Научная статья на тему 'Использование нейрокомпьютерной технологии для медицинской диагностики и терапии. Шифр работы «Эмбрион»'

Использование нейрокомпьютерной технологии для медицинской диагностики и терапии. Шифр работы «Эмбрион» Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

CC BY
257
47
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Использование нейрокомпьютерной технологии для медицинской диагностики и терапии. Шифр работы «Эмбрион»»

© В.Д. Цыганков, С.К. Шарифов, 2007

УДК 61

В.Д. Цыганков, С.К. Шарифов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ТЕРАПИИ.

Шифр работы «ЭМБРИОН»

Семинар № 22

и елью настоящей работы является практический синтез наиболее значимых достижений официальной медицины и нейрофизиологии и достижений современных традиционных и виртуальных нейрокомпьютеров для решения важнейшей задачи — сохранение здоровья населения России.

Для сбережения здоровья пациента необходимо:

- определить номенклатуру, количественно табулировать параметры нормального состояния здоровья и разработать методику и медицинскую аппаратуру для диагностики и измерения параметров состояния «Здоров»;

- разработать методики и медицинские приборы для диагностики, измерения величины и распознавания признаков патологических отклонений от нормы;

- разработать методики активного самостимулирующего терапевтического воздействия;

- разработать медицинские приборы для разомкнутого терапевтического воздействия на патологические очаги пациента;

- разработать кибернетическую замкнутую через пациента систему «Диагностика — терапия» с автоматическим регулированием и обеспече-

нием перевода патологии в норму, в состояние «Здоров».

Решение данной задачи предполагает, в первую очередь, разработку методов, рабочих методик и технологий, обеспечивающих эффективную диагностику и терапию пациента. Мы предлагаем один из вариантов необычной и эффективной нейроком-пьютерной технологии. Данная технология и работа оригинальная, имеет сугубо российский приоритет, защищена Авторским свидетельством СССР № 36028 с приоритетом от января 1966 г и заявкой на патент РФ № 2002131406 от 25.11.02 г. Суть настоящей работы в следующем.

В представленной работе рассматривается разработанная и реально работающая техническая модель кибернетической замкнутой системы «Диагностика — терапия» или, в более узкой интерпретации, система «Восприятие — действие», названная нами «Краб -3». В основу ее построения взяты две российские разработки: всемирно известная нейрофизиологическая теория функциональной системы академика П.К. Анохина

[1] и виртуальный нейрокомпьютер «ЭМБРИОН» В.Д. Цыганкова

[2], [3].

Виртуальный нейрокомпьютер «ЭМБРИОН» представляет собой

Фото. 1. Кибернетические системы «Восприятие - действие» типа «КРАБ-1» (слева) и «КРАБ-3» (справа)

реализованный на современной микроэлектронной базе в виде Программируемой Логической Интегральной Схемы (ПЛИС) нейрочип электронной модели простого живого мозга в виде функциональной системы П.К. Анохина. Особенностью разработанной нейрофизиологической электронной модели мозга является возможность быстрого, в реальном времени, создания в нейрочипе сложной нейронной сети, объемом до 105 шт. виртуальных нейронов. Другие особенности электронного мозга: способность этой сложной виртуальной нейронной сети адаптироваться к изменениям состояний внешней среды; способность нейрокомпьютера обучаться, экстренно динамически перестраиваться в составе кибернетической системы типа «Восприятие — действие» при изменении ситуации, при внутренних нарушениях, сохраняя при этом работоспособность. Виртуальный электронный мозг при генерации мощной нейронной сети расходует на построение небольшое число микроэлектронных элементов, транзисторов и логических элементов, однако, он исключительно живуч,

имеет очень высокую надежность и помехоустойчивость. Такой обучающийся нейрочип может поставляться в медицинские учреждения и там использоваться, например, во всевозможных диагностических медицинских приборах и в системах типа «Диагностика — терапия» различного назначения, в частности, в медицинских системах для автоматической компенсации нарушенных функций.

