Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г.



А.П. КУЛАИЧЕВ

КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

        5-е издание, переработанное и дополненное


Допущено
                  Учебно-методическим объединением по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для вузов по дисциплинам «Физиология», «Психология»

znanium.com

Москва ИНФРА-М 2022

УДК [612.014.42+616-079](075.8)
ББК 28.073:53.4я73
      К90






      Кулаичев А.П.
К90 Компьютерная электрофизиология и функциональная диагностика : учебное пособие / А.П. Кулаичев. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 470 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5c4567cb83fa36.41159592.

          ISBN 978-5-16-014671-3 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-107178-6 (ИНФРА-М, online)

          Книга представляет собой учебное пособие, воплощающее 35-летний системно-аналитический и дидактический опыт работы автора в данной научной области. В нем систематизированы и энциклопедически рассмотрены современные методы и компьютерные средства регистрации и анализа энцефалограммы, вызванных потенциалов головного мозга, кардиограммы, реограммы, миограммы, окулограммы, КГР, дыхания и других физиологических показателей с обзорами по терминологии, симптоматике и методикам научных и клинических исследований, а также по связанным с этим методологическим вопросам.
          Обучающим инструментом служит комплексная электрофизиологическая лаборатория CONAN, ставшая за 25 лет своего совершенствования де-факто своеобразным стандартом в данной области для России. Излагаемый материал в течение многих лет составляет основу лекционно-практических курсов, читаемых в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова.
          Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
          Для студентов, аспирантов и преподавателей вузов, клиницистов и профессиональных исследователей в области биологии и медицины.

УДК [612.014.42+616-079](075.8)
ББК 28.073:53.4я73










ISBN 978-5-16-014671-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-107178-6 (ИНФРА-М, online)

© Кулаичев А.П., 2007
© Кулаичев А.П., 2019,

с изменениями

                ОГЛАВЛЕНИЕ




Предисловие                                                 5
Глава 1. Компьютерная электрофизиология
1.1. Определения                                           6
1.2. Исторические вехи                                    12
1.3. Архитектура функционального исследования             23
1.4. Измерительно-вычислительные комплексы                31
1.5. Работа в среде Windows                               45
Глава 2. Проведение исследований
2.1. Типовые исследования                                 58
2.2. Планирование нового исследования                     60
2.3. Режим реального времени                              67
2.4. Практикум                                            70
Глава 3. Просмотр и изучение записей
3.1. Монитор записей                                      73
3.2. Работа с архивами и базами записей                   78
3.3. Редактирование записей                               85
3.4. Печать и экспорт результатов                         88
3.5. Диагноз и числовые результаты                        89
3.6. Практикум                                            91
Глава 4. Энцефалография
4.1. Анатомия и физиология мозга                          94
4.2. Основы ЭЭГ метода                                   101
4.3. Симптоматика                                        116
4.4. Методы вычислительного анализа ЭЭГ                  124
   4.4.1. Метрологические аспекты                        124
   4.4.2. Основы спектрального анализа                   128
   4.4.3. Частотные характеристики                       137
   4.4.4. Оценки синхронности ЭЭГ                        142
   4.4.5. Периодометрический анализ                      147
   4.4.6. Топографическое картирование                   149
   4.4.7. Корреляционный анализ                          151
   4.4.8. Фильтрация, огибающая, сглаживание             155
   4.4.9. Нормопатологическая классификация ЭЭГ          159
   4.4.10. Трехмерная локализация ЭЭГ-источников         160
   4.4.11. Сегментный анализ                             162
4.5. Средства анализа                                    164
4.6. Типовые исследования и практикум                    182
Глава 5. Вызванные потенциалы
5.1. Основы метода                                       190
   5.1.1. Зрительные ВП                                  193
   5.1.2. Слуховые ВП                                    206
   5.1.3. Соматосенсорные ВП                             211
   5.1.4. Когнитивные ВП                                 221

