Компьютерная электрофизиология

Компьютерная электрофизиология — это развившееся в последнее тридцатилетие междисциплинарное научное направление, связанное с созданием и внедрением в практику современных измерительно-вычислительных средств, методов и методик, позволяющих комплексно автоматизировать все этапы исследования,а именно:

1. Планирование порядка проведения и режимов исследования;
2. Конструирование и компоновка необходимой аппаратуры и окружающей( экспериментальной) среды;
3. Собственно проведение исследования в так называемом режиме реального времени, включающее регистрацию биопоказателей, стимуляцию, биорегуляцию, выполнение функциональных проб, различные виды деятельности, решение задачи др.;
4. Визуальный анализ и редактирование полученных записей;
5. Вычислительный анализ записей;
6. Документирование исследования с представлением результатов в адекватных цифровых, текстовых и графических формах.

Особенности научной области.

Фактически это направлениеявляет собой новую методологию автоматизированных электрофизиологических исследований,о деталях которой поговорим немного позже.Здесь же подчеркнем,что областьэлектрофизиологииврассматриваемом плане имеет три принципиальные отличительные особенности:

• возможность комплексной(сквозной, единой)компьютерной автоматизации на всех этапах исследований, влекущая многократную их интенсификацию на принципиально новом организационно-методологическом уровне;
• возможность проведения всех этапов исследования одним физиологом от начала до конца;
• возможность выполнения всего исследования на одном аппаратно-программном комплексе.

Перечисленные особенности свойственны лишь очень небольшому числу областей знания, неразрывно связанных с проведением активных экспериментов. Поэтому в аналогичном смысле не корректно было бы говорить о«компьютерной астрономии»,«компьютерной геологии»,«компьютерной ботанике»,«компьютерной зоологии»,«компьютерной цитологии» и т.п.

Расширение определения электрофизиологии

Необходимо учесть,что измерительная техника со времен Гальвани существенно прогрессировала,что требует соответствующего расширения классического понимания электрофизиологии. Как известно, Гальвани определил электрофизиологию как область «изучения электрических потенциалов живой ткани». Вс ередине XX в. к этому было добавлено «изучение действия электричества на живые процессы и физические свойства живой ткани, как проводника электричества»[22]. Современное же развитие техники измерений требует расширения понятия электрофизиологи и не только применительнокисточникамбиоэлектросилы,ноисраспространением на все физиологические процессы,доступные косвенному или преобразованному электрическому измерению:импедансо-,тензо-,аэро-,гидро-, динамо-,метрия и т.п. Вторым немаловажным основанием для этого является широкое применение в современных исследованиях совместной регистрациии анализа различных физиологических показателей(полиграфия). И наконец,третьим весомымо снованием является использование для анализа разных показателей одинаковых математических методов и форм представления результатов,при этом доступных в одном и том же интегрированном программном пакете.

Методология компьютерной электрофизиологии

В этом плане рассматриваемое направление,будучи субстанциально междисциплинарными наукоемким(как и многие другие подобные современные направления),объединяет не только несколько традиционных областей знания,но и имеетнекую иерархию предметов своего исследования,используемых методов и конечных результатов на двух взаимосвязанных уровнях:первыйуровень можно назвать методологическим,а второй уровень— физиологическим.

Уровень А.

На своем верхнем отправном уровне(или метауровне) предметом исследования является собственно электрофизиология,потенциально со всеми используемыми в ней постановками задач,экспериментальными схемами,методами и методиками (выступающими в качестве исходных данных),а также с деятельностью в ней электрофизиолога, как существа, подверженного действию биологических,физиологических, психологических,методических,инструментальныхит.п.ограничений.

Основной метод изучения деятельности— системный анализ, который так же следует уточнить во временной развертке,как процесс:

1) сбор и накопление исходных данных;

2) их классификация и систематизация;

3) обобщение сформированием модельных представлений,т.е.выделениеми анализом основных и вспомогательных компонентов и связей между ними.

Специалисты,работающие на этом уровне,вынуждены привлекать целый комплекс профессиональных знаний:математика,системная аналитика, программирование,электронная схемотехника, эргономика, физиология, психология, дидактика и др.

