CC BY
3Т.В. Гавриленко, С.Г. Еловой, И.Н. Девицын, Д.А. Быковских
ПЕРСОНИФИЦИРОВАННАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА НА ПРИМЕРЕ ПОСТУРАЛЬНОГО ТРЕМОРА И ТЕППИНГА
Введение. При оценке состояния функциональных систем организма человека в современной медицине практически повсеместно используются усредненные или мгновенные значения показателей. При этом патогенез определяется исходя из отклонения значений параметров вектора состояния человека от некоторых установленных среднестатистических значений показателей, определенных для условного нормогене-за. Теория хаоса - самоорганизации постулирует уникальность каждой биологической динамической системы и невоспроизводимость результатов экспериментов [1]. Нередко встречается ситуация, когда использование хорошо известных методик лечения или других воздействий на человека дают непредсказуемый результат. Например, использование микродоз лекарственных препаратов может давать такой же эффект, как и обычных дозировках лекарственных препаратов, или попытка нормализовать тот или иной показатель приводит к выходу за пределы нормы других показателей. До сих пор можно встретить вариант, когда осуществляется подбор терапии методом точечного воздействия на конкретный показатель вектора состояния организма человека или методом проб и ошибок (т.е. изменение терапии при отсутствии положительной динамики).
Целью исследования является создание персонифицированной оценки состояния параметров функциональных систем организма человека (на примере постурального тремора), основанной на теории хаоса - самоорганизации, амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ) зарегистрированных кинематограмм и методах теоретико-множественного анализа.
Объект и методы исследования. Для получения исходных данных использовался разработанный в НИИ БМК при СурГУ бесконтактный способ регистрации тремора (непроизвольные движения конечности человека) и теппинга (произвольные движения конечности человека) -биоизмерительный комплекс (БИК). БИК состоит из следующих двух функциональных блоков: блок датчиков, аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Блок АЦП служит для сопряжения БИК с ЭВМ. В качестве измерительного устройства применяются датчики токовихревого типа. Собственно датчик представляет собой индук-
ционную катушку в специальном корпусе. Анализ зарегистрированных данных проводился на ЭВМ (рис. 1).
Рис. 1. Схема биоизмерительного комплекса регистрации тремора и теппинга
С помощью программы был проведен анализ данных по временным и спектральным характеристикам кинематограмм у испытуемых [2; 3].
Для решения задачи по созданию персонифицированной оценки состояния параметров функциональных систем организма человека использовались амплитудно -частотные характеристики зарегистрированных кинематограмм и методы теоретико-множественного анализа.
Результаты исследования. Если мы определим вектор состояния организма человека для некоторого д-го пациента как XЧ = {хЧг, хч12,..., хч]п}
(п е N и N - множество натуральных чисел, п -количество регистрируемых диагностических признаков, ] е N, ] - номер измерения вектора состояния организма человека), то тогда нормоге-нез определяется исходя из следующего соотношения: 4 е хН = [хшп, хШх1 где г =1 п, а хн = = [х^п, хи - интервал значений п-го показателя вектора состояния организма человека для некоторого «усредненного» человека в нормо-генезе (И). Довольно часто в качестве такого интервала определяют значение величины стандартного откло-нения, т.е. связывают его с величиной дисперсии. Отклонение значении показателей вектора состо-яния организма человека от
ХН = й! , ^Шх ] , т.е. хЧг £ Хг = [хгшт , ^шах ], свидетельствует об отклонении от нормогенеза и переходе к патогенезу.
Но всегда ли должно выполняться соотношение хЧг е ХН = [х:^ х^Шах] для определения нормогенеза человека? Биологические системы, в частности организм человека, остаются наибо-
М
лее сложными системами. Определить нормоге-нез каждого человека путем вхождения его параметров вектора состояния организма человека в некоторые усредненные показатели не всегда удается выполнить корректно. Любая биологическая система находится в режиме непрерывной адаптации по отношению к внутренним процессам и внешним воздействиям, как следствие, любая сложная биологическая динамическая система и отдельные ее составляющие находятся в режиме непрерывного «мерцания», т.е. объективные показатели состояния непрерывно изменяются. Любой диагностический признак вектора состояния организма человека является функцией времени х^ = х^ (?) и в разные моменты времени
принимает различные значения х^ (? ) Ф х^ (?2), естественно, что в какие-то моменты времени мы можем получить и х^ (^) = х^ (?2), но в общем случае для любого признака вектора состояния организма человека / & Ф 0. Особенно ярко это проявляется при изучении таких показателей вектора состояния организма человека, как электроэнцефалограмма, электрокардиограмма, треморограмма и т.д. Данные показатели более объективны, так как демонстрируют динамику поведения показателей вектора состояния организма человека во времени и имеют высокую ди-
агностическую ценность. Но при более детальном рассмотрении данных показателей оказывается, что во времени изменяются не только значения самих показателей, но и внутренняя структура сигнала регистрируемых показателей. Это демонстрирует хаотическую динамику организации самих изучаемых показателей (сигналов). В данном случае речь идет о работе систем организации движений человека.
На рис. 2 приведены примеры регистрации постурального тремора (возникает при удержании позы) и их амплитудно-частотных характеристик у испытуемого 01 в спокойном состоянии без выраженных внешних воздействий в разные моменты времени (¿1 и ¿2).
