Автореферат по теме выпускной магистерской работы
СОДЕРЖАНИЕ
Данная работа посвящена разработке методики прицельного воздействия на структуры гипоталамуса посредством проекции стабильных оптических стимулов на ретинорефлексогенные зоны. Компьютерная система исследования ретино-гипоталамической функциональной системы (КС РГФС) позволит реализовать специфический метод диагностики состояния гипоталамуса, что, в свою очередь, даст возможность разработать эффективную методику специфической терапии таких тяжелых заболеваний, как алкоголизм, наркоманию, бесплодие, ишемическую болезнь сердца, сахарный диабет, гипертоническую болезнь, бронхиальную астму и др.
Mentioned Computing System will be used for the methods of specific local reflective diagnostics and correction of functional state of hypothalamus. These methods will be used for diagnostic and treatment of many pathological states such as alcoholism, narcotic and drug dependents, ischemic hart disease, diabetes, premenstrual tension syndrome, asthma, panic disorder, obsessive-compulsive disorder, hypothalamic syndromes. The famous russian academician Kryzhanovsky G.N. had named these pathological states as a neuropathological syndromes.
В настоящее время сформировался ряд заболеваний, для которых характерна низкая эффективность практически всех известных методов диагностики, а также побочных эффектов и осложнений терапии. К данным заболеваниям можно отнести алкоголизм, наркоманию, бесплодие, ишемическую болезнь сердца, сахарный диабет, гипертоническую болезнь, бронхиальную астму и др.[1]
В основе перечисленных заболеваний лежит поражение или нарушение функции гипоталамуса.
Гипоталамус имеет многочисленные связи со многими другими функциональными системами организма, тканями и отдельными органами. Кроме этого гипоталамус является нейровегетативным, нейроэндокринным, нейрогуморальным, нейроиммунным, генорегуляторным и хронобиологическим центром. Именно поэтому гипоталамус рассматривается многими исследователями в качестве основной мишени для терапевтических и диагностических воздействий.
Особенности расположения гипоталамуса затрудняют диагностику его функционального состояния, поскольку в отличие, например, от коры головного мозга гипоталамус имеет небольшие размеры и расположен почти в самом центре головы.
Рисунок 1. Расположение гипоталамуса. |
Исключение составляют стереотаксические вмешательства (воздействие электрическим током, холодом на строго определенные зоны в головном мозге путем вживления электродов). Но эти операции из-за травматичности и возникновения послеоперационных осложнений применяются в настоящее время достаточно редко.
Связь между сетчаткой и гипоталамусом была экспериментально подтверждена еще в начале XIX века. Было доказано, что гипоталамус имеет дистантные рецепторы, расположенные исключительно в сетчатке, которые связаны с гипоталамическими ядрами прямыми нервными связями – ретино-гипоталамическими проекциями.
История прицельного функционального состояния гипоталамуса и его отдельных структур у человека отмечена глубоким разрывом между достижениями экспериментальной физиологии и возможностями применить эти достижения в практике функциональной диагностики.
Отсутствие специфических методов локальной рефлекторной диагностики состояния гипоталамических центров, в свою очередь, тормозит развитие методов специфической патогенетической коррекции нейропатологических синдромов.
Для исследования функционального состояния гипоталамуса ведущими специалистами ДонГМУ предложена концепция ретино-гипоталамической функциональной системы, основанная на связи гипоталамуса и сетчатки прямыми нервными связями – ретино-гипоталамическими проекциями.[2] На данный момент неизвестны параметры оптических стимулов, вызывающие непосредственно ретино-гипоталамическую реакцию. Для поиска оптимальных параметров оптических стимулов разрабатывается компьютерная подсистема выявления ретинорефлекторных зон.
Рисунок 2. Глазное дно (правый глаз). Выявление ретинорефлекторных зон. |
Данная КС представляет собой аппаратно-программный комплекс, в состав которого входят:
Ожидаемые результаты от внедрения.
КС РГФС позволит:
Классические методы диагностики и терапии нейропатологических синдромов.
