Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика

А.П. Кулаичев



Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика










Москва

znanium com

электронно-библиотечная система
Инфра-М


2016

А.П. Кулаичев



Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика













Москва
Инфра-М; Znanium.com

2016

Кулаичев, А.П.
      Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика: учебное пособие / А.П. Кулаичев. - 4-е изд. - М.: Инфра-М; Znanium.com, 2016. - 540 с.
ISBN 978-5-16-104592-3 (online)

ISBN 978-5-16-104592-3 (online)

© А.П. Кулаичев, 2006, 2016

            О Г Л А В Л Е Н И Е


Предисловие                                              5
Глава 1. Компьютерная электрофизиология
1.1. Определения                                        6
1.2. Исторические вехи                                 20
1.3. Архитектура функционального исследования          30
1.4. Измерительно-вычислительные комплексы             41
1.5. Работа в среде Windows                            72
Глава 2. Проведение исследований
2.1. Типовые исследования                              86
2.2. Планирование нового исследования                  88
2.3. Режим реального времени                           94
2.4. Виртуальные миры Силиконового разума              99
2.5. Практикум                                        101
Глава 3. Просмотр и изучение записей
3.1. Монитор записей                                  108
3.2. Работа с архивами и базами записей               113
3.3. Редактирование записей                           123
3.4. Печать и экспорт результатов                     124
3.5. Формирование диагноза                            126
3.6. Практикум                                        128
Глава 4. Энцефалография
4.1. Анатомия и физиология мозга                      131
4.2. Основы ЭЭГ-метода                                139
4.3. Симптоматика                                     156
4.4. Методы вычислительного анализа ЭЭГ               166
4.5. Средства анализа                                 211
    4.5.1. Спектральный анализ и картирование         214
    4.5.2. Картотека                                  223
    4.5.3. Периодометрический анализ                  225
    4.5.4. Экспресс-диагноз                           227
    4.5.5. Трехмерная локализация ЭЭГ-источников      228
    4.5.6. Сегментный анализ                          231
    4.5.7. Установка отведений                        234
4.6. Типовые исследования и практикум                    238
Глава 5. Вызванные потенциалы
5.1. Основы метода                                    245
    5.1.1. Зрительные ВП                              214
    5.1.2. Слуховые ВП                                223
    5.1.3. Соматосенсорные ВП                         225
    5.1.3. Когнитивные ВП                             225
5.2. Диагностические возможности                      287
5.3. Средства регистрации                             292

5.4. Усреднение и анализ ВП                            300
5.5. Практикум                                         307
Главаб. Кардиография
6.1. Физиология сердечной деятельности                309
6.2. Основы ЭКГ-метода                                321
6.3. Симптоматика                                     328
6.4. Анализ вариабельности сердечного ритма           338
6.5. Средства анализа                                 353
6.6. Типовые исследования и практикум                 361
Глава 7. Реография
7.1. Основы метода                                    368
7.2. Географические показатели                        370
7.3. Клинические направления                          377
7.4. Методы и средства анализа                        393
7.5. Типовые исследования и практикум                 399
Глава 8. Миография
8.1. Основы ЭМГ-метода                                404
8.2. Средства регистрации                             417
8.3. Средства анализа и практикум                     420
Глава 9. Полиграфия
9.1. Вегетативная нервная система                     426
9.2. Вспомогательные физиологические показатели       431
9.3. Приложения                                       437
    9.3.1. Детекция лжи                               441
    9.3.2. Биологическая обратная связь               450
    9.3.3. Исследования сна                           469
9.4. Средства анализа                                 470
    9.4.1. Электронная таблица измерений — блокнот    473
    9.4.2. Преобразования сигналов                    481
    9.4.3. Поиск и анализ событий                     486
    9.4.4. Использование формул                       486
    9.4.5. Дискретные сигналы                         488
Глава 10. Расширенные возможности
10.1. Автоматизация исследований — протокол           492
10.2. Экспресс-анализ                                 508
10.3. Виртуальные приборы                             511
10.4. Комплексный стимулятор                          519
10.5. Внешние программы                               524
Приложение. Учебная база записей                      534
Литература                                            546
Предметный указатель                                  549

