Том 1, № 3 (2016)
- Год: 2016
- Статей: 13
- URL: https://journal-vniispk.ru/2500-1388/issue/view/1285
- DOI: https://doi.org/10.35693/2500-1388-2016-0-3
Статьи
II МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНЫЙ ИНТЕРФЕЙС: НАУКА И ПРАКТИКА. САМАРА - 2016»: НОВЫЕ ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ В НЕЙРОНАУКАХ, РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ФОРМИРОВАНИЕ РОССИЙСКИХ И МЕЖДУНАРОДНЫХ КОЛЛАБОРАЦИЙ
Аннотация
Обзорная статья по материалам II Международной научно-практической конференции «Нейрокомпьютерный интерфейс: наука и практика. Самара - 2016». Представлены основные направления дискуссии по тематическим научным направлениям: нейрофизиология и математическое моделирование, нейронные сети и нейрокоммуникации, нейрокомпьютерные интерфейсы, технологии нейрореабилитации, виртуальная реальность в медицинской и социальной реабилитации, а также принятые решения по кооперации участников в сфере научно-технологической кооперации и интеграции отечественных и зарубежных инновационных разработок в глобальный процесс развития нейротехнологий.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):6-11
6-11
НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИЙ МОЗГА
Аннотация
Нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) соединяют отделы нервной системы с внешними устройствами с целью восстановления моторных и сенсорных функций больных с неврологическими поражениями. За последние 50 лет НКИ прошли путь от первоначальных идей до высокотехнологических современных воплощений. Этому развитию в значительной мере способствовали методики многоканальной инвазивной регистрации активности нейронных ансамблей. Современные НКИ способны управлять механическими протезами рук и ног. Более того, НКИ могут обеспечивать сенсорную обратную связь, позволяющую пользователю ощущать движения протеза и его взаимодействие с внешними предметами. Новейшие НКИ соединяют несколько пользователей в мозгосеть. В настоящем обзоре эти достижения разбираются с акцентом на инвазивные НКИ.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):11-27
11-27
РАСПОЗНАВАНИЕ КОГНИТИВНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ НА ЦЕЛЕВЫЕ СТИМУЛЫ В ИНТЕРФЕЙСЕ «МОЗГ-КОМПЬЮТЕР» НА ОСНОВЕ АНСАМБЛЯ КЛАССИФИКАТОРОВ
Аннотация
Введение. К настоящему времени выполнено большое число исследований в области детектирования фокусов зрительного внимания человека посредством интерфейсов «мозг-компьютер» (ИМК) на основе волны Р300. Однако эти технологии все еще остаются медленными, поскольку для приемлемой точности детектирования волны Р300 требуют многократного предъявления целевых и нецелевых стимулов. В настоящей работе проверялась гипотеза о том, что ансамбль классификаторов, предварительно обученных каждый на своей выборке паттернов ЭЭГ, может детектировать реакции ЭЭГ на целевые стимулы быстрее, чем одинарный классификатор. Методы. 22 испытуемым добровольцам на экране монитора предъявлялись зрительные стимулы в виде кратковременно подсвечиваемых по отдельности 8 треугольников, расположенных по кругу (7,7 угл. град) вершинами к центру. Для детектирования реакций ЭЭГ использовались одиночные классификаторы и ансамбли классификаторов, построенных на основе алгоритма линейного дискриминанта Фишера. Результаты. Было показано, что для детектирования целевых реакций ЭЭГ применение ансамбля классификаторов обеспечивает в два раза большее быстродействие Р300 ИМК, чем посредством одинарных классификаторов. Обсуждение. Повышенное быстродействие Р300 ИМК на основе ансамблей классификаторов позволит создать практичные коммуникационные технологии для людей с тяжелыми нарушениями речи и движений.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):28-32
28-32
СЕНСОМОТОРНАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО ВООБРАЖЕНИЯ КАК АКТИВАТОР ПЛАСТИЧНОСТИ ЦНС
Аннотация
