Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Аллахвердиев А.Р. 1 Дадашев Ф.Г. 2 Дадашева К.Г. 1

---

1 Институт физиологии имени А.И. Караева

2 Национальная академия авиации

Статья посвящена использованию синергетических принципов для оптимизации функциональных состояний человека посредством методики многопараметрической биологической обратной связи. Использование эволюционных принципов синергетики в управлении позволяет поэтапно решать целевую задачу биотехнической системы, проектированную для адаптивного управления функциональными состояниями человека. Проведен сравнительный анализ синергетического принципа с существующими принципами, лежащими в основе концепций биологической обратной связи. Представлено общее конструктивное решение задачи, лежащее в основе многокритериальной биологической обратной связи с использованием синергетических принципов. При этом целевая задача биотехнической системы формализуется как многокритериальная задача, для решения которой требуется применение векторной оптимизации, посредством самоорганизации (параметрической самонастройки) алгоритма управления. Для реализации данного подхода необходимы формализация «психофизиологического портрета», формализация задачи управления. Алгоритм управления функциональным состоянием можно представить как иерархический процесс, состоящий из двух уровней. В связи с общностью предложенного подхода при применении к решению задач мультипараметрической биологической обратной связи, при конкретных ситуациях требуется решение комплекса конструктивных задач.

Статья в формате PDF

1872 KB

функциональное состояние человека

многопараметрическая БОС-методика

синергетические принципы

биотехническая система

1. Miller N.E. A bridge across a chasm: Learning and physiological regulation [Review of a book by Barry R. Dworkin, «Learning and Physiological Regulation»] // Contemporary Psychology. – 1994. – № 39(11). – Р. 1027–1029.

2. Шварц М.С. Современные проблемы биоуправления // Биоуправление-3. Теория и практика. – Новосибирск, 1998. – 238 с.

3. Щукин С.И., Ершов Ю.А. Биотехнические системы медицинского назначения. Часть 2. Анализ и синтез систем. – М.: Изд. «Юрайт», 2011. – 348 с.

4. Хакен Г. Синергетика. Принципы и основы. Перспективы и приложения. Часть 1. Неравновесные фазовые переходы и самоорганизация в физике, химии и биологии. – М.: Ленанд, 2015. – 426 с.

5. Кершенгольц Б.М., Чернобровкина Т.В., Шеин А.А., Хлебный Е.С., Аньшакова В.В. Нелинейная динамика (синергетика) в химических, биологических и биотехнологических. – Якутск, 2009. – 208 с.

6. Колесников А.А. Синергетические методы управления сложными системами. Теория системного синтеза. – М.: Либреком, 2012. – 242 с.

7. Пашаев А.М., Дадашев Ф.Г., Мамедов А.М. Полифункциональная система управления нейродинамическими процессами летного состава с принципами многокритериальной оптимизации // Материалы VI международного научно-практического конгресса «Человек в экстремальных условиях: человеческих фактор и профессиональное здоровье». – М., 2008. – С. 82.

8. Усков А.А. Системы с нечеткими моделями объектов управления: монография. – Смоленск: СФРУК, – 2013. – 153 с.

Несмотря на широкое применение БОС-методики в медицинской практике, до сих пор отсутствует унифицированная концептуальная основа данной методики. Этому немало способствовала успешность данной методики в медицинской практике, что привело к доминированию исследований прикладного и медицинского аспекта над теоретико-концептуальным. Надо отметить, что история использования БОС-методики началась с изучения механизма самоорганизации функциональных систем, с работы Н. Мюллера по выработке у животных висцеральных условных рефлексов оперантного типа [1]. Дальнейшее развитие в этой области в основном направлено на получение эффективного медицинского результата.

Для всестороннего исследования механизмов самоорганизации с применением БОС-методики перспективно использование синергетических принципов при проектировании необходимых компьютерных систем.

