Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СПОСОБ КОНТРОЛЯ УСПЕШНОСТИ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОГО БИОУПРАВЛЯЕМОГО ИГРОВОГО ТРЕНИНГА В БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ «XONIX»

Сурушкин М.А. 1 Пятакович Ф.А. 1 Макконен К.Ф. 1
1 ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», Белгород, Россия
Для увеличения эффективности биоуправления игровым тренингом разработан способ, основанный на фундаментальных принципах хронобиологии и использующий электрофизиологические сигналы в виде соотношения частоты пульса и дыхания. Значения частоты пульса и дыхания, полученные в процессе тренинга, отображаются на экране монитора, а их соотношение передается в игровой блок биотехнической системы в качестве управляющего параметра. Таким образом, реализуется метод информационного воздействия, заключающийся в визуальном оповещении пользователя о его текущем состоянии, а также метод ассоциативного воздействия, основанный на управлении игровыми алгоритмами по соотношению выбранных показателей.
мультипараметрическая биологическая обратная связь
биоуправляемый игровой тренинг
1. Великохатный, Р. И. Игровое биоуправление (история и современное состояние) / Р. И. Великохатный, О. А. Джафарова, О. Г. Донская и др. // Бюллетень СО РАМН. - 1999. - №1. - С. 23-29.
2. Макконен, К. Ф. Игровой модуль с реализацией стратегии, направленной на избегание неудачи / К. Ф. Макконен, Ф. А. Пятакович, А. С. Новоченко // Фундаментальные исследования. - 2007. - №1. - С. 70-72.
3. Макконен, К. Ф. Разработка показателей успешности и эффективности биоуправляемого автомобильного игрового тренинга, основанного на мультипараметрической обратной связи // Высокие технологии в технике, медицине, экономике и образовании: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2008. - С. 85-89.
4. Пятакович, Ф. А. Биоуправляемая игровая система, реализующая автомобильные гонки на основе мультипараметрической обратной связи / Ф. А. Пятакович, К. Ф. Макконен, А. С. Новоченко // Аллергология и иммунология. - 2007. - Т. 8. - №3. - С. 328.
5. Суворов, Н. Б. Знакопеременный кардиотренинг: практика применения / Н. Б. Суворов, Д. Н. Меницкий, Н. Л. Фролова // Биоуправление-3. Теория и практика. - Новосибирск, 1998. - С. 7-16.
Актуальность работы. Биоуправление как метод целенаправленной активизации резервных возможностей организма человека основано на современных информационных технологиях, включающих использование биологической обратной связи [1].

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

  1. 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).
  2. 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».
  3. 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.
].

Библиографическая ссылка

Сурушкин М.А., Пятакович Ф.А., Макконен К.Ф. СПОСОБ КОНТРОЛЯ УСПЕШНОСТИ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОГО БИОУПРАВЛЯЕМОГО ИГРОВОГО ТРЕНИНГА В БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ «XONIX» // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4887 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074