П Р Е Д И С Л О В И Е
Посвящается друзьям и близким,                     «Мы пришли —
оставшимся во II тысячелетии            как нео'иданный omeemqbd
невыразимой жажды»
[Р.Шекли. Координаты чудес]
В основу учебного пособия положена научная монография [43], выдержавшая с 1997 три расширенных переиздания.
Компьютерная электрофизиология как новое научное и практическое методологическое направление зародилось на рубеже 80-х годов и постепенно кардинально изменило всю практику клинических и научных исследований, подняв их на принципиально новый организационно-методический уровень. Нам посчастливилось стоять у истоков этого направления, внести определенный вклад в его становление, развитие и совершенствование, обобщить накопленный в этой области опыт и дать направлению нынешнее наименование.
Первоначальный замысел состоял в создании такого методического и инструментального обеспечения, которое покрывало бы наиболее значимые в практике области исследований и позволяло быстро и без посторонней помощи реализовывать как типовые, так и специальные клинические и научные методики. В результате многолетних усилий в этом направлении был создан интегрированный инструментально-методический комплекс CONAN (КОНтроль процессов и АНализ сигналов), позволяющий планировать и выполнять исследования в различных областях биологии, физиологии и медицины.
Вскоре была создана и обучающая версия системы CONAN, не требующая для своей работы дорогостоящего биометрического оборудования и сопровождаемая представительной базой записей различных электрофизиологических показателей, характерных как для нормы, так и для ряда патологий. В таком комплекте с мощным аналитическим инструментом и набором клинических примеров данное издание превращается в своеобразный самоучитель по самым современным методам компьютерной неврологии, кардиологии, реографии, миографии, полиграфии, функциональной диагностики и сопредельным областям исследования.
В заключение выражаем глубокую признательность за сотрудничество и предложения многим и многим пользователям-клиницистам и исследователям-электрофизиологам и персонально — А.Н. Гусеву и А.Я. Каплану за многолетнюю поддержку и помощь. Большое спасибо кафедре физиологии высшей нервной деятельности МГУ имени Михайло Васильевича Ломоносова за долготерпение нашей неортодоксальной деятельности и использование ее результатов.

.б.н., к.ф.-м.н. А.П. Кулаичев

лава 1



            КОМПЬЮТЕРНАЯ
            ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ


                 «То, что есть, — невероятно, ибо все отчуждено, ненужно и грозит рассудку» [Зе Краггаш. О неумолимости правдоподобного]

В первой главе дается общий обзор рассматриваемого научного направления и его реализации.

1.1.  Определения
В науках о человеке имеется ряд областей, близких как по предметам исследования, так и по используемым методам: нейрофизиология, электрофизиология, физиология ВНД, психофизиология, сомнология, неврология, кардиология, функциональная диагностика и др. Все они преимущественно изучают физиологические процессы, регистрируемые методом электрического измерения.
Компьютерная электрофизиология — это развившееся в последнее тридцатилетие 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:
I) планирование порядка проведения и режимов исследования;
2) конструирование и компоновка необходимой аппаратуры и окружающей (экспериментальной) среды;
3) собственно проведение исследования, в так называемом режиме ре -ального времени, включающий регистрацию биопоказателей, стимуляцию, биорегуляцию, выполнение функциональных проб, различные виды деятельности и решение задач и 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.
При своем целостном воплощении оно избавляет физиолога от необходимости привлечения внешних специалистов и интенсифицирует научные и клинические исследования в сотни раз по сравнению с докомпьютерным уровнем.

Глава 1. Компьютерная электрофизиология

7

Особенности научной области. Фактически это направление являет кобой новую методологию автоматизированных электрофизиологиче-ских исследований, о деталях которой мы поговорим немного позже. Здесь же подчеркнем, что область электрофизиологии в рассматриваемом плане имеет три принципиальные отличительные особенности:
1) возможность комплексной (сквозной, единой) компьютерной автоматизации на всех этапах исследований, влекущая многократную их интенсификацию на принципиально новом                организацион   но-методологическом уровне;
2) возможность проведения всех этапов исследования одним физиологом от начала до конца;
3) 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 некорректно было бы говорить о ©компьютерной астрономии», ©компьютерной геологии», ©компьютерной ботанике», ©компьютерной зоологии», ©компьютерной цитологии» и т.п.
Расширение определения электрофизиологии. Далее 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 века к этому было добавлено ©изучение действия электричества на живые процессы и физические свойства живой ткани, как проводника электричества» [22]. Современное же развитие техники измерений требует расширения понятия электрофизиологии не только применительно к источникам биоэлектросилы, но и с распространением его на все физиологические процессы, доступные косвенному или преобразованному электрическому измерению: импедансо-, тензо-, аэро-, гидро-, динамо- метрия и т.п.
Вторым немаловажным основанием к этому 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.
Пограничные научные направления. Компьютерная электрофизиология является показательным примером современного наукоемкого направления, в котором неразрывно переплетается множество отраслей зна