Цель исследования - выявить нейрофизиологические корреляты двигательного воображения после моделирования двигательного паттерна. Материалы и методы. ЭЭГ отводили монополярно с помощью «Нейрон - Спектр - 4/ВПМ» у 7 добровольцев-правшей в возрасте 18-19 лет. Унилатеральную ЭЭГ регистрировали по системе 10-5 в области проекции сенсомоторной коры левого полушария во время воображения двух движений в правой руке (сгибание пальцев и сгибание в локтевом суставе) до и после 30-секундного моделирования двигательного паттерна с помощью аппарата для реабилитации Power Plate. Результаты. После моделирования двигательного паттерна воображение двух видов движения коррелирует с десинхронизацией альфа-, бета-ритмов ЭЭГ, увеличением числа отведений с реакцией десинхронизации (р<0,01) и достоверной дифференцировкой изменения мощности сенсомотор-ных ритмов ЭЭГ двухвекторных воображаемых движений, а также ускорением обучения испытуемых двигательному воображению. Заключение. Сенсомоторная потенциация способствует выявлению нейрофизиологических коррелятов двигательного воображения.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):33-38
33-38
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ РАСПОЗНАВАНИЯ КОМПОНЕНТЫ Р300 В ЭЭГ-СИГНАЛЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНОМ ИНТЕРФЕЙСЕ
Аннотация
Цель исследования - разработка интегрального алгоритма распознавания вызванного потенциала (ERP-отклика) на целевой визуальный стимул и проверка работоспособности предложенного алгоритма на беспроводном 5-канальном электроэнцефалографе Emotiv Insight с «сухими» электродами. Материалы и методы. Объектами исследования были ЭЭГ-записи пяти испытуемых-добровольцев. В работе использовались беспроводной 5-канальный электроэнцефалограф Emotiv Insight с «сухими» электродами, самостоятельно разработанное ПО «©Speller», программная среда MathWork® MATLAB версии R2015a. Результаты. Разработанный интегральный алгоритм распознавания электрической активности коры головного мозга на предъявление целевого визуального стимула показывает достоверность распознавания от 71,5% до 90,6%, среднее значение - 80,1+7,2%. Заключение. Представленный алгоритм демонстрирует высокий уровень достоверности распознавания вызванного потенциала на целевой визуальный стимул, не требует больших вычислительных мощностей, сложных методов классификации и машинного обучения. Апробация предложенного алгоритма указывает на возможность применения электроэнцефалографа Emotiv Insight с «сухими» электродами в ней-рокомпьютерном интерфейсе.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):39-44
39-44
СОВМЕЩЕНИЕ МЕТОДОВ ЧАСТОТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ И НЕЛИНЕЙНОГО АНАЛИЗА ПРИ СОМНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭЭГ-СИГНАЛОВ
Аннотация
Цель - совместное применение частотных и нелинейных методов анализа для получения гипнограмм путем анализа электроэнцефалографических (ЭЭГ) сигналов при сомно-логических исследованиях. Методы. Частотные методы фильтрации применяются для предварительной подготовки ЭЭГ-сигналов к дальнейшему нелинейному анализу. В качестве нелинейных методов анализа используются фрактальные методы детерминированного хаоса, такие как метод нормированного размаха Херста, метод аппроксимационной энтропии, расчет корреляционного интеграла методом Грассбергера-Прокаччиа. Для возможности применения двух последних методов используется метод восстановления псевдофазового пространства согласно теореме Такенса. В результате нелинейного анализа строились гипнограммы, отражающие переходы между стадиями сна у пациентов, проходящих сомнологическое обследование. Для оценки достоверности полученных результатов они сравнивались с гипнограммами, полученными классическим методом, основанном на правилах Рехчаффена и Кейлса. Также рассмотрены проблемы, связанные с возникновением различных видов помех и предложены способы уменьшения их влияния на конечные результаты. Выводы. Используя данные методы, при соответствующем подборе параметров самих методов, при использовании необходимой нормировки исходных данных и усреднении результатов можно получить гипнограмму, имеющую полное совпадение определяемых фаз сна примерно для половины эпох, регистрируемых ЭЭГ. Причем для получения данных результатов достаточно использовать лишь один канал регистрации ЭЭГ.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):45-50
45-50
МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЦИРКАДИАННОЙ СИСТЕМЫ МОЗГА С РИТМАМИ ЭЭГ И РЕГУЛЯЦИЕЙ ВЕГЕТАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ
Аннотация