Цель работы - создать компьютерные и методические средства,наиболее полные и адекватные для решения электрофизиологом-исследователем своих профессиональных задач.Поэтому эффективность работы и полученных результатов здесь определяет конечную результативность и качество физиологических исследований, включая потребные для их выполнения интеллектуальные, финансовые и временные ресурсы.

Уровень В.

Второй базисный уровень имеет свой традиционный предмет исследования — физиологические процессы,измеряемые электрически. Работают на этом уровне собственно профессиональные физиологи,которые на основе созданных науровне А компьютерных средств и методов конструируют уже реальные электрофизиологические методики исследования, и на их основе получают конкретные научные результаты в своей предметной области. Созданные здесь новые методики и постановки задач придают дополнительный импульс для совершенствования компьютерных средств и методов,тем самым возобновляя глобальный цикл исследований. Следует подчеркнуть,что указанные две категории специалистов для оптимизации результатов своей деятельности обязаны длительно и теснейшим образом взаимодействовать между собой,делясь опытом,обсуждая проблемы,постановки задач,методики и средства.При этом имеется множество примеров исследователей,эффективно работающих в той или иной степени на обоих выделенных уровнях.

Спецификапредметной области

Область науко-ориентированных компьютерных приложений,к которой принадлежит и электрофизиология, кардинально отличается от многих других целым рядом характеристик:

• Ведущей ролью человеческого фактора,в связи с этим применяемые методики и технологии должны быть ориентированы именно на этот фактор,а не на главные ценности различных сфер производства и бизнеса (продвижение на рынке,максимизация оборота и прибыли,всепроникающая реклама и т.п.);
• Высоким интеллектуальным уровнем пользователей, предполагающим нерутинное,а творческое,разностороннее,а порой и неожидаемое применение предлагаемых средств и методов;
• Невозможностью использования обычных технологий групповой разработки последующим основным причинам : а)практически полное отсутствие начального финансирования проекта;б) крайняя узость круга потенциальных потребителей,определяющая малую окупаемость затрат при внедрении;в)необходимость многолетнего изучения предметной области и автоматизируемой деятельности.

Архитектура функционального исследования

Этапы выполнения исследования

В 1997 были сформированы модельные представления об организациии содержании профессиональной деятельности электрофизиолога, включающие семь последовательных этапов:

1.Модель объекта.

На верхнем уровне формулируются теоретические модельные представления об организациии движущих механизмах исследуемого биологического объекта,процесса или явления.Обычно эти представления исходно заданы,будучи сформированы результатами работ предыдущих поколений исследователей и стоит задача их частичного дополнения или уточнения.Создание принципиально новой модели или кардинальная реконструкция существующей является редкими выдающимся научным событием.

2.Планирование.

С целью верификации или уточнения отдельных модельных представлений формулируются задачи конкретного исследования,выбирается одна из существующих или конструируется новая методика исследования ин а ее основе разрабатывается схема эксперимента,т.е.последовательность действий и событий,имеющих место и время происходить в эксперименте.

3.Техническоеобеспечение. Для реализации схемы эксперимента конструируется экспериментальная среда или установка.Она комплектуется соответствующей аппаратурой и оборудованием, производится настройка и организуется его целостное функционирование. Создается специальное программное обеспечение для управления аппаратуройи анализа полученных результатов.В докомпьютерную эру этот этап мог растягиваться намногие месяцы,и даже годы.

4.Выполнениеисследования.

На экспериментальной установке над испытуемым (животным или биологическим объектом)проводятся серии

15 пробных,контрольных и тестовых экспериментов срегистрацией и записью биосигналов,со стимуляцией,выполнениемфизиологических пробит.п.Циклическое повторение экспериментов для накопления представительной статистики в рассматриваемой схеме может занимать достаточно длительное время. Нередко выявленные на этом этапе недостатки вынуждают возвращаться кэтапу технического обеспечения для корректировки экспериментальной установки или к частичному перепланированию. Этот этап является определяющим для всего последующего исследования, поскольку именно здесь может и должна быть произведена регистрация биосигналов требуемого качества и структуры, сохраняемая на магнитном носителе в виде архивных файлов.Каждый такой файл может включать одну запись или же несколько записей фиксированного или переменного размера,выполненных по заданному числу каналов с минимальными или же длительными временными интервалами между собой.Для удобства обработки или просмотра каждая запись может быть впоследствии логически разбита на эпохи выбранного размера с межэпоховыми интервалами или с перекрытиями.