Оглавление

5.2. Диагностические возможности                            225
5.3. Методы и средства регистрации                          230
5.4. Усреднение и анализ ВП                                 237
5.5. Практикум                                              244
Глава 6. Кардиография
6.1. Физиология сердечной деятельности                      247
6.2. Основы ЭКГ метода                                      257
6.3. Симптоматика                                           262
6.4. Анализ вариабельности сердечного ритма                 271
6.5. Средства анализа                                       287
6.6. Типовые исследования и практикум                       294
Глава 7. Реография
7.1. Основы метода                                          300
7.2. Реографические показатели                              302
7.3. Клинические направления                                308
7.4. Методы и средства анализа                              322
7.5. Типовые исследования и практикум                       328
Глава 8. Миография
8.1. Основы метода                                          332
8.2. Средства регистрации                                   344
8.3. Средства анализа и практикум                           346
Глава 9. Полиграфия
9.1. Вегетативная нервная система                           351
9.2. Вспомогательные физиологические показатели             355
9.3. Приложения                                             361
   9.3.1. Детекция лжи                                      361
   9.3.2. Биологическая обратная связь                      364
   9.3.3. Исследования сна                                  377
9.4. Методы и средства анализа                              394
   9.4.1. Электронная таблица измерений — блокнот           395
   9.4.2. Преобразования сигналов                           398
   9.4.3. Поиск и анализ событий                            404
   9.4.4. Использование формул                              408
   9.4.5. Дискретные сигналы                                410
9.5. Практикум                                              413
Глава 10. Расширенные возможности
10.1. Автоматизация исследований — протокол                 415
10.2. Экспресс-анализ                                       429
10.3. Комплексный стимулятор                                431
10.4. Практикум                                             436
10.5. База учебных записей                                  439
Библиографический список                                    452
Предметный указатель                                        455

            ПРЕДИСЛОВИЕ



«Мы пришли

Посвящается друзьям и близким, оставшимся во II тысячелетии

«мы пришли —
как неожиданный ответчик невыразимой жажды» [Р. Шекли. Координаты чудес]


   Компьютерная электрофизиология как новое научное методологическое направление зародилось на рубеже 80-х годов и постепенно кардинально изменило всю практику клинических и научных исследований, подняв их на принципиально новый организационно-методический уровень. Нам посчастливилось стоять у истоков этого направления, внести определенный вклад в его становление, развитие и совершенствование, обобщить накопленный в этой области опыт и дать направлению нынешнее наименование.
   Первоначальный замысел состоял в создании такого методического и инструментального обеспечения, которое покрывало бы наиболее значимые в практике области исследований и позволяло быстро и без посторонней помощи реализовывать как типовые, так и специальные клинические и научные методики. В результате многолетних усилий в этом направлении был создан интегрированный инструментально-методический комплекс CONAN {КОН-троль процессов и АНализ сигналов), позволяющий планировать и выполнять исследования в различных областях биологии, физиологии и медицины.
   Свободно доступная в Интернете обучающая версия системы CONAN (http://statsoft.msu.ru) не требуюет для своей работы дорогостоящего биометрического оборудования и сопровождается представительной базой записей различных электрофизиологических показателей, характерных как для нормы, так и для ряда патологий. В таком комплекте с мощным аналитическим инструментом и набором клинических примеров данное издание превращается в своеобразный самоучитель по самым современным методам компьютерной неврологии, кардиологии, реографии, миографии, полиграфии, функциональной диагностики и сопредельным областям исследования.
   Блок компетенций. Материал книги предназначен для изучения в рамках образовательной программы бакалавриата. Студент должен: знать изложенные в книге методы организации и проведения физиологических исследований; владеть компьютерными средствами выполнения исследований и анализа полученных результатов; уметь самостоятельно выполнять все этапы научного или клинического исследования на современном организационнометодическом уровне согласно поставленной руководителем задаче.

               Заслуженный научный сотрудник Московского университета
А.П. Кулаичев

            Глава 1





                КОМПЬЮТЕРНАЯ
                ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ




                   «То, что есть, — невероятно, ибо все отчуждено, ненужно и грозит рассудку» [Зе Краггаш. О неумолимости правдоподобного]
   В первой главе дается общий обзор рассматриваемого научного направления и его реализации.


            1.1. Определения


   В науках о человеке имеется ряд областей, близких как по предметам исследования, так и по используемым методам: нейрофизиология, электрофизиология, физиология высшей нервной деятельности (ВНД), психофизиология, сомнология, неврология, кардиология, функциональная диагностика и др. Все они преимущественно изучают физиологические процессы, регистрируемые методом электрического измерения.
   Компьютерная электрофизиология — это развившееся в последнее тридцатилетие междисциплинарное научное направление, связанное с созданием и внедрением в практику современных измерительно-вычислительных средств, методов и методик, позволяющих комплексно автоматизировать все этапы исследования, а именно:
1) планирование порядка проведения и режимов исследования;
2) конструирование и компоновка необходимой аппаратуры и окружающей (экспериментальной) среды;
3) собственно проведение исследования в так называемом режиме реаль -ного времени, включающее регистрацию биопоказателей, стимуляцию, биорегуляцию, выполнение функциональных проб, различные виды деятельности, решение задач и др.;
4) визуальный анализ и редактирование полученных записей;
5) вычислительный анализ записей;
6) документирование исследования с представлением результатов в адекватных цифровых, текстовых и графических формах.
   При своем целостном воплощении оно избавляет физиолога от необходимости привлечения внешних специалистов и интенсифицирует научные и клинические исследования в сотни раз по сравнению с докомпьютерным уровнем.
   Особенности научной области. Фактически это направление являет собой новую методологию автоматизированных электрофизиологических исследований, о деталях которой поговорим немного позже. Здесь же под