Исходные сигналы - треморограммы (рис. 2; 3, а) существенно отличаются друг от друга. Если повторять опыт многократно, то мы будем каждый раз получать отличающиеся друг от друга треморограммы. Причина такой динамики проявляется в невоспроизводимости результатов подобных экспериментов (невозможно получить идентичные параметры вектора состояния организма человека даже при одинаковых условиях эксперимента), каждый раз регистрируемые показатели (сигналы) уникальны и, более того, уникальностью будет обладать каждый участок регистрируемого сигнала (подобно рис. 2; 3).
Эременная развертка сигнала
Рис. 2. Треморограммы (а) и их АЧХ (Ь), снятые с пальцев испытуемой а в одинаковых условиях, в момент времени й
Ь
Рис. 3. Треморограммы (а) и их АЧХ (Ь), снятые с пальцев испытуемой в одинаковых условиях, в момент времени й
Если исходить из общепринятых представлений о биологических динамических системах, то можно сделать предположение, что регистрируемый сигнал (треморограмма), обладая уникальностью по внутренним (структурным) свойствам, должен характеризоваться стабильностью и быть сопоставим в различные моменты времени. В противном случае возникает проблема удержания состояния организма человека в пределах нормы (или патологии). В качестве простейшего структурного описателя сигнала может выступать АЧХ регистрируемого сигнала (рис. 2; 3, Ь). При анализе реальных экспериментальных данных оказывается, что АЧХ регистрируемых сигналов также непрерывно варьируются в широких пределах. Распределения амплитуд по частотному спектру существенно отличаются, в том числе максимальные значения амплитуд (58 у.е. - в момент времени t\, 36 у.е. - в момент времени
Для демонстрации существенной вариации АЧХ регистрируемого сигнала (треморограмм), были проведены две серии экспериментов: 1 -регистрировался постуральный тремор (непроизвольные движения) у испытуемой Ог; 2 - регистрировались движения пальца рук испытуемой
Ог во время теппинг-теста (произвольные движения). Каждый эксперимент был повторен 30 раз. Затем для каждого эксперимента при помощи разработанного специализированного программного обеспечения были объединены полученные графики распределения АЧХ, результат приведен на рис. 4.
Рис. 4 демонстрирует, что АЧХ (как при регистрации тремора, так и при регистрации во время теппинг-теста) при многократных повторениях эксперимента обладают высокой вариабельностью. Кривые графиков АЧХ заполняют довольно обширные области и практически не повторяются. При этом возникает проблема идентификации состояния организма человека при анализе структурных характеристик регистрируемых сигналов.
Если представить ]-е измерение параметров вектора состояния организма человека (всего измерений I (7 = 1,1)) для д-го испытуемого в некотором условно стационарном состоянии как вектор значений Xч = [хчг, хч2,..., хчп}, где п - количество значений в векторе состояния организма человека (для АЧХ количество частот разло-
жения исходного сигнала),
- значение к-го
параметра вектора состояния организма человека (для АЧХ к-я частота разложения исходного
сигнала) (к = 1, т), тогда можно сформировать два вектора: ХШЖ = {шах(хЦ,..., х4),..., шах(хЩ,..., <)} и
ХШп = {ш1П(xlчl,..., хлХ..., Ш1П(<,..., хЧп)}. Они при большом количестве измерений (/) параметров будут ограничивать некоторую область, которая и будет описывать состояние организма испытуемого в том или ином состоянии. Иными словами, можно сформировать вектор максималь-ных значений и вектор минимальных значений параметров вектора состояния организма человека. Такую область можно условно назвать областью вариабельности параметров вектора состояния организма человека в некотором условно стационарном состоянии организма.
На рис. 5 представлены графики областей вариабельности векторов состояния организма человека, построенные на основе АЧХ треморо-грамм испытуемого 01, представленных на рис. 4.
Заключение. Область вариабельности позволяет оценивать состояние организма человека по принадлежности к ней текущих значений параметров вектора состояния организма человека,
Хч} е [Х^П, ХЩХ ] Ф е N и характеризует некоторое условно стационарное состояние), при этом любое отклонение от области вариабельности будет говорить о переходе вектора состояния организм человека в другое состояние. Причем область вариабельности для каждого человека будет различной, как для нормогенеза, так и для различных патологических или возбужденных состояний. Фактически формируется индивидуальная (персонифицированная) мера, определяющая состояние организма человека.
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
'АтпГимтниЧп^ппТим
О.1* ,1 .о , к 3 „ь „о •> <Ь- ч- «.*■ Ф- ф,-
1
:дД;я»а1|111111................................
СМ СМ СМ СМ
I
II
Рис. 4. Объединения АЧХ треморограмм испытуемого треморограммы регистрировались в одинаковых условиях, 30 повторений:
I - АЧХ постурального тремора; II - АЧХ во время теппинг-теста
I
II
Рис. 5. Области вариабельности векторов состояния организма человека, построенные на основе АЧХ треморограмм испытуемого
ч
Примечания
1. Хаотическая динамика непроизвольных движений конечности человека в 4-мерном фазовом пространстве / Т. В. Гавриленко [и др.] // Сложность. Разум. Постнеклассика. 2012. № 1. С. 86-94.
2. Еськов В. М. Третья парадигма. Самара : Офорт, 2011. 249 с.
3. Основы биоинформационного анализа динамики микрохаотического поведения биосистем / В. М. Еськов [и др.] // Вестник новых медицинских технологий. 2012. Т. 19, № 1. С. 15-18.