Традиционно для перечисленных выше заболеваний применяют следующие методы диагностики и терапии:
Основная причина низкой эффективности практически всех известных методов диагностики, а также побочных эффектов и осложнений терапии заключается в отсутствии достаточной избирательности и специфичности диагностических и терапевтических воздействий на патологическую систему [1].
Среди неинвазивных методик воздействия на гипоталамус можно выделить следующие:
US Рatent № 5725472, выдан 10.03.1998. Смотрите английскую версию материала
Автор: Weathers L.R. из Вашингтона, США. Psychotherapy apparatus and method for the inputting and shaping new emotional physiological and cognitive response patterns in patients.
Метод и устройство применяют для коррекции патологических и непатологических форм эмоционального и поведенческого реагирования у пациентов с тревожными расстройствами, бронхиальной астмой, депрессией, паническими атаками, страхами и фобиями, раздражительностью, супружескими проблемами, импотенцией, посттравматическими стрессовыми расстройствами (Вьетнамский синдром, жертвы полицейского сервиса, детская зависимость, инцест), аллергиями, хроническими болями, дефицитом внимания.
Устройство представляет собой капсулу и шлем, которые изолируют пациента от внешних сенсорных воздействий. При помощи взаимосвязанных между собой через компьютер и специальную программу периферических устройств-стимуляторов осуществляется воздействие на анализаторы пациента физическими (оптические и звуковые стимулы; температура, скорость, влажность, ритм подачи потока воздуха в нос, стимуляция мышц, тактильные, кинестетические) и ароматическими стимулами.
Поскольку носовые ходы и верхняя область носоглотки расположены сравнительно близко к передним и базальным отделам гипоталамуса, автор считает, что, управляя температурой и скоростью воздуха, подаваемого в нос по воздуховодам, возможно через носовую мембрану регулировать температуру артериальной и венозной крови, поступающей в головной мозг, и т.о. – температуру и функциональное состояние гипоталамуса.
Аппарат включает также приборы для одновременного съема диагностически значимой информации (ЭЭГ, ЭКГ, миограмма, пульс, артериальной давление, кожные потенциалы). Диагностические приборы и устройства для генерации стимулов различной модальности соединены программно в единую систему, которая реализует принципы прямой и обратной связи для более эффективного воздействия.
Параметры для обратной связи обосновывает эксперт.
Преимущества: наличие компьютерной системы обратной связи, использование эксперта для отладки компьютерной системы обратной связи.
Недостатки: регуляция температуры гипоталамуса с помощью ингаляции потоков воздуха с заданной температурой явно недостаточна для прицельного воздействия на отдельные структуры гипоталамуса и тонкой регуляции состояния последнего; используемые параметры диагностики находятся под сильным влиянием ряда других отделов мозга и организма человека. Учет этого влияния при использовании аналога практически невозможен.
US Рatent № 5146927, выдан 15.09.1992. Смотрите английскую версию материала
Авторы: Czeisler Ch.A., Martens H., Shanahan Th.L. Test for evaluation of visual functioning in visually impaired subjects
Формально изобретение относят к методам определения функциональной целостности зрительной системы.
Фоторецепторы и ретино-гипоталамический тракт, волокна которого связаны с супрахиазматическим ядром гипоталамуса, авторы вынуждены включить в зрительную систему, поскольку, американская и международные классификации изобретений содержат рубрики для методов оценки зрительной системы, однако рубрики для методов оценки ретино-гипоталамической функциональной системы отсутствуют. В тексте описания изобретения авторы подчеркивают, что термины «подкорковая» или «подсознательная» зрительная система они используют в качестве синонима ретино-гипоталамической системы, а само изобретение предназначено для определения повреждения нервных волокон, связывающих сетчатку и супрахиазматические ядра гипоталамуса. В более ранних исследованиях [1. Czeisler Ch.A. et al. Light Resets the Human Circadian Pacemaker Independent of the Timing of the Sleep-Wake Cycle // Science. – 1986, № 8 (233): 667-671; 2. Czeisler Ch.A. et al. Exposure to Bright Light and Darkness to Treat Physiological Maladaptations to Night Work // The New England J. Med. – 1990. – № 3 (322): 1253-1259.] авторы также определяют это изобретение, как метод исследования именно ретино-гипоталамической системы.
