Журнал «Компьютерра» № 31 от 28 августа 2007 года

Обратная связь

Автор: Родион Кудрин

Попробуйте провести карандашом идеально прямую линию, а потом сделайте то же самое с закрытыми глазами. Наверняка получилось хуже.

Связано это с тем, что, закрыв глаза, мы выключаем зрительный контроль результата своих действий, то есть – звено обратной связи. Другими словами, обратная связь позволяет нам получить своевременную информацию о результате совершаемого действия и внести в программу действия необходимые коррективы. Другой пример на ту же тему: снижение устойчивости человека в положении стоя с закрытыми глазами по сравнению с положением стоя с открытыми глазами. В обоих приведенных примерах при отсутствии визуального контроля результат совершаемого действия (проведенная линия или поддержание равновесия) оказывался хуже, чем при использовании зрения. Зрительный анализатор, несомненно, очень важен для человека, поскольку это основной биологический инструмент получения информации об окружающем мире. Но, кроме зрительного, есть еще и слуховой, вестибулярный, обонятельный, вкусовой, тактильный, проприоцептивный [Проприоцептивный анализатор позволяет оценить положение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга с помощью рецепторов скелетных мышц, сухожилий и суставов], висцеральный [Висцеральный анализатор воспринимает механические и химические изменения внутренних органов] и болевой анализаторы. Каждый из них используется нами для контроля результата совершаемого действия и коррекции самого действия.

В 30-х годах прошлого века академик П. К. Анохин [Русский физиолог, ученик И. П. Павлова, автор теории функциональных систем] предложил теорию, объясняющую основные принципы управления в биологических системах, обеспечив теоретическую базу для развития современной кибернетики. Одним из ключевых моментов этой теории стало понятие обратной афферентации, которая представляет собой связь между параметрами достигнутого полезного результата и центральными структурами нервной системы. Обратная афферентация по Анохину имеет в своей основе биологическую обратную связь (БОС) в ее современном определении. При этом обратная связь осуществляется между отдельными биологическими показателями, регистрируемыми с помощью рецепторов, и структурами центральной нервной системы, которые выполняют функцию контроля и управления. При несоответствии биологического показателя его нормальному значению центральные структуры корректируют работу соответствующей системы органов.

Биологическая обратная связь (biological feedback) является прежде всего биологическим механизмом контроля качества достигнутого результата. Различают отрицательную и положительную обратную связь. Если повышение значения одного биологического показателя приводит к снижению другого (или наоборот), то имеет местоя отрицательная обратная связь [Например, повышение уровня инсулина в крови снижает концентрацию в ней глюкозы], то есть зависимость между показателями обратно пропорциональная. Это наиболее частый случай обратной связи, характерный для здорового организма. Если повышение значения одного показателя приводит к увеличению другого, а это, в свою очередь, еще больше повышает значение первого показателя, то говорят о положительной обратной связи [Например, повышение активности воспалительного процесса приводит к повышению температуры в очаге воспаления, что, в свою очередь, еще больше увеличивает воспаление]. В этом случае зависимость между показателями прямо пропорциональная, а данный вариант обратной связи характерен для больного организма.

Здесь просматривается аналогия с нечеткой логикой: с одной стороны, человеческий опыт и интуиция в широком смысле этих понятий служат для успешного решения поставленной задачи, а с другой стороны, на каждом этапе выполнения программы действия не требуется соблюдения однозначно сформулированных закономерностей.

Кроме значения БОС как метода контроля функций – это также и метод коррекции функции многих органов (теоретически – любых) с помощью сигналов различной модальности. Изменения того или иного показателя организма человека можно условно отражать с помощью динамических зрительных, слуховых, вибрационных и иных образов. Поэтому в практических целях используются различные варианты БОС. В частности:

• БОС по электромиограмме – функциональное биоуправление тонусом мышц-антагонистов для коррекции нарушений опорно-двигательного аппарата (например, при детском церебральном параличе);

• БОС по реоэнцефалограмме – функциональное биоуправление тонусом сосудов головного мозга (например, при головных болях);

• БОС по электроэнцефалограмме – функциональное биоуправление электрической активностью головного мозга (например, при неврозах).

В качестве метода диагностики состояния опорно-двигательного аппарата и многих анализаторных систем с использованием БОС рассмотрим компьютерную стабилометрию.