Существующие концептуальные подходы к основам БОС-методики [2], такие как классический (усиление сенсорной информации подключением дополнительной информации от внутренней среды), плацебо-модель (когда результат БОС-тренинга является составной частью результата, который формируется на основе положительного отношения тренера (врача, психолога)), когнитивный (сущностью которого является модификация мысли, представления, мотивация пациента, ожидание результата, возникающие во время сеанса посредством обратной связи, что приводит к изменениям параметров, отражающих желаемые состояния) и предложенная М.С. Шварцем модель, опирающаяся на идею о том, что «человек способен оптимизировать свои физиологические функции и без помощи компьютера, но не знает как».

Предложенный синергетический подход является более универсальным, в связи с включением в единый контур ресурсов как пациента (когнитивная модель), так и плацебо-эффекта (позитивной установки) с созданием «интеллектуального тренажера» на базе компьютера, что способствует оптимизации состояния пациента.

Для максимального использования ресурсов пациента при тренировке, применяя принцип синергетического управления, компьютер должен представить информацию не только о текущем состоянии, но и о результате поведения на предыдущем этапе при поэтапном приближении к цели со снятием неопределенности различного характера.

Применение синергетического принципа даст возможность такому поведению БТС [3] (человек – ЭВМ) посредством самоорганизации алгоритмов ЭВМ, которые позволяют максимальное использование внутреннего ресурса для реализации поставленной цели БТС.

Использование синергетических принципов при управлении психофизиологическим состоянием по методу БОС целесообразно как при проектировании БТС для максимального использования ресурсов, так технического и биологического характера, и при анализе результатов деятельности БТС для выявления механизмов самоорганизации при поэтапном обучении.

Базовые синергетические принципы

Основоположником синергетики как науки и методологии считается Г. Хакен [4].

Как надсистемный подход к анализу самоорганизующихся процессов, синергетика имеет семь базовых принципов, два из них – принципы бытия, а пять – становления [5].

Принципы бытия:

1 – гомеостатичность. Этот принцип обеспечивает реализацию деятельности системы, посредством программы, которая позволяет максимально сохранить цели (в синергетике цель программ поведения, которому следует система, называется аттрактором);

2 – иерархичность. Являясь основным принципом эволюции при формировании сложных структур, описывается многоуровневой организацией. При этом каждый иерархический уровень является органически целым. При этом то, что является структур-порядком для низкого уровня, для высшего является элементом хаоса. При этом каждый уровень имеет свой путь развития.

Принципы становления:

1 – нелинейность. Является основным принципом в синергетике. Проявляет себя в отсутствии принципа суперпозиции, т.е. суммарный результат не равен сумме результатов отдельных воздействий.

2 – неустойчивость. Этот принцип проявляет себя в том, что состояние системы, программа деятельности или траектория эволюции отклоняется от центральной тенденции или устойчивого положения и увеличивается с течением времени при сколь угодно малом отклонении.

3 – открытость. Под открытостью следует понимать, что система как во время деятельности, так и во время эволюции имеет возможность взаимодействовать со своей окружающей средой.

4 – динамическая иерархичность, Сущность этого принципа заключается в том, что на одном горизонтальном уровне может появиться новое качество, чему может способствовать медленное изменение управляющих параметров на более высоком уровне.

5 – наблюдаемость. Согласно этому принципу все теоретические положения должны иметь эмпирические обоснования. При этом каждая величина должна иметь возможность операционно определиться.

Принципы синергетики при проектировании БТС для БОС-методики

Наличие неопределенностей различного характера для реализации процесса самоорганизации обусловливает существование различных траекторий эволюции процесса самоорганизации при тренировке по БОС-методике. Для максимального использования ресурсов ЭВМ как компонента БТС они должны снабжаться адаптивными алгоритмами управления психофизиологическими состояниями. Использование синергетического управления [6] имеет ряд преимуществ:

- минимальное воздействие на процесс управляемости со своими законами;

- нелинейная и неоднозначная динамика, позволяющая выбрать наилучший вариант;

- самоорганизация;

- использование аттракторов и т.д.

В предложенном подходе аттрактор системы – «желаемое состояние» формализуется в виде нечеткого множества в многомерном пространстве психофизиологических состояний. Компоненты выбираются исследователем как показатели «психофизиологического портрета» лиц, подлежащего к управлению посредством БОС-методики.