5.Визуальное изучение.

Производится поиск требуемой записи в архиве иизвлечение ее для изучения и анализа. Выполняется просмотр полученных записей биосигналов,их редактирование с целью удаления артефактов и выбора участков для дальнейшего вычислительного анализа с выполнением специальных преобразований,а также других вспомогательных операций. Достаточно часто визуальный анализ является и одним из наиболее действенных способов формирования как предварительных,так и окончательных выводов,а последующий вычислительный анализ играет сугубо вспомогательную роль.Нередко также выявленные на том этапе недостатки вынуждают повторить эксперименты или даже вернуться к их перепланированию.

6.Вычислительный анализ.

В зависимости от типа биопоказателя применяется тот или иной метод вычислительного анализ,результаты которого представляются в цифровой,словесной или графической форме.Здесь же производится документирование исследования, состоящее в выводе напечать числовых и графических результатов, показательных фрагментов записей,а также формирование предварительного словесного описания изаключения.

7.Интеллектуальный анализ.

Этот этапп редполагает творческое осмысление результатов и сследования и формулировку выводов.Он может обладать как короткой,таки очень длительной временной протяженностью, связанной с корректировкой модельных представлений, дискуссионными обсуждениями,написанием статей,монографий, подготовкой диссертаций,переходом к другой проблематике ит.п.

Электрофизиологические показатели

1)Биоэлектрические показатели прямого измерения представляют собой изменяющиеся электрические потенциалы,генерируемые различными образованиями в центральной и периферической нервной системе:

• электроэнцефалограмма(ЭЭГ),отражающая изменение биопотенциалов головногомозга;
• вызванные потенциалы(ВП)головного мозга или реакции глубинных нейронных структур на внешние раздражители,проявляющиеся как фоновые изменения среднего уровня ЭЭГ;
• электрокардиограмма(ЭКГ),отражающая электрическую активностьс ердца,вызывающую сокращения сердечных мышц;
• электромиограмма(ЭМГ),отражающая электрическую активность, связанную с сокращением скелетных мышц;
• электроокулограмма(ЭОГ),отражающая движения глазного яблока как диполя,образованного разностью потенциалов между сетчаткой и роговицей;
• электрическая активность отдельных нейронов;

2) Показатели косвенного электроизмерения выражаются в изменении электрического сопротивления участков кожии тела человека,для измерения которого необходимо дополнительное пропускание тока через исследуемый орган:

• реограмма(РГ)или изменение объемного сопротивления участков тела и органов,вызванное движением крови по сосудам(изменение кровенаполнения);
• кожно-гальваническая реакция(КГР)или изменение сопротивления кожи,определенное преимущественно реакциями эмоционального характера,отражающимися на деятельности потовых желез;

3) Показатели преобразовательного измерения отражают различные процессы механического,биохимического или биофизического происхождения и требуют предварительного преобразования в изменение электрического тока или напряжения посредством специализированных датчиков:

• фонокардиограмма(ФКГ),представляющаяакустические измеренияшумовсердца;

• фотоплетизмограмма(ФПГ),представляющая пульсовые волны, измеряемые оптическим датчиком,наложенным накровеносные сосуды;
• спирограмма(СГ),отражающая динамику измененияскорости воздушного потокаиз легких при вдохе и выдохе;
• динамика дыхательного ритма и амплитуда дыхания обычно измеряется по растяжению/сжатию на грудных эластичных ремней с тензодатчиками;
• пульсоксиграмма(ПОГ)фиксирует изменения насыщения крови кислородом по отраженному свету с использованием фотодатчиков.

Методы анализа

Хотя методы и средства вычислительного анализа,используемые для функциональной диагностики,существенно различаются в зависимости от области исследования,среди них можно выделить четыре основные группы в порядке нисходящей сложности вычислений,для обозначения которых используем следующие термины: спектрально-аналитические,структурно-аналитические, структурно-вычислительные и структурно-классифицирующие. В результате этого вырисовывается классификация разделов компьютерной электрофизиологии,приведенная на рис, в которой выделяются(в порядке уменьшающейся аналитической сложности) четыре области исследований:исследования мозга,сердечно-сосудистойсистемы, легких и прочих органов и систем организма.