Система «КРАБ -3» представляет собой совокупность сенсоров, установленных на шасси тележки (фото. 1), которая приводится в движение двумя двигателями — эффекторами с независимым управлением от двух нейрокомпьютеров, расположенных в одном корпусе микросхемы нейрочипа. Сенсоры и эффекторы гибко связаны между собой динамической обучаемой виртуальной нейронной сетью нейрокомпьютера «ЭМБРИОН», ПЛИС которого размещена на печатной плате в корпусе тележки. В одном корпусе ПЛИС размещены два 4-х разрядных нейрокомпьютера типа «ЭМБРИОН» с входной сенсорной

Донозологическая диагностика физиологических функций человека

I Цмцшармиа Р Ь

"Ті «и ЬШСЛ «-чл

, МФЖЇЛ -»оч

Рис. 1. Индивидуальный «вегетативный портрет» в координатах физиологических параметров (по К.В.Судакову [4])

матрицей размером 8x8 рецепторных клеток, с общим числом ассоциативных нейронов в электронном мозге более 10 000 шт. и более 500 мотонейронов.

Данная кибернетическая система решает последнюю из перечисленных выше задач. В системе имеются записанные эталоны сенсорных воздействий «Норма» и «Патология» при доминировании сигналов «Боль» в процесс-се выбора движения и формирования поведения.

На основании опыта многолетней работы коллектива НИИ нормальной

физиологии им. П.К. Анохина РАМН под руководством К.В.Судакова разработаны «Система оценки и реабилитации ранних нарушений физиологических функций человека на рабочем месте» и методика непрерывной оценки состояния обследуемого с помощью интегрального параметра «Уровень здоровья» в виде коэффициента дисбаланса ( Кб ) путем построения и анализа «Образа состояния» (рис. 1). Если значение Кб >1,5, то применяются различные терапевтические и реабилитационные воздействия, пока организм не войдет в зону «Удовлетворительной адаптации».

Итак, задача профилактики и реабилитации сводится к получению «Полезного результата» или к двум алгоритмам и программам поведения:

а) Удержание состояния «Норма» (Красная линия на рис. 2) и

б) Компенсация нарушенных функций (Синяя область на рис. 2) или уход от «Боли». Это и демонстрирую примеры реализованной новой нейрокомпьютерной технологии в кибернетических системах типа «КРАБ-1»

- «КРАБ-3».

Если от оптических и тактильных сенсоров тележки поступает информация о нахождении критических параметров жизнеобеспечения «Боль» в пределах допустимого диапазона «Норма», то терапевтичекого воздействия нет. Тележка (наш «живой» ор-

Рис. 2. «Норам» (красная линия) и»Паталогня» или «Боль» (синяя область) на диаграмме «Образ состояния у системы «Краб»

Фото 2. «Диагностический комплекс» в виде программной реализации на ноутбуке эмулятора виртуального нейрокомпьютера «ЭМБРИОН» для распознавания сигналов, представленных на рисунке 2 (разработчик программы- эмулятора П.И. Гусев)

ганизм) либо стоит, либо бежит вперед с целью обнаружения и добычи «Пищи».

Если от сенсоров поступают сигналы, свидетельствующие о появлении признаков патологии или «Боли», то наша кибернетическая система начинает формировать активное защитное терапевтическое действие или поведение, направленные на уменьшение вредного воздействия или уклонения от «Боли». Особенностью предлагаемой нейрокомпьютерной технологии является то, что система самопрограммируется и адаптируется к заранее не известным, изменяющимся внешним условиям путем формирования нового поведения. Она переучивается и запоминает свое новое оптимальное состояние «Норма», т. е. автоматически формирует «Полезный приспособительный результат». Это все демонстрирует представленный экспериментальный образец нейрокомпьютерной кибернетической системы «Диагностика — терапия».