Цель - изучить динамику ритмов ЭЭГ и вегетативные ответы организма человека при кратковременном воздействии на сетчатку глаза голубым светом в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы в период дневного бодрствования. Материалы и методы. У 22 студентов-добровольцев в возрасте 18-20 лет в состоянии спокойного бодрствования регистрировались параметры ЭЭГ (BP-010302 BrainАmp Standart128), артериального давления и вариабельность сердечного ритма (ВСР) до, после и в течение 2-5 минутной стимуляции циркадианных рецепторов сетчатки голубым светом с максимумом длины волны в области 480 нм. Результаты. Стимуляция фоторецепторов циркадианной системы коррелирует с динамикой следующих нейро-вегетативных процессов: десинхронизация в бета 2- и гамма-ритмах ЭЭГ, синхронизация - в тета 2- и альфа 1-частотных диапазонах; увеличение продолжительности кардиоинтервала и мощности низкочастотного компонента ВСР, а также уменьшение процента высокочастотных колебаний спектра ВСР и уменьшение величины систолического артериального давления. Прекращение стимуляции фоторецепторов циркадианной системы вызывает трансформацию ритмов ЭЭГ-ответа с преобладанием синхронизации в низко- (тета 1, тета 2), средне- (альфа 1, альфа 2, альфа 3) и высокочастотных (бета 2) диапазонах. Заключение. В работе показана возможность быстрой коррекции вегетативного фона человека с помощью управления циркадианной системой. Выдвинуто предположение, что циркадианные часы человека контролируют функциональную активность мозга при участии бета 2- и гамма-квантования.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):51-55
51-55
КЛИНИЧЕСКИМ ОПЫТ ПОСТИНСУЛЬТНОИ РЕАБИЛИТАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКЗОСКЕЛЕТА КИСТИ ПОД УПРАВЛЕНИЕМ ИНТЕРФЕЙСА «МОЗГ-КОМПЬЮТЕР»
Аннотация
Цель - оценить эффективность процедуры двигательной реабилитации с использованием экзоскелета кисти руки, управляемого ИМК. Материалы и методы. Исследование было проведено на 60 пациентах, 46 имели ишемический, 14 - геморрагический инсульт. 42 пациента составляли основную группу, они проходили реабилитационную процедуру с использованием экзоскелета кисти руки, управляемого интерфейсом «мозг-компьютер» (ИМК). 18 пациентов составляли контрольную группу. Они проходили имитацию указанной реабилитационной процедуры. Система экзоскелет - ИМК содержала энцефалограф NVX52 («Медицинские компьютерные системы», Россия), персональный компьютер и экзоскелет кисти руки («Андроидная техника», Россия). Оценка двигательных функций проводилась с помощью неврологических шкал ARAT и Fugl-Meyer. Статистическую обработку результатов проводили с помощью тестов Манна-Уитни, Уилкоксона, %2, коэффициента корреляции Спирмена, дисперсионного анализа RM-ANOVA с применением пакета Statsoft Statistica v. 6.0. Результаты. Показано, что постинсультные больные способны управлять ИМК с той же эффективностью, что здоро- вые испытуемые, независимо от давности, тяжести и локализации заболевания. В результате десятидневной тренировки происходит значимое улучшение двигательных функций по показателям неврологических шкал ARAT и Fugl-Meyer. Улучшение обеспечивается в основном за счет мелких движений кисти. По многим разделам неврологических шкал улучшение двигательных функций достоверно выше, чем в контрольной группе, хотя по общим баллам статистического отличия от контрольной группы не обнаружено. Заключение. Показано, что реабилитационная процедура с использованием экзоскелета кисти, управляемого ИМК, значимо улучшает движения паретичной руки у постинсульт-ных больных независимо от давности, тяжести и локализации заболевания. Увеличение длительности тренировок способствует повышению эффективности реабилитации.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):56-61
56-61
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ В КАЧЕСТВЕ СРЕДСТВА УСКОРЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ ПАЦИЕНТОВ ПОСЛЕ ПЕРЕНЕСЕННОГО ОСТРОГО НАРУШЕНИЯ МОЗГОВОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ
Аннотация
