Способ анализа колебаний, произведенных биологическими системами - RU2355291C2

Описание

Изобретение относится к способам исследования управления в биологических системах, применяемым в физиологии, медицине, психологии и биокибернетике.

В физической биологии биологические системы характеризуются иногда как ансамбли взаимосвязанных и взаимнонагруженных осцилляторов. В соответствии с физической теорией гомеокинезиса А.С.Ибераля стабильная организация системы есть следствие взаимодействия осциллирующих процессов на всех уровнях системы (A.S Iberall: Toward a general science of viable systems, McGraw-Hill, New York 1972).

Некоторые сигналы, которые исходят от мозга, мышц или других частей тела и регистрируются электрическими, магнитными или механическими датчиками, являются следствиями такого рода осциллирующих активностей. Анализ колебаний, порождаемых осциллирующими активностями, позволяет получить сведения об особенностях протекания физиологических, психических и др. процессов, о взаимодействии этих процессов между собой. На основании полученных результатов оценивается и коррегируется текущее состояние системы.

В качестве примера анализа колебаний для таких целей могут привлекаться исследования тремора. Тремор - это непроизвольное ритмичное осциллирующее движение части тела, которое интерпретируется как ориентировочно синусоидальное движение, причем частота тремора у нормальных людей лежит в интервале 8-12 Гц. Тремор также используется как симптом, характеризующий нейромускульную систему.

Инициации дискретных произвольных движений обнаруживают тенденцию стартовать в области фазы физиологического тремора, которая обладает пиком скорости в направлении этого произвольного движения. Такого рода произвольные движения могли бы облегчаться посредством тремора (D.Goodman, J.A.Kelso: Exploring the functional significance of physiological tremor: A biospectroscopic approach, Exp. Brain Res. 49, S 419-431, 1983).

У пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, предпочтительная фаза инициации дискретных произвольных двигательных ответов находится в области тремора, которая обладает пиком скорости в направлении, противоположном этому двигательному ответу. Если произвольная инициация двигательного ответа выполняется как реакция на сигнал, то латентное время реакции зависит от фазы инициации в цикле тремора (G. Staude u.a.: Tremor as a factor in prolonged reaction times of Parkinsonian patients, Movement Disorders Vol.10, Nr.2, S 153-162, 1995).

Для получения ранее указанных данных о взаимодействии тремора с двигательным выходом системы исследователи разделяли треморограммы на периоды между соседними максимумами. Фаза инициации в цикле тремора, который нарушен двигательным ответом, вычислялась на основании ее длины из предшествующего цикла тремора. При этом не учитывалось, что вероятность появления сигнала во время длинных циклов тремора выше, чем во время коротких циклов тремора, если сигналы появляются по случайному закону. Экспериментально подтверждено (G.Staude; W.Wolf: Voluntary motor reactions: does stimulus appearance prolong the actual tremor period, Journal of Electromyography and Kinesiology 9, S.277-281, 1999) увеличение средней длительности цикла тремора, определенного между локальными максимумами треморограмм, по сравнению со средней длительностью каждого из двух таких же предшествующих циклов тремора. Остается вопрос, рассматривать ли увеличенное статистическое среднее значение длительности цикла как ошибку способа определения средней оценки или рассматривать как признак механизма управления, с помощью которого познаваема стабильная организация жизнеспособных систем.

В работе (McAuley, I.C.Rotwell, C.D.Marsden: Frequency peaks of tremor, muscle vibration and electromyographic activity at 10 Hz, 20 Hz and 40 Hz during human finger muscle contraction may reflect rhythmicities of central neural firing, Exp. Brain 1997 114: S.525-541).

Доказано, что некоторые частоты, участвующие в формировании структуры тремора происходят из центральной нервной системы. На основании этого факта можно предположить, что способы изменения соотношений длительностей двух соседних энергетических частей между переходами первой производной через ноль, которые могут представлять различные циклы треморов, содержат информацию о признаках управления так же, как способы изменения соотношений длительности циклов.