1.1. Определения

ния: вычислительная математика, прикладная статистика, частотный анализ, измерительная и вычислительная инженерия, схемотехника, автоматическое управление, системный анализ, программирование, эргономика, психология, дидактика и др., совокупный вклад которых нередко соизмерим собственно с базисной физиологической составляющей.
Значимость этого системно-аналитического направления в последнее время признана на самом высшем научном уровне, а именно: на уровне ВАК при расширении номенклатуры научных специальностей и детализации их паспортов введена отдельная многоплановая специальность 05.18.01 — системный анализ, управление и обработка информации (по различным отраслям, включая биологию и медицину). Но более того, в паспорте самой специальности 08.00.18 — физиология было введено отдельное самостоятельное направление исследований: 10. Разработка но -вых методов исследования функций человека и животных. И по этим новым специальностям и направления уже защищены многие десятки диссертаций.
Уровни научной деятельности. Здесь следует сказать о нескольких уровнях научной деятельности. В 80-х годах они определялись достаточно четко, а к настоящему времени это подзабылось. Итак, при работе на кандидатском уровне соискатель должен всего лишь продемонстрировать способность квалифицированно решать научные задачи, поставленные его руководителем. При работе на докторском уровне соискатель должен продемонстрировать способность ставить новые научные задачи и обобщать полученные результаты на уровне модельных представлений. То есть он должен овладеть способностью не только учиться, сколько и учить. Раньше в этом плане требовалось создание нового научного направления. Сейчас новые направления стали редкостью, поэтому требуется: новое крупное научное достижение, либо решение крупной научной проблемы, либо значительный вклад результатов работы в развитие экономики страны.
В этом плане полезным будет напомнить формулировки из современного Положения ВАК:
•  ©диссертация на соискание ученой степени кандидата наук должна быть научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение для соответствующей отрасли знаний, либо изложены научно обоснованные технические, экономические или технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики или обеспечения обороноспособности страны»;
•  ©диссертация на соискание ученой степени доктора наук должна быть научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения,

Глава 1. Компьютерная электрофизиология

9

   совокупность которью можно квалифицировать как новое крупное научное достижение, либо решена крупная научная проблема, имеющая важное социально-культурное или хозяйственное значение, либо изложены научно обоснованные технические, экономические или технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности».
Уровень модельных обобщений. Представляется очевидным, что главнейшим результатом любой научной деятельности является обобщение исходных данных с построением .модели изучаемого объекта или явления.
Напомним энциклопедическое определение: модель (в широком смысле) — любой образ, аналог (мыслимый или условный: изображение, описание, схема, чертеж, график, план, карта и т.п.) к.-л. объекта, процесса или явления (©оригинала» данной М).
Этот результат характеризуется двумя компонентами: а) выделением основных составляющих элементов; б) определением связей (взаимодействия) между элементами. Важнейшим следствием построения модели является появление осязаемого предмета для научного обсуждения и планирования дальнейших исследований для подтверждения или коррекции модели, ее элементов и взаимосвязей между ними. До построения модели предмета для разговора нет.
Человек в любой своей деятельности (не только научной) всегда оперирует с моделями. Рисунок биологической клетки есть модель, до построения которой нет оснований рассуждать о строении и функционировании составляющих клетку элементов. Грамматика языка есть модель, без которой невозможно написание книг. И так далее.
С другой стороны, построение моделей возможно только с определенного уровня рассмотрения. Невозможно построение биологических или космологических моделей с уровня элементарных частиц. Там мы будем наблюдать только мизерные изменения концентрации точечных сгустков энергии, разделенных огромными пространствами пустоты. Невозможно построения психологических моделей с уровня биохимических процессов. С галактических масштабов невозможно обнаружить феномен биологической жизни. И т.д.
Теперь полезно будет показать, как вышеприведенные общие положения реализуются в модельном оформлении компьютерной электрофизиологии.