• Спектрально-аналитические методы включают наиболее сложные в вычислительном и концептуальном плане средства,применяемые,в основном,в энцефалографии(см.разд.4.4,4.5)и базирующиеся на разнообразных процедурах частотного и численного анализаспоследующим расчетом различных локальных иинтегральных показателей исиспользованием разнообразных специальных форм временного и пространственного представления результатов. Примерами такихс пециальных форм являются:топографическое картирование,основанное на алгоритмах двухмерного сглаживания ЭЭГ-потенциалов, и трехмерное изображение дипольных источников ЭЭГ-сигналов,получаемое численным (и терационным) решением обратной задачи по измеренным на скальпе ЭЭГ-потенциалам. Триг руппы методов,в названии которых присутствует словоструктурные,применяются к процессам с характерной волновой и периодически повторяющейся труктурой. В связи с этим они имеют общий вычислительный компонент,связанный с выделением в таких повторяющихся компонентах многообразных характерных структурных составляющих (пиков,площадок,точек перегиба),с измерением их амплитудных и интервальных показателей (ручным или автоматическим способом), дополняемым нередко последующим вычислением на этой основе простейших производных и статистических показателей и сравнением их с нормативами.Дополнительные определяющие термины параметрические,вычислительные,аналитические указываютна последовательно возрастающую сложность используемых вычислений,где каждая последующая группа методов включает возможности предыдущей и дополняет их новыми.

• Структурно-параметрические методы, применяемые при анализе ЭМГ -ответовнаэлектрическийраздражитель,ВП,КГР,ЭОГит.п., обычно ограничиваются вышеуказанными средствами структурного анализа. Исследования ВП отличаются только наличием первичного преобразования ЭЭГ-сигнала, состоящего в усреднении нативных ЭЭГ-записей относительно выбранной базы(обычно— относительно стимула).При исследованиях активности отдельных нейронов,их группи КГР-реакций выделенные структурные компоненты нередко далее классифицируются по форме или же по модальности стимула с поиском сходства по образцам,с подсчетом представителей каждого класса и расчетом простейших статистических внутриклассовых показателей.Тем самым,методы данной группы предусматривают сравнительно простые и немногочисленные вычислительные процедуры и формы представления результатов.
• Структурно-вычислительные методы отличаются расчетом более сложных и многочисленныхп роизводных и статистических показателей,а так же присутствием дополнительных вычислительных преобразований сигналов и использованием более развитых форм графического представления результатов.В реографии,например,такие преобразованияс остоят в вычислении первой и второй производных с последующим анализом их элементов структурными методами.В спирографии имеет место начальное преобразование,когда в ходе интегрирования изменения во времени скорости воздушного потока сначала рассчитывается изменение объема вдыхаемого или выдыхаемого воздуха, из которого уже получается безвременная зависимость объем потоксизмерением по ней значений структурных и производных показателей.В исследованиях ЭКГ, ЭРГи поверхностного дыхания одним изо бщих компонентов является построение амплитудно-временныхз ависимостей и интервалограмм,которые затем анализируются визуально,ручными измерениями с вычислением описательной статистики.
• Структурно-аналитические методы,применяемые прианализе ЭКГ и поверхностной ЭМГ,являют дальнейшеерасширение структурно-вычислительных методов в отношении комплексности и многочисленности производных показателей,разнообразия алгоритмов и форм представления результатов.Здесь имеет место использование не только массы статистических оценок и характеристик,но и комплексных показателей,характеризующих работу различных функциональных систем организма (показателиР.М.Баевского и его последователей),а так же конструирование критериальных оценок соотношений между производными показателями,применимых для первичной синдромальной диагностики. Более широко и разнообразно здесь применяются и методы периодометрического и частотного анализа (исследования поздних потенциалов и вариабельности сердечного ритма),а так же классификационные средства с поиском сходства по образцам (например,экстрасистолия в холтеровском мониторинге).При анализе фоновой поверхностной ЭМГ средняя мощность сигнала и его частота оцениваются ручными измерениями или же полуавтоматическими усреднениями на избранных временных интервалах,а так же и вычислением амплитудного спектра по частотным диапазонами эпохам.