Компьютерная электрофизиология

Компьютерная электрофизиология — это возникшее на рубеже 90-х годов новое 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 направление являет собой новую методологию автоматизированных электрофизиологических исследований, которая в рассматриваемом 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». В середине XX в. к этому было добавлено «изучение действия электричества на живые процессы и физические свойства живой ткани, как проводника электричества». Современное же развитие техники измерений требует расширения понятия электрофизиологи и не только применительно к источникам биоэлектросилы, но и с распространением на все физиологические процессы, доступные косвенному или преобразованному электрическому измерению: импедансо-, тензо-,аэро-, гидро-, динамо- и т.п.-метрия. Вторым немаловажным основанием для этого является широкое применение в современных исследованиях совместной регистрации и анализа различных физиологических показателей (полиграфия). И наконец,третьим весомым основанием 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 междисциплинарным и наукоемким (как и многие другие подобные современные направления), объединяет не только несколько традиционных областей знания, но и имеет некую иерархию предметов своего исследования, используемых методов и конечных результатов на двух взаимосвязанных уровнях: первый уровень можно назвать методологическим,а второй уровень — физиологическим.

Обобщённая модель компьютерной электрофизиологии

	Объект	Исследователь	Методы	Результаты
Уровень А	Электрофизиология	Системный аналитик	Математика,схемотехника, программиривание,эргономика...	Компьютерные средства и методики
Уровень В	Физиологические процессы	Физиолог	Физиологические методики	Биологические модели и методики

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, инструментальных и т.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 с формированием модельных представлений, т.е. выделением и 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 на уровне 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.

Специфика проблемной среды

Область научно-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 не рутинное, 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 организации и содержании профессиональной деятельности электрофизиолога, включающие семь последовательных этапов:

1.Модель объекта.

На верхнем уровне формулируются теоретические модельные представления об организации и 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 редким и 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 и на ее основе разрабатывается схема эксперимента, т.е. последовательность действий и событий,имеющих место и время происходить в эксперименте.

3.Техническое обеспечение.

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 аппаратурой и анализа полученных результатов. В докомпьютерную эру этот этап мог растягиваться на многие месяцы и даже годы.

4.Выполнение исследования.

На экспериментальной установке над испытуемым (животным или биологическим объектом) проводятся серии пробных,контрольных и тестовых экспериментов с регистрацией и записью биосигналов, со стимуляцией, выполнением физиологических проб и т.п. Циклическое повторение экспериментов для накопления представительной статистики в рассматриваемой схеме может занимать достаточно длительное время. Нередко выявленные на этом этапе недостатки вынуждают возвращаться к этапу 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 и извлечение 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 на печать числовых и графических результатов, показательных фрагментов записей, а также формирование предварительного словесного описания и заключения.

7.Интеллектуальный анализ.

Этот этап предполагает творческое осмысление результатов исследования и формулировку выводов. Он может обладать как короткой, так и очень длительной временной протяженностью, связанной с корректировкой модельных представлений, дискуссионными обсуждениями, написанием статей, монографий, подготовкой диссертаций, переходом к другой проблематике и т.п.

Электрофизиологические показатели

Электрофизиологические показатели
Прямого измерения	Косвенного измерения	Преобразовательного измерения
ЭЭГ,ВП,ЭКГ,ЭОГ,ЭМГ	ЭРГ,КГР	ФКГ,РПГ,СГ,ПОГ

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

• электроэнцефалограмма (ЭЭГ), отражающая изменение биопотенциалов головного мозга;
• вызванные потенциалы (ВП) головного мозга или реакции глубинных нейронных структур на внешние раздражители, проявляющиеся как фоновые изменения среднего уровня ЭЭГ;
• электрокардиограмма (ЭКГ), отражающая электрическую активность сердца, 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 кожи и 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), представляющая акустические измерения шумов сердца;

• фотоплетизмограмма (ФПГ), представляющая пульсовые волны, измеряемые оптическим датчиком, наложенным на кровеносные сосуды;
• спирограмма (СГ), отражающая динамику изменения скорости воздушного потока из легких при вдохе и выдохе;
• динамика дыхательного ритма и амплитуда дыхания обычно измеряется по растяжению/сжатию нагрудных эластичных ремней с тензодатчиками;
• пульсоксиграмма (ПО) 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, в которой выделяются (в порядке уменьшающейся аналитической сложности) четыре области исследований: исследования мозга, сердечно-сосудистой системы, легких и прочих органов и систем организма.

• Спектрально-аналитические методы включают наиболее сложные в вычислительном и концептуальном плане средства, применяемые, в основном, в энцефалографии и базирующиеся на разнообразных процедурах частотного и численного анализа с последующим расчетом различных локальных и интегральных показателей и с использованием разнообразных специальных форм временного и пространственного представления результатов. Примерами таких специальных форм являются:топографическое картирование, основанное на алгоритмах двухмерного сглаживания ЭЭГ-потенциалов, и трехмерное изображение дипольных источников ЭЭГ-сигналов, получаемое численным (итерационным) решением обратной задачи по измеренным на скальпе ЭЭГ-потенциалам. Три группы методов, в названии которых присутствует слово "структурные", применяются к процессам с характерной волновой и периодически повторяющейся структурой. 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 указывают на последовательно возрастающую сложность используемых вычислений, где каждая последующая группа методов включает возможности предыдущей и дополняет их новыми.

• Структурно-параметрические методы, применяемые при анализе ЭМГ-ответов на электрический раздражитель, ВП, КГР, ЭОГ и т.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 групп и 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 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 многочисленных производных и статистических показателей, а так же присутствием дополнительных вычислительных преобразований сигналов и использованием более развитых форм графического представления результатов. В реографии, например, такие преобразования состоят 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-поток с измерением по ней значений структурных и производных показателей. В исследованиях ЭКГ, ЭРГ и поверхностного дыхания одним из общих компонентов является построение амплитудно-временных зависимостей и интервалограмм, которые затем анализируются визуально, ручными измерениями с вычислением описательной статистики.
• Структурно-аналитические методы, применяемые при анализе ЭКГ и поверхностной ЭМГ, являют дальнейшее расширение 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 (показатели Р.М.Баевского и его последователей), а также 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 также и вычислением амплитудного спектра по частотным диапазонам и эпохам.

Литература

• Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография — Таганрог: Медиком-Лтд, 1996. — 357c.
• Гехт Б.М., Касаткина Л.Ф., Самойлов М.И., Санадзе А.Г. Электромиография в диагностике нервно-мышечных заболеваний — Таганрог: Медиком-Лтд, 1997. — 369c.
• Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике — Таганрог: Медиком, 1997. — 252c.
• Ронкин М.А. Иванов Л.Б. Реография в клинической практике — М.: НМФ МБН, 1997. — 250c.
• Иванов Л.Б. Прикладная компьютерная электроэнцефалография —  М.: НМФ МБН, 2000. — 251c.
• Кулаичев А.П. Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика (учеб пособ  для классич университ образ) 4-е изд, перераб.и доп. — М.:ИНФРА-М, 2007.— 640с.