Цель - изучение эффекта влияния демонстрации движения от первого лица в виртуальной реальности на восстановление двигательной функции у пациентов в остром периоде острого нарушения мозгового кровообращения. Материалы и методы. Проведен анализ 45 пациентов в возрасте 58±7 лет в остром периоде острого нарушения мозгового кровообращения. Пациенты были рандомизированы в две группы сравнения. Пациенты первой группы получали реабилитацию в объеме стандартов оказания медицинской помощи и дополнительно занятия на нейротренажере. Пациентам второй группы оказывались только стандартные реабилитационные мероприятия. В качестве занятий на нейротренажере проводилась демонстрация движения от первого лица в среде виртуальной реальности в количестве 3-7 сеансов, длительностью 15 минут. При этом пациент мог видеть свои «виртуальные ноги». Скорость ходьбы изменялась в диапазоне от 2-5 км/ч. Оценка двигательной функции по тесту баланса Берга (14 вопросов, с максимальным баллом равном 56, что соответствует отсутствию двигательного дефицита). В качестве статистического анализа использовался метод оценки групп сравнения, имеющих ненормальное распределение (критерий Манна-Уитни). Результаты. Занятия на нейротренажере показывают свою эффективность на 15-19 день после возникновения инсульта. Наиболее значимые результаты достигаются при начале занятия на нейротренажере в течение 5-9 дней после возникновения инсульта (р=0,022). Степень восстановления двигательной активности зависит от длительности занятий на нейротренажере (р=0,001), максимальный результат достигается за первые 3-5 сеансов. Заключение. Дополнительные занятия на нейротренажере оказывают положительное влияние на краткосрочные результаты по увеличению двигательной активности у пациентов после острого нарушения мозгового кровообращения.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):62-66
62-66
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСТУРАЛЬНЫХ НАРУШЕНИЙ У ЛИЦ ПОЖИЛОГО ВОЗРАСТА
Аннотация
Цель - изучение особенностей постуральных нарушений у лиц пожилого возраста. Материалы и методы. Проведен анализ 47 пациентов в возрасте старше 90 лет. В неврологическом статусе у данных пациентов не выявлялось значимых нарушений в отдельных функциональных системах, хотя пациенты и предъявляли жалобы на нарушение функции равновесия. Всем пациентам проводилось неврологическое обследование, оценивались данные анамнеза и данных стабилометрического метода исследования. Группу сравнения составили пациенты разных возрастных групп без нарушений функции равновесия по данным стабилометрии. Для выявления связи клинических и инструментальных факторов, характеризующих нарушение функции равновесия, использовался логистический регрессионный анализ, учитывающий только значимые регрессоры. Результаты. Отличие возрастной группы долгожителей от предыдущих групп заключается в присоединении изменений со стороны универсальных показателей статокине-зиограммы. В предложенную математическую модель из общего количества стабилометрических показателей были включены площадь статокинезиограммы, скорость изменения центра давления, коэффициент Ромберга, а также спектральные параметры статокинезиограммы. Смещение частотного диапазона статокинезиограммы в сторону низких частот характеризует напряженность или «срыв» компенсаторных механизмов по обеспечению постуральных функций у пациентов данной возрастной группы. Чувствительность предложенной модели составляет 95,5% при специфичности, равной 69,5%. Заключение. Пациентов в возрасте долгожителей можно охарактеризовать группу как группу высокого риска по возникновению постуральных нарушений, в том числе рисков падения. Полученная математическая модель может применяться в повседневной клинической практике для определения рисков падения у долгожителей при наличии жалоб на нарушение функции равновесия.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):67-71
67-71
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АЛЬТЕРНАТИВНОМ И ДОПОЛНЕННОЙ КОММУНИКАЦИИ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ГЛАЗ
Аннотация
Одной из социально значимых проблем в России является реабилитация людей с нарушениями коммуникативных возможностей. В настоящее время на российском рынке отсутствуют высокотехнологичные устройства альтернативной и дополненной коммуникации. При создании подобных устройств возникает потребность в модели, структурирующей возникающие коммуникативные нарушения. В статье приведена структура альтернативной модели порождения высказываний, разработанная на базе модели порождения высказываний Левелта. Показано практическое применение разработанной модели при проектировании высокотехнологичной платформы альтернативной и дополненной коммуникации.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):72-76