1.1. Определения

7

черкнем, что область электрофизиологии в рассматриваемом плане имеет три принципиальные отличительные особенности:
1) возможность комплексной (сквозной, единой) компьютерной автоматизации на всех этапах исследований, влекущая многократную их интенсификацию на принципиально новом                    организацион   но-методологическом уровне;
2) возможность проведения всех этапов исследования одним физиологом от начала до конца;
3) возможность выполнения всего исследования на одном аппаратно-программном комплексе.
   Перечисленные особенности свойственны лишь очень небольшому числу областей знания, неразрывно связанных с проведением активных экспериментов. Поэтому в аналогичном смысле некорректно было бы говорить о «компьютерной астрономии», «компьютерной геологии», «компьютерной ботанике», «компьютерной зоологии», «компьютерной цитологии» и т. п.
   Расширение определения электрофизиологии. Далее необходимо учесть, что измерительная техника со времен Гальвани существенно прогрессировала, что требует соответствующего расширения классического понимания электрофизиологии. Как известно, Гальвани определил электрофизиологию как область «изучения электрических потенциалов живой ткани». В середине XX в. к этому было добавлено «изучение действия электричества на живые процессы и физические свойства живой ткани, как проводника электричества» [22]. Современное же развитие техники измерений требует расширения понятия электрофизиологии не только применительно к источникам биоэлектросилы, но и с распространением на все физиологические процессы, доступные косвенному или преобразованному электрическому измерению: импедансо-, тензо-, аэро-, гидро-, динамометрия и т. п.
   Вторым немаловажным основанием для этого является широкое применение в современных исследованиях совместной регистрации и анализа различных физиологических показателей (полиграфия).
   И, наконец, третьим весомым основанием является использование для анализа разных показателей одинаковых математических методов и форм представления результатов, при этом доступных в одном и том же интегрированном программном пакете.
   Пограничные научные направления. Компьютерная электрофизиология является показательным примером современного наукоемкого направления, в котором неразрывно переплетается множество отраслей знания: вычислительная математика, прикладная статистика, частотный анализ, измерительная и вычислительная инженерия, схемотехника, автоматическое управление, системный анализ, программирование, эргономика, психология, дидактика и др., совокупный вклад которых нередко соизмерим собственно с базисной физиологической составляющей.

Глава 1. Компьютерная электрофизиология

Значимость этого системно-аналитического направления в последнее время признана на самом высшем научном уровне, а именно: на уровне ВАК при расширении номенклатуры научных специальностей и детализации их паспортов введена отдельная многоплановая специальность 05.13.01 — сис-темный анализ, управление и обработка информации (по различным отраслям, включая биологию и медицину). Но более того, в паспорте самой специальности 03.00.13 ((физиология) было введено отдельное самостоятельное направление исследований: 10. Разработка новых методов исследования функций человека и животных. И по этим новым специальностям и направления уже защищены многие десятки диссертаций.
   Уровни научной деятельности. Здесь следует сказать о нескольких уровнях научной деятельности. В 80-х годах они определялись достаточно четко, а к настоящему времени это подзабылось. Итак, при работе на кандидатском уровне соискатель должен всего лишь продемонстрировать способность квалифицированно решать научные задачи, поставленные его руководителем. При работе на докторском уровне соискатель должен продемонстрировать способность ставить новые научные задачи и обобщать полученные результаты на уровне модельных представлений. То есть он должен овладеть способностью не только учиться, сколько и учить. Раньше в этом плане требовалось создание нового научного направления. Сейчас новые направления стали редкостью, поэтому требуется: новое крупное научное достижение, либо решение крупной научной проблемы, либо значительный вклад результатов работы в развитие экономики страны. В этом плане полезным будет напомнить формулировки из современного Положения ВАК: • «диссертация на соискание ученой степени кандидата наук должна быть научно-квалификационной работой, в которой содержится решение научной задачи, имеющей значение для развития соответствующей отрасли знаний, либо изложены новые научно обоснованные технические, технологические или иные решения и разработки, имеющие существенное значение для развития страны»;
• «диссертация на соискание ученой степени доктора наук должна быть научноквалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как научное достижение, либо решена научная проблема, имеющая важное политическое, социально-экономическое, культурное или хозяйственное значение, либо изложены новые научно обоснованные технические, технологические или иные решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны».
   Уровень модельных обобщений. Представляется очевидным, что главнейшим результатом любой научной деятельности является обобщение исходных данных с построением модели изучаемого объекта или явления.
   Напомним энциклопедическое определение: модель (в широком смыс-ле) — любой образ, аналог (мыслимый или условный: изображение, описа-ние, схема, чертеж, график, план, карта и т. п.) к.-л. объекта, процесса или явления («оригинала данной М).