На представленном экспериментальном образце «КРАБ - 3» демонстрируется известный из официальной

медицинской практики феномен автоматической компенсации нарушенной двигательной функции при гетерогенном анастомозе нервных стволов (рис. 3). Эта процедура представляет процесс автоматического восстановления нарушенной двигательной координации робота после, например, перекрестного соединения оптических сенсоров правой половины тела с эффекторами левой половины. Этот эксперимент демонстрирует возможность практической реализации предлагаемой нейрокомпьютерной технологии для обеспечения «живучести» автономных систем.

«Полезный результат» в нейроком-пьютерной функциональной системе или «Норма», как мобилизующий и организующий фактор, экстренно, в реальном масштабе времени создает новую функциональную систему, новый вариант нейронной сети и ее организации для компенсации нарушенной функции, для восстановления «Нормы». Никакого внешнего вмешательства врача-оператора, а тем более, перепрограммирования не требуется. Наша кибернетическая система сама автоматически находит выход

из создавшегося положения, находит нужное для выживания и сохранения здоровья решение или терапевтическое воздействие.

Виртуальный нейрокомпьютер «ЭМБРИОН» имеет, кроме аппаратной, еще и программную реализацию

[3] в виде программного эмулятора, реализованного в ноутбуке (фото 2).

Данная разработка представляет собою настольный «Диагностический

комплекс» и предназначена для распознавания и диагностики неформа-лизуемых периодических сигналов (рис. 4) неправильной формы типа ЭКГ, ЭЭГ, пульсограмм и др., при наличии сильных помех. Виртуальный нейрокомпьютер «ЭМБРИОН» в этой задаче выступает в роли системы, распознающей плоские образы.

Таким образом, разработанные экспериментальные образцы киберне-

тической системы «КРАБ — 3», построенной на базе нейрочипа отечественного нейрокомпьютера «ЭМБРИОН», и настольного программного «Диагностического комплекса», практические работы и эксперименты на их основе позволяют заключить, что предлагаемая нейроком-пьютерная технология позволяет достигать следующих актуальных целей развития отечественного здравоохранения:

• Распространение передового опыта создания эффективных электронных медицинских кибернетических систем.

• Содействие развитию методов и технологий традиционной медицины.

• Совершенствование и развитие научной базы традиционной медицины путем объединения достижений как официальной государственной, так и традиционной \медицины.

• Сочетание практических результатов применения разработанных систем, медицинских диагностических

1. Анохин П.К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М Медицина, 1968.

2. Цыганков В. Д. Виртуальный нейрокомпьютер «ЭМБРИОН», М. СИНТЕГ, 2005.

и лечебных комплексов с глубоким научным анализом (смотри [2], [3]).

Предлагаемые нейрокомпьютер-ные технологии могут находить и уже находят практическое применение при решении, например, следующих сложных и важных задач:

• автоматический мониторинг в опасных и недопустимых для пребывания человека условиях,

• беспилотное автоматическое вождение транспортных средств,

• распознавание и диагностика сложных неформализуемых сигналов и образов (лиц по мимике, отпечатков пальцев, иридодиагностика),

• самопрограммирование, обучение и автоматическое формирова-

ние целесообразного поведения в незнакомой обстановке (роботы-игрушки, тренажеры),

• компенсация нарушенных функций и обеспечение безопасности, высоких показателей надежности и помехоустойчивости, самосохранения.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Цыганков В.Д. Нейрокомпьютер и мозг. М. СИНТЕГ, 2001.

4. Судаков К.В. Санатрон. М. «Горизонт», 2001. ШИН

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------

Цыганков Владимир Дмитриевич - кандидат технических наук, член-корр. Международной Академии информатизации, заместитель директора по науке Научно Исследовательского Центра (НИЦ) «Кристалл» (г. Москва), руководитель работы.

Шарифов Сабухи Князевич - директор ООО «Опытно-конструкторское бюро Ша-рифов» (г. Москва), головной исполнитель работы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.