Суть данного метода состоит в том, что создается лечебно-реабилитационный алгоритм, который позволяет человеку отслеживать и управлять изменением собственных биологических параметров (ритмом сердца, дыханием, температурой тела, электрическими потенциалами головного мозга).
Реализация биоуправления возможна при наличии определенных технических средств: датчиков, осуществляющих регистрацию физиологических показателей организма человека, а также средств оповещения о динамике значений этих показателей. Одним из наиболее мощных технических средств оповещения на сегодняшний день является персональный компьютер, доступный практически каждому человеку. Информация, введенная в компьютер, может быть визуализирована на мониторе в виде схемы, движущегося графика, игровой метафоры и т.д.
Важным показателем эффективности системы с биологической обратной связью являются параметры биоуправления, поскольку от их выбора зависит успешность в достижении заданной целевой функции в ходе тренинга. В соответствии с фундаментальными принципами хронобиологии о многочастотных кодах биоуправления как наиболее успешные и эффективные зарекомендовали себя системы управления несколькими функциональными показателями, поскольку, например, в тренажере «Ибис» использование среднего значения частоты пульса, достигнутого в предыдущем сеансе, в качестве единственного управляющего параметра затрудняет достижение успеха тренинга в последующих сеансах в связи с известными физиологическими ограничениями замедления пульса [5].
Организация обратной связи по динамике совокупности параметров возможна в мультипараметрическом одноканальном биоуправляемом комплексе. В этом случае единственный канал связи будет иметь несколько входов в зависимости от количества измеряемых показателей и один выход, регулируемый соотношением этих показателей.
Таким образом, применение систем с мультипараметрической биологической обратной связью, основанной на управлении несколькими функциональными показателями или их соотношением, позволяет оптимизировать стимулирующее воздействие за счет расширения диапазона коррекции в сторону активизации или релаксации нервной системы человека.
Цель и задачи исследования: целью является разработка способа контроля успешности биоуправления в мультипараметрическом игровом тренинге "Xonix".
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- осуществить параметризацию моделей биоуправления в системе тренинга;
- разработать алгоритм определения успешности игрового тренинга;
- описать метод управления динамикой игрового сюжета "Xonix".
Методы исследования: включают использование системного анализа с декомпозицией целей и функций разрабатываемой системы.
Основное содержание работы. Целью биоуправления в системе игрового тренинга Xonix является информационное и ассоциативное воздействие на пациента через игровую среду, оказывающее обучающую стимуляцию активационных и релаксационных процессов организма. Успешность данного воздействия определяется путем оценки соотношения двух биологических параметров: частоты пульса и частоты дыхания.
Основой игрового блока системы тренинга являются модель и алгоритмы аркадной игры Xonix. Аркада подразумевает наличие управляемого объекта, который помогает пользователю выполнить определенное игровое задание. Человек осуществляет управление с помощью клавиатуры, изменяя направление движения объекта. Присутствие «враждебных» объектов в игровой среде, которые двигаются с разной скоростью, затрудняет выполнение поставленной задачи, что позволяет придать игре соревновательный характер и увеличить заинтересованность человека тренировочным процессом. Соревновательный характер является одной из форм моделирования стрессовой ситуации, преодоление которой отождествляется с выполнением игровых целей. В ситуации стресса пациент должен научиться управлять своей физиологической функцией, испытывая определенные эмоциональные нагрузки. Активное вовлечение участника в процесс обучения является важным фактором увеличения эффективности тренинга.
Используя опыт исследований в области разработки мультипараметрических систем [2, 3, 4], был разработан алгоритм определения успешности проводимого тренинга и управления динамикой игрового сюжета на основе оценки показателя «T».
В зависимости от выбранной модели тренинга и непрерывно рассчитываемого значения «T» определяется состояние автономной нервной системы (преобладание симпатической или парасимпатической системы) и, как следствие, успешность в достижении целей тренинга. Определение успешности используется для установления значений параметров игрового сюжета и формирования рекомендаций для пациента, выполнение которых во время сеанса может оказать помощь в победном окончании игры.
