выявление подходов для расширения резервов адаптации при патологических состояниях физиологических функций представляет несомненный интерес в связи с новизной технологии и наличием значительных пробелов в области научно-прикладных исследований. Очевидно также, что дальнейшее развитие БОС-технологий определяется внедрением персональных устройств, обеспечивающих реализацию принципа системной регуляции непроизвольных функций, направленной на нормализацию их колебательной структуры и управление биоритмологической информацией.

Таким образом, экологически чистая технология биоуправления с обратной связью колебательного характера – это психофизиологическая коррекция ритмов автономной нервной системы и ритмов головного мозга за счет периодической смены “активации” и “торможения” управляемой функции в пределах индивидуальной физиологической нормы.

РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ РЕГИСТРАЦИИ, ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА СИГНАЛОВ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

Создание новых и развитие известных способов выявления, предупреждения и лечения заболеваний человека является важной научной задачей. Большую помощь в её решении оказывают технические средства, отображающие в той или иной степени различные физиологические процессы, протекающие в организме человека, путём регистрации и обработки параметров сигналов его физиологической активности. Одновременная регистрация сигналов от разных систем организма и их совместный анализ позволяют получить комплексную оценку состояния организма человека, выявить существующие донозологические нарушения, выявить скрытые закономерности и прочее.
Однако, практическая реализация систем регистрации, обработки и анализа сигналов физиологической активности (жизнедеятельности организма) связана с проблемами научно-технического характера. В отделе экологической физиологии (ОЭФ) НИИ Экспериментальной медицины СЗО РАМН группа под руководством заведующего лабораторией д.б.н., профессора Н. Б. Суворова и ведущего научного сотрудника к.т.н. А. В. Белова работает над созданием элементов и узлов, алгоритмов и программ аппаратно-программных средств регистрации, обработки и анализа физиологических сигналов различного происхождения, часть из которых используется в качестве основы для обеспечения биологической обратной связи.
Наибольший опыт группы связан с разработкой систем оценки регуляторных процессов сердечной, сосудистой и дыхательной систем на основе регистрации и анализа их параметров, в частности вариаций частоты сердечных сокращений, частоты дыхания и температурных осцилляций.

Наиболее используемым информационным сигналом для анализа и оценки является электрокардиосигнал (ЭКС). При его регистрации возникает ряд существенных научно-технических проблем. Их можно разделить на три основные группы.

Первая связана с особенностями самого ЭКС:
– амплитуда ЭКС при дыхании может изменяться вследствие изменения положения электрической оси сердца относительно отведений (эффект Самойлова-Эйнтховена);
– амплитуда ЭКС у людей может отличаться на порядок;
– сигнал имеет квазипериодический характер;
– характерные элементы ЭКС могут значительно изменяться из-за различных кардиопатологий;
– динамический диапазон информационных составляющих сигнала составляет 60 дБ – от 10 мкВ до 10 мВ;
– частотный диапазон информационных составляющих сигнала составляет 3,5 декады – от 0.05 до 150 Гц.

Вторая группа проблем определяется биологическими особенностями человеческого организма, в частности, наличием других источников электрофизиологической активности:
– фоновых миопомех, связанных с тонической активностью мышц;
– двигательных миопомех;
– помех, связанных с особенностями организма (волосяной покров, конституция и др.);
– помех, связанных с изменением состояния кожного покрова (озноб, потливость и др.).
Третья группа связана с внешними воздействиями, вызывающими на поверхности тела человека дополнительные электрические потенциалы, в том числе, и от внешних электромагнитных полей:
– помеха от силовой сети 50 Гц;
– помехи от излучения радиотелевизионных вещательных передатчиков;
– помехи от работы мощных электрических установок (электроножи);
– помехи от поляризации электродов.

Для решения упомянутых проблем в ходе проводимых исследований были разработаны, промоделированы и макетированы следующие узлы:
– входные усилители биосигналов с высоким уровнем подавления помех;
– полосовые аналоговые ARC фильтры для выделения необходимых спектральных составляющих ЭКС;
– нелинейные высокодобротные полосовые аналоговые ARC фильтры, эффективно устраняющие «звон» от воздействия R зубцов ЭКС;
– режекторные аналоговые ARC фильтры с плавной перестройкой величины добротности;
– ряд аналоговых выделителей R зубца ЭКС, работающих во всём диапазоне изменений амплитуды ЭКС и периода TRR;
– преобразователи напряжения питания, индикаторы разряда аккумулятора;
– импульсные оптические развязки для связи с ПК.