72-76
РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПО УПРАВЛЕНИЮ РОБОТИЗИРОВАННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПОСРЕДСТВОМ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ МОЗГА И МЫШЦ
Аннотация
Цель - разработка аппаратно-программного комплекса совмещенного командно-пропорционального ЭМГ и командного ЭЭГ управления внешними исполнительными устройствами. Материалы и методы. Запись ЭЭГ и ЭМГ производится с помощью разработанных регистрирующих модулей. Комплекс также поддерживает ряд коммерческих электроэнцефалографов и электромиографов: NVX52 (ООО «МКС», Россия), DELSYS Trigno (Delsys Inc, США), MYO Thalmic (Thalmic Labs, Канада). Из регистрируемых сигналов после предобработки извлекаются характерные признаки, поступающие на вход классификаторов. На основе распознанных ЭЭГ- и ЭМГ-паттернов и оценки степени усилия мышц в блоке интерпретации и контроля вырабатываются сигналы внешнему исполнительному роботизированному устройству. Комплекс поддерживает управление мобильным роботом ЛЕГО (ЛЕГО, Дания), антропоморфным роботом NAO (Aldebaran, Франция), экзоскелетом «Илья Муромец» (ННГУ, Россия). Результаты. Был разработан и протестирован команднопропорциональный ЭМГ интерфейс управления с эффективным алгоритмом декодирования, построенном на основе оценки степени напряжения мышц. Реализован и протестирован ИМК командного управления исполнитель- ными устройствами с классификатором команд на основе моторно-воображаемых паттернов. Разработанные интерфейсы представлены в аппаратнопрограммном комплексе, интегрирующим команднопропорциональное ЭМГ управление и независимый моторно-воображаемый ИМК. Заключение. Создан и апробирован аппаратнопрограммный комплекс на основе совмещенного команднопропорционального ЭМГ и командного ЭЭГ управления внешними исполнительными устройствами.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):77-82
77-82
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО АССИСТИРОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО И МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Аннотация
Повышение уровня жизни граждан является одной из прерогатив государства. В случае утраты части физических функций человеком государство стремится вернуть его к качественному существованию либо восполнить утраченные функции. В настоящее время разработаны комплексы, в том числе экзоскелеты, которые активно развиваются, используя современные технологии трёхмерной печати, микроприводов, источников энергии, вычислительных мощностей. Экзоскелеты постепенно входят во все сферы деятельности человека: от строительства домов до спорта, от медицины до военного применения. Активное участие в разработке экзоскелетных комплексов принимают российские исследователи, и их результаты ничем не уступают результатам конкурентов из других стран. У таких коллективов есть возможность стать лидерами рынка экзоске-летных технологий для самого разного спектра задач. Цель - анализ состояния и определения ключевых направлений отечественных разработок в сфере создания роботизированных комплексов интеллектуального ассистирования специального и медицинского назначения. Метод. При проведении исследований был использован комплекс методов конструирования робототехнических систем и исследования их механических характеристик и принципов управления, метод моделирования движения, метод управления робототехническими комплексами по биологически адекватным принципам, разработаны метод автоматического взаимодействия роботизированного устройства с интерфейса «мозг-компьютер», метод удаленного управления роботизированными устройствами и др. Все это позволило разработать оптимальные варианты конструкций роботизированных устройств экзоскелетного типа. Выводы. Ключевыми проблемами отечественных разработчиков роботизированных комплексов интеллектуального ассистирования являются технологическая зависимость от зарубежных поставщиков комплектующих и недостаток квалифицированных кадров. Ключевыми направлениями дальнейшего развития являются: разработка экзоскелетов нижних конечностей, создание экзоскелетных комплексов в специализированном исполнении.
Наука и инновации в медицине. 2016;1(3):83-88
83-88