1.1. Определения


    Архитектура компьютернойэлектрофизиологии

Методологические результаты, накопленные в компьютерной электрофизиологии, на верхнем уровне обобщения можно изобразить в виде пирамиды с несколькими взаимосвязанными уровнями (рис. 1.1).

Рис.1.1. Иерархическая система компьютерной электрофизиологии

В своем базисе она имеет собственно научно-исследовательскую деятельность в области электрофизиологии (уровень 1), которую обеспечивают инструментальные и программные средства (уровень 2), реализующие методологию автоматизированных электрофизиологических исследований (уровень 3). Следующий уровень 4 или мета-уровень составляет методология исследования базисной деятельности и разработки проблемной методологии и средств на уровнях 2 и 3. И, наконец, верхний уровень составляют обобщенные модельные представления обо всех элементах данной пирамидальной системы. С этих завершающих модельных представлений и начнем наше изложение.
Энциклопедические словари трактуют методологию как ©учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельно -сти». В нашем же контексте методология понимается не статично, а динамично — как научный процесс, поэтому требует соответствующего уточнения. В таком уточнении этот процесс включает три взаимосвязанных составных компонента или этапа (рис.1.2, частный иллюстрационный пример системного анализа приведен в разд. 10.1).
      1) изучение конкретной научной деятельности
      2) созидание на этой основе новых форм, способов организации, методов и средств деятельности (автоматизация)
      3) научение этим новым формам деятельности

Рис.1.2. Основные методологические этапы

Глава 1. Компьютерная электрофизиология

11

С понятием методологии текно квязан еще ряд науковедчеккио понятий: метод, методика, инструмент, энциклопедичеккие определения, которые здекь будет полезно раккмотреть, поккольку из-за кравнительно редкого употребления они кейчак достаточно позабыликь.
•  Метод (от греч. methodos — путь исследования, теория, учение) — способ достижения к.-л. цели, решения конкретной задачи, совокуп-ность приемов или операций практич. или теоретич. освоения (позна-ния) действительности.
•  Методика - совокупность методов обучения чему-л., а также наука о методах обучения.
Покледнее определение можно найти в кловаре Ожегова. На первый взгляд в биологии, оимии и медицине методика трактуеткя иначе. Однако к немалому удивлению, этот термин откутктвует в кпециальныо кловаряо и энциклопедияо?! Лишь в руккко-английкком биологичекком кловаре методике как эквивалент копоктавлено technique.
По здравому кмыклу методика есть нечто уменьшительное от метода. Можно кформулировать так: методика — это покледовательнокть применения некоторыо методов для достижения в конкретной области частного научного результата к конкретизацией икпользуемыо средств (в отличие от метода, который применим во многио облактяо к различными результатами и абктрагирован от кредктв, допуккая различные квои реализации). Аналогом методики в производственной кфере может являтькя понятие технология, конечный результат которой — получение конкретной продукции.
Покле этого ктановиткя видна квязь к определением из кловаря Ожегова. Действительно, конечной целью формулировки методики являеткя обучение другио порядку и процедуре достижения конкретного результата.
•  Инструмент - орудие человеческого труда или исполнительный ме-ханизм машины.
Отметим, что без наличия методологии инктрумент октаеткя никому не нужной, кпокойно лежащей железякой. Так для одуоотворения пишущей машинки нужен целый комплекк методологий: работа к клавиатурой и другой меоаникой, грамматика и орфография, деловая и литературная стилистика и многое другое. Только покле этого на машинке можно пикать романы и пикьма.
Покле такого краткого отктупления перейдем к детализации уровней модельных представлений на рик. 1.1.
Предметы, методы и результаты исследования. Формулируя новое научное направление, кледует, прежде вкего, выкветить его окнов-ные отличия от другио направлений. Такие отличия могут коктоять в трео окновныо элементао: а) в предметао иккледования; б) в икпользуемыо ме