1.1. Определения

9

   Этот результат характеризуется двумя компонентами: а) выделенем основных составляющих элементов; б) определением связей (взаимодействия) между элементами. Важнейшим следствием построения модели является появление осязаемого предмета для научного обсуждения и планирования дальнейших исследований для подтверждения или коррекции модели, ее элементов и взаимосвязей между ними. До построения модели предмета для обсуждения нет.
   Человек в любой своей деятельности (не только научной) всегда оперирует с моделями. Рисунок биологической клетки есть модель, до построения которой нет оснований рассуждать о строении и функционировании составляющих клетку элементов. Грамматика языка есть модель, без которой невозможно написание книг, и т. д.
   С другой стороны, построение моделей возможно только с определенного уровня рассмотрения. Невозможно построение биологических или космологических моделей с уровня элементарных частиц. Там мы будем наблюдать только мизерные изменения концентрации точечных сгустков энергии, разделенных огромными пространствами пустоты. Невозможно построения психологических моделей с уровня биохимических процессов. С галактических масштабов невозможно обнаружить феномен биологической жизни, и т. д.

        Методология компьютерной электрофизиологии

   Энциклопедические словари трактуют методологию как «учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности». В нашем же контексте методология понимается не статично, а динамично — как научный процесс, поэтому требует соответствующего уточнения. В таком уточнении этот процесс включает три взаимосвязанных составных компонента или этапа (рис. 1.1, частный иллюстрационный пример системного анализа приведен в разд. 10.1).


          1. Изучение конкретной научной деятельности
          2. Созидание на этой основе новых форм, способов организации, методов и средств деятельности (автоматизация)
          3. Научение этим новым формам деятельности

Рис. 1.1. Основные методологические этапы
   С понятием методологии тесно связан еще ряд науковедческих понятий: метод, методика, инструмент, энциклопедические определения, которые здесь будет полезно рассмотреть, поскольку из-за сравнительно редкого употребления они сейчас достаточно позабылись.
•  Метод (от греч. methodos — путь исследования, теория, учение) — способ достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи, со -вокупность приемов или операций практического или теоретического освоения (познания) действительности.

Глава 1. Компьютерная электрофизиология

•  Методика — совокупность методов обучения чему-либо, а также нау-ка о методах обучения.
   Последнее определение можно найти в словаре Ожегова. На первый взгляд в биологии, химии и медицине методика трактуется иначе. Однако к немалому удивлению, этот термин отсутствует в специальных словарях и энциклопедиях?! Лишь в русско-английском биологическом словаре мето -дике как эквивалент сопоставлено technique.
   По здравому смыслу методика есть нечто уменьшительное от метода. Можно сформулировать так: методика — это последовательность применения некоторых методов для достижения в конкретной области частного научного результата с конкретизацией используемых средств (в отличие от метода, который применим во многих областях с различными результатами и абстрагирован от средств, допуская различные свои реализации). Аналогом методики в производственной сфере может являться понятие техно -логия, конечный результат которой — получение конкретной продукции.
   После этого становится видна связь с определением из словаря Ожегова. Действительно, конечной целью формулировки методики является обучение других порядку и процедуре достижения конкретного результата.
•  Инструмент — орудие человеческого труда или исполнительный меха -низм машины.
   Отметим, что без наличия методологии инструмент остается никому не нужной, спокойно лежащей железякой. Так, для одухотворения пишущей машинки нужен целый комплекс методологий: работа с клавиатурой и другой механикой, грамматика и орфография, деловая и литературная стилистика и многое другое. Только после этого на машинке можно писать романы и письма.
   Предметы, методы и результаты исследования. Формулируя новое научное направление, следует, прежде всего, высветить его основные отличия от других направлений. Такие отличия могут состоять в трех основных элементах: а) в предметах исследования; б) в используемых методах; в) в целевых установках. В этом плане рассматриваемое направление, будучи субстанциально междисциплинарным и наукоемким (как и многие другие подобные современные направления), объединяет не только несколько традиционных областей знания, но и имеет некую иерархию предметов своего исследования, используемых методов и конечных результатов на двух взаимосвязанных уровнях (рис. 1.2): первый уровень (А) можно назвать методологическим, а второй уровень (Б) — физиологическим.
   Уровень А. На своем верхнем отправном уровне (или метауровне') предметом исследования является собственно электрофизиология, потенциально со всеми используемыми в ней постановками задач, экспериментальными схемами, методами и методиками (выступающими в качестве ис-ходных данных), а также с деятельностью в ней электрофизиолога, как существа, подверженного действию биологических, физиологических, психологических, методических, инструментальных и т. п. ограничений.