Формализация «психофизиологического портрета»

«Психологический портрет» целесообразно формировать на основе электрофизиологических данных с применением методологии полипараметрической технологии.

Содержанием данной технологии является использование следующих средств: параллельное использование данных комплекса электрофизиологических показателей, а также параметров результатов первичной обработки, матричное представление психофункционального состояния человека и использование средств методов data mining (интеллектуального анализа данных). Использование синергетического подхода способствует выявлению таких соотношений выбранных параметров физиологических функций, как содержательная информация, которые выступают как ценные диагностические признаки.

В зависимости от поставленных задач выбранные показатели могут относиться к различным системам, таким как электрофизиологические данные ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, КГР, кривая дыхания и т.д.

Формализация задачи управления

При использовании синергетического подхода для задач управления состоянием [7] целесообразно формализовать ее как многокритериальную задачу, где текущее состояние определяется как точка в многомерном пространстве. Тогда «аттрактор» целенаправленной системы формализуется в виде нечеткого множества [8]. Координатами этой системы могут быть независимые показатели отдельной функциональной системы или показатели различных функциональных систем. В основе алгоритма управления БОС-методики стоит поэтапное решение многокритериальной задачи. Для формализации целевой задачи БТС совокупность информативных параметров, характеризующих функциональное состояние, обозначим через {Ki} i = 1…n.

Каждому информативному показателю Ki целесообразно сопоставить нечеткое множество <Rⁿ, μ1(Ki)>. Для определения соответствующей функции принадлежности каждого множества можно использовать эмпирические данные, полученные на основе длительного наблюдения динамики изменения выбранных управляемых параметров при смене функциональных состояний.

Учитывая вышеизложенное, целевая задача для БТС приобретает вид многокритериальной задачи:

где μ1: Rⁿ → [0, 1].

Или

U(μ1(K), μ2(K), …, μn(K)) → max,

где U – неявный вид глобальной функции предпочтений.

Априорная неопределенность БТС отражается отсутствием двух видов информации:

- информация об общих механизмах самоорганизации;

- информация о частных механизмах самоорганизации, связанная с индивидуальной тактикой.

Для решения многокритериальной задачи, для постепенного снятия этих неопределенностей целесообразно применение двух подходов, которые используются для векторной оптимизации. Первое из них – аддитивное свертывание приводит векторную функцию (μ1(K), μ2(K), …, μn(K)) к скалярной μ*(K) (функция достижимости) «желаемого состояния» в пространство состояний.

Введем произвольно априорно неизвестные параметры (весы) α_i ∈[0, 1],

Тогда глобальная целевая функция БТС принимает вид

,

.

Являясь линейной комбинацией локальных нечетких множеств, соответствующей текущей целевой функции БТС, , находится между максимальной и минимальной оболочкой этих множеств. Являясь отражением управляемости компонентов α_i, определяются в процессе самонастройки. Второй принцип – поэтапное обучение, посредством уточнения весовых параметров.

Двухуровневый алгоритм управления посредством БОС-методики

Постэкспериментальный протокол, отражающий динамику состояний БТС , сохраняет в себе технический компонент БТС, ТС-компонент: = , информацию об управляемости соответствующих параметров. Применение многоэтапной процедуры позволяет определить адекватный мультипараметр, который показывает управляемость соответствующих информативных параметров.

Для формирования этапного показателя управляемость для каждого Ki (определяется изменчивостью) – α_i, данного параметра Ki, оценивается по предыстории текущей состояния.

Биологический компонент БТС – БС-компонент: = {Ki}∈Rⁿ содержит в себе информацию о динамике самоорганизации при управлении посредством БОС-методики.

Алгоритм управления функциональным состоянием можно представить как иерархический процесс, состоящий из двух уровней (рисунок).

На низком уровне происходит реализация алгоритма управления, цель которого определяется как на основе информации о результате предыдущего этапа, так и информации о самонастройке происходящего на верхнем уровне.

Таким образом, применение синергетических принципов к многопараметрической БОС-методике является перспективным как для получения эффективного результата с учётом индивидуальных характеристик человека, так и для выявления закономерностей, связанных с механизмами самоорганизации при управлении.

Библиографическая ссылка