Как известно, поддержание вертикального положения человека является динамическим процессом, поскольку при этом наше тело совершает колебательные движения в различных плоскостях с небольшим отклонением от среднего положения. Все характеристики колебательного процесса (амплитуда, частота, направление) являются чувствительными и отражают состояние различных систем, поддерживающих баланс позы. Для исследования функции равновесия московской научно-медицинской фирмой "МБН – Биомеханика" был разработан метод компьютерной стабилометрии, который позволяет оценить вертикальную устойчивость человека и ряд переходных процессов. Метод использует программно-аппаратный комплекс, который включает в себя стабилограф и компьютер со специализированным программным обеспечением. Программный пакет обеспечивает наличие собственной базы данных, автоматизированных функций для сбора и обработки информации, а также возможность получения всех общепринятых параметров по стандартному алгоритму.

Динамометрический прибор представляет собой металлическую плиту 60х40х10 см, в углах которой расположены трехкомпонентные датчики. Второй конец каждого датчика фиксирован на покровной плите. Сигналы от датчиков поступают в электронный блок, где подвергаются обработке, усилению, суммированию. Аналоговый сигнал на выходе содержит в соответствующем масштабе величины каждой составляющей движения и координаты вектора приложения силы. Дальнейшая обработка данных после аналого-цифрового преобразования осуществляется компьютером.

В данном случае обратная связь между пациентом и положением его тела осуществляется по зрительному, проприоцептивному и вестибулярному каналам. Основная система управления балансом позы построена на сигналах, поступающих от мышечных и суставных механорецепторов.

Компьютерная стабилометрия относится к методам диагностики, эффективность которых доказана многочисленными клиническими исследованиями. В настоящее время этот метод с успехом применяется на практике для функциональной диагностики и лечения нарушений опорно-двигательного аппарата, нервной системы, вестибулярного, зрительного, проприоцептивного и других анализаторов организма.

Если у вас сложилось впечатление, что компьютерные методы управления функциями различных органов при помощи БОС являются исключительно диагностическими, то это не так. Подавляющее большинство разновидностей БОС-тренингов проводятся с целью коррекции нарушенной функции, в частности, функциональное биоуправление тонусом мышц по данным электромиографии.

Пациенту на конечность с нарушенной двигательной функцией накладываются электроды: активный – на группу мышц со сниженной функцией, пассивный – в области мышцы-антагониста, заземление – на противоположную конечность или часть тела. Пациент, делая упражнения лечебной гимнастики, может контролировать правильность выполнения упражнения при помощи обратной связи по двум каналам. Во-первых, на экране компьютера он видит нормальную электромиограмму своей работающей мышцы (зрительный канал), а во-вторых, слышит музыку, которая подтверждает правильность выполнения упражнения (слуховой канал). Если тонус работающей мышцы выходит за допустимые границы, определяемые предварительной калибровкой в состоянии покоя, то нормальная электромиограмма меняет цвет и музыка прекращается.

Эффективность функционального биоуправления повышается прямо пропорционально количеству используемых каналов обратной связи. Кроме того, эффективность лечения зависит в большей степени от активного участия пациента, поскольку он должен следить за правильностью выполнения упражнений и сразу же корректировать свои действия при появлении ошибок.

По личному опыту работы с данной методикой могу свидетельствовать, что при регулярных тренингах у детей с ДЦП [Детский церебральный паралич] уже в течение месяца отмечалась заметная положительная динамика с частичным восстановлением нарушенной функции.

По мере совершенствования технологий в сфере IT количество методик БОС-тренингов будет увеличиваться. Причем в каждой конкретной методике, очевидно, будет использоваться большее число каналов отображения той или иной биологической функции и, как следствие, повысится эффективность диагностики и лечения. Это обстоятельство вместе с другими преимуществами БОС, такими, как неинвазивность и, в ряде случаев, возможность самостоятельного тренинга, позволит данному методу занять еще более прочное положение среди методов функциональной диагностики и лечения. С другой стороны, пациентам станет еще сложнее отличить точный и информативный метод диагностики и лечения, отвечающий принципам доказательной медицины, от многочисленных методов, лишь имитирующих эффективность. Остается надеяться, как всегда, на свой жизненный опыт и интуицию.