При ответе на поставленный выше вопрос об увеличенном статистическом среднем значении длительности цикла следует учитывать, что момент появляющегося сигнала принадлежит как периоду между соседними максимумами, так и периоду между соседними минимумами. Длительности этих периодов можно интерпретировать как результат взаимных нагружений взаимосвязанных осцилляторов. Тогда разность длин названных периодов характеризует изменение вероятности появления случайного события всегда во второй энергетической части последующего периода по сравнению с вероятностью его появления во второй энергетической части предшествующего периода. Следовательно, признаки управления изменениями вероятности для «захвата» ожидаемого события структурами колебания следует искать в разности длительности не общих частей, которые меньше чем период. Похожим образом время инверсии τ для „time invariance" теста выбирают в пределах временного интервала между локальным максимумом и предшествующим локальным минимумом, чтобы получить высшее значение асимметрии и по величине асимметрии различать принадлежность стратегии процессов формирования волн к определенным треморам (G.Deuschl u.a.: Tremor classification and tremor time series analysis, Chaos, Nr.5(1), S.48-52, 1995).

Для того чтобы наблюдаемые изменения вероятностей отнести к управлению, нужно исследовать особенности поведения длительности другим образом построенных циклов или составных частей циклов, измеренных между локальным максимумом и предшествующим локальным минимумом и/или в обратной последовательности. Регистрация ускорений тремора кисти в одном и том же направлении проводится посредством ON/OF датчика методом инструментального измерения нейропсихофизического состояния пациента по ЕР 1095617, что соответствует определению только одной составной части цикла тремора. Однако эти данные используются далее для оценки интенсивности тремора за исследованный промежуток времени.

В связи с этим возникает задача разработать способ анализа колебаний в биологических системах, при котором изменение условий для вероятности появления случайного события можно оценить по сравнению с предшествующим циклом благодаря вступлению очередной энергетической составной части в текущий цикл колебания. Получение такой информации возможно в случае, если интерпретировать каждый временной интервал между локальным максимумом и предшествующим соседним минимумом (или в обратной последовательнсти) как составляющие единое целое две составные части двух циклов.

Эта задача решается посредством реализации отличительных признаков изобретения. Новый способ анализа колебаний, произведенных биологическими системами, устраняет названные выше недостатки предшествующего уровня техники.

Преимущество способа, соответствующего изобретению, заключается в том, что посредством различных анализов изменения длительности следующих друг за другом циклов или определенных временных интервалов возможно обнаруживать стратегии управления и их изменение от измененных условий.

Способ разделения анализируемого сигнала на последовательность циклов, из которых получают длительность параметров для дальнейших анализов, описывается более подробно на основании примера исполнения. Для этого отдельный чертеж показывает образец треморограммы (чертеж).

В треморограмме, показанной на чертеже, анализируемая кривая перед появлением случайного сигнала в момент времени tz изображена сплошной линией, а после появления - штриховой линией.

Как видно из чертежа, цикл тремора Тх-1 формируется из временного интервала между локальным максимумом t2 и локальным минимумом t3 и временного интервала между локальным минимумом t3 и локальным максимумом t4. Порядок следования временных интервалов между максимумами и минимумами (или в обратной последовательности) в таких циклах тремора меняется, как это видно, например, в серии циклов тремора Тх-2 (между локальными минимумами t1 и t3), Тх-1, Тх.

Предложенный способ анализа колебаний в биологических системах найдет широкое применение в различных областях науки:

- исследование биологических механизмов переработки информации,

- определение общих и индивидуальных способов адаптации,

- индивидуальные тестирования для понимания действительных способностей, например, у спортсменов,

- определение состояния и управления тренировочной нагрузкой у высококвалифицированных спортсменов,

- оценки эффективности настройки на выполняемое действие и корректировка этой настройки,

- выбор команды и/или частей команды (группы людей),

- исследование реакции у животных на изменение природных условий, измерение и понимание этих реакций.

Реферат

Изобретение относится к способам исследования управления в биологических системах, применяемым в физиологии, медицине, психологии и биокибернетике. Способ анализа колебаний, произведенных в биологических системах, при котором изменение условий для вероятности появления случайного события можно оценить по сравнению с предшествующим циклом благодаря вступлению энергетической составной части в текущий цикл колебания. Для этого анализируемый сигнал необходимо разбивать на последовательности циклов так, что каждый последующий цикл имеет общий временной интервал с предшествующим циклом. Способ позволяет осуществить анализ колебаний, произведенных в биологических системах. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула