Журнал «Компьютерра» № 31 от 28 августа 2007 года

В 30-х годах прошлого века академик П. К. Анохин [Русский физиолог, ученик И. П. Павлова, автор теории функциональных систем] предложил теорию, объясняющую основные принципы управления в биологических системах, обеспечив теоретическую базу для развития современной кибернетики. Одним из ключевых моментов этой теории стало понятие обратной афферентации, которая представляет собой связь между параметрами достигнутого полезного результата и центральными структурами нервной системы. Обратная афферентация по Анохину имеет в своей основе биологическую обратную связь (БОС) в ее современном определении. При этом обратная связь осуществляется между отдельными биологическими показателями, регистрируемыми с помощью рецепторов, и структурами центральной нервной системы, которые выполняют функцию контроля и управления. При несоответствии биологического показателя его нормальному значению центральные структуры корректируют работу соответствующей системы органов.

Feedback

Биологическая обратная связь (biological feedback) является прежде всего биологическим механизмом контроля качества достигнутого результата. Различают отрицательную и положительную обратную связь. Если повышение значения одного биологического показателя приводит к снижению другого (или наоборот), то имеет местоя отрицательная обратная связь [Например, повышение уровня инсулина в крови снижает концентрацию в ней глюкозы], то есть зависимость между показателями обратно пропорциональная. Это наиболее частый случай обратной связи, характерный для здорового организма. Если повышение значения одного показателя приводит к увеличению другого, а это, в свою очередь, еще больше повышает значение первого показателя, то говорят о положительной обратной связи [Например, повышение активности воспалительного процесса приводит к повышению температуры в очаге воспаления, что, в свою очередь, еще больше увеличивает воспаление]. В этом случае зависимость между показателями прямо пропорциональная, а данный вариант обратной связи характерен для больного организма.

Здесь просматривается аналогия с нечеткой логикой: с одной стороны, человеческий опыт и интуиция в широком смысле этих понятий служат для успешного решения поставленной задачи, а с другой стороны, на каждом этапе выполнения программы действия не требуется соблюдения однозначно сформулированных закономерностей.

Кроме значения БОС как метода контроля функций – это также и метод коррекции функции многих органов (теоретически – любых) с помощью сигналов различной модальности. Изменения того или иного показателя организма человека можно условно отражать с помощью динамических зрительных, слуховых, вибрационных и иных образов. Поэтому в практических целях используются различные варианты БОС. В частности:

• БОС по электромиограмме – функциональное биоуправление тонусом мышц-антагонистов для коррекции нарушений опорно-двигательного аппарата (например, при детском церебральном параличе);

• БОС по реоэнцефалограмме – функциональное биоуправление тонусом сосудов головного мозга (например, при головных болях);

• БОС по электроэнцефалограмме – функциональное биоуправление электрической активностью головного мозга (например, при неврозах).

Компьютерная стабилометрия

В качестве метода диагностики состояния опорно-двигательного аппарата и многих анализаторных систем с использованием БОС рассмотрим компьютерную стабилометрию.

Как известно, поддержание вертикального положения человека является динамическим процессом, поскольку при этом наше тело совершает колебательные движения в различных плоскостях с небольшим отклонением от среднего положения. Все характеристики колебательного процесса (амплитуда, частота, направление) являются чувствительными и отражают состояние различных систем, поддерживающих баланс позы. Для исследования функции равновесия московской научно-медицинской фирмой "МБН – Биомеханика" был разработан метод компьютерной стабилометрии, который позволяет оценить вертикальную устойчивость человека и ряд переходных процессов. Метод использует программно-аппаратный комплекс, который включает в себя стабилограф и компьютер со специализированным программным обеспечением. Программный пакет обеспечивает наличие собственной базы данных, автоматизированных функций для сбора и обработки информации, а также возможность получения всех общепринятых параметров по стандартному алгоритму.

Динамометрический прибор представляет собой металлическую плиту 60х40х10 см, в углах которой расположены трехкомпонентные датчики. Второй конец каждого датчика фиксирован на покровной плите. Сигналы от датчиков поступают в электронный блок, где подвергаются обработке, усилению, суммированию. Аналоговый сигнал на выходе содержит в соответствующем масштабе величины каждой составляющей движения и координаты вектора приложения силы. Дальнейшая обработка данных после аналого-цифрового преобразования осуществляется компьютером.