Для модели активации (Model=1) успешным является умеренное преобладание симпатической нервной системы (НС), когда активизируются адренергические механизмы регуляции автономной нервной системы (Таблица 1). При показателях отношения частоты пульса к частоте дыхания в диапазоне от 3,0 до 3,9 ответной реакцией игровой среды будет отображение зеленого света (Biocolor=зеленый) и заметное замедление скорости «враждебных» объектов (KSpeed=1). В случае преобладания парасимпатической нервной системы, когда «T» больше или равен 4,0 - на экране виден желтый свет (Biocolor=желтый), «враждебные» объекты двигаются со средней скоростью (KSpeed=2); выполняющему тренинг субъекту рекомендуют поверхностное и частое дыхание. При выраженном преобладании симпатической нервной системы появляется красный свет (Biocolor=красный), скорость «враждебных» объектов резко увеличивается (KSpeed=4), что затрудняет выполнение целей игры. В этом случае тренирующемуся человеку рекомендуют более медленное и глубокое дыхание (рис.1).
Для модели релаксации (Model=2) целевой функцией является активизация холинергических механизмов регуляции, т.е. умеренное преобладание парасимпатической нервной системы (таблица 1). В таком случае, для успешной реализации стратегии на избегание неудачи значение «T» должно быть больше 5,0. Если показатель отношения частоты пульса и дыхания выражен значением менее 5,1 - отображается желтый или красный свет (Biocolor=желтый или Biocolor=красный), скорость движения «враждебных» объектов возрастает (KSpeed=2 или KSpeed=4), что свидетельствует о наличии активизационных процессов и несоответствии целям модели релаксации. В этом случае пациенту рекомендуют замедление дыхания до тех пор, пока не появится зеленый свет (Biocolor=зеленый и KSpeed=1) (рис.1).
Множитель KSpeed используется для расчета скорости движения «враждебных» объектов, задаваемой целочисленной переменной Ball[i].Speed, где i - номер объекта по порядку от 1 до номера текущего уровня игры (level).
Таблица 1. Параметры моделей биоуправления и алгоритма определения успешности тренинга
|
Цвет управляемого объекта, цвет фона области вывода ЧСС (Biocolor) |
Скорость движения твердых и мягких шаров (Ball[i].Speed) |
Автономная нервная система |
Успешность тренинга |
|
Модель активации (Model=1) |
|||
|
зеленый |
низкая (KSpeed=1) |
Умеренное преобладание симпатической НС |
ДА |
|
желтый |
средняя (KSpeed=2) |
Преобладание парасимпатической НС |
НЕТ |
|
красный |
высокая (KSpeed=4) |
Выраженное преобладание симпатической НС |
НЕТ |
|
Модель релаксации (Model=2) |
|||
|
зеленый |
низкая (KSpeed=1) |
Преобладание парасимпатической НС |
ДА |
|
желтый |
средняя (KSpeed=2) |
Норма |
НЕТ |
|
красный |
высокая (KSpeed=4) |
Преобладание симпатической НС |
НЕТ |
Рис.1. Алгоритм определения успешности тренинга и биоуправления игровым сюжетом
Выводы
- В соответствии с фундаментальными принципами хронобиологии, в качестве управляющего параметра мультипараметрической системы выбрано соотношение показателей сердечного ритма и дыхания: T=P*tдых.ц., где T - количество сердечных импульсов, приходящихся на один дыхательный цикл; P - частота пульса (в ударах в минуту); tдых.ц. - продолжительность одного дыхательного цикла (в секундах).
- Описаны модели биоуправления игровым тренингом, основанные на стратегиях, направленных на достижение успеха (модель активации) и избегание неудачи (модель релаксации), и устанавливающие зависимость входных параметров игровой среды (цвет фона области вывода частоты сердечных сокращений и цвет управляемого объекта, скорость «враждебных» объектов) от текущего функционального состояния пациента, оцениваемого показателем «T».
- Сформирован алгоритм определения успешности тренинга с учетом выбора модели биоуправления (модель активации или модель релаксации), позволяющий управлять динамикой игрового сюжета на основе отношения частоты пульса и дыхания и формировать рекомендации пациенту для достижения целей тренинга.
Рецензенты:
- Блажевич С.В., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г.Белгород.
- Якунченко Т.И., д.м.н., профессор, заведующая кафедрой пропедевтики внутренних болезней и клинических информационных технологий ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г.Белгород.