Тест включает:
Реакцию ретино-гипоталамической системы оценивают как разницу в содержании мелатонина в плазме крови до (за 4-8 часов), в течение и через 4-8 часов после воздействия оптическими стимулами на сетчатку (интервалы между пробами крови на содержание гормона могут составлять также и 30 минут). Наряду с измерением в плазме крови мелатонина авторы рекомендуют также определять кортизол в плазме крови, соматостатин, и калий в моче, которые следует отражать в специальной таблице.
Указанные воздействия яркостью от (2)2,5 тыс. до 10 тыс. Лк и длительностью 1-2(4) часа осуществляют через 22,5 часа после начала исследования, приблизительно за 1,5 часа до индивидуального циркадианного минимума температуры тела пациента, которую ректальным датчиком определяют круглосуточно, изображая соответствующий график в течение 40-64 часов. Циркадианный минимум температуры тела ночью (3.00-4.00) совпадает с ночным максимумом мелатонина в крови. Пациент должен находиться в отдельной комнате без источников определения времени (часы, радио, солнечный свет), с фоновым искусственным освещением 150 Лк или ниже.
В качестве источника яркого света используют равномерно светящуюся поверхность, которую располагают перед пациентом.
У людей с сохранной системой сетчатка–ретино-гипоталамический тракт– супрахиазматические ядра гипоталамуса яркий свет подавляет синтез и выделение мелатонина в кровь, в результате чего содержание последнего в плазме в процессе светового воздействия ниже, чем накануне и спустя несколько часов после этого воздействия.
Преимущества: метод является более специфическим, а следовательно, адекватным и точным сравнительно с нейроофтальмологическими и электрофизиологическими (вызванные потенциалы) исследованиями глубоких структур мозга, мониторирование необходимых физиологических показателей.
Недостатки: исследование РГФС длится 40-64 часов (в течение которых больному запрещают спать, периодически встряхивая его) и требует больших затрат на проведение трехкратных радиоиммунных исследований уровня мелатонина. К тому же трехкратная процедура забора крови многими пациентами переносится негативно.
Воздействие на структуры гипоталамуса осуществляется с помощью проекции на ретинорефлексогенные зоны множеством световодов, расположенных на контактной линзе, посредством светодиодов. Система управления позволяет регулировать координаты, спектральный состав, плотность энергии и экспозицию (длительность воздействия) СОС.
Поиск оптимальных параметров оптических стимулов является NP-полной задачей большой размерности. Поскольку число световодов достаточно велико, вычислительная сложность такой процедуры очевидна.
Сложность вычислительной процедуры рассчитывается по формуле:
|
где m-количество световодов;
С- количество режимов работы одного световода.
Количество режимов работы одного световода можно определить по формуле:
|
где кф- количество регулируемых параметров;
i- порядковый номер параметра;
ni- количество уровней i-го параметра.
В рассматриваемом случае сложность объекта составляет 2048 для одного световода. Тогда сложность объекта в целом:
|
Для поиска оптимальных параметров оптических стимулов необходимо решить задачу комбинаторной оптимизации. Существует несколько подходов к решению данной проблемы. В качестве таких алгоритмов можно использовать метод полного перебора, эвристический метод и эволюционный метод.
Метод полного перебора заключается в переборе всех возможных вариантов. Недостатком этого метода является большой вычислительный объем и низкая скорость сходимости, однако если перебор всех вариантов в допустимые сроки возможен, то можно получить действительно оптимальное решение.
Но в нашем случае вычислительная сложность такой процедуры не позволяет применить этот метод на практике.
Эвристический метод также может применяться к задачам такого класса. В основе данных алгоритмов лежит использование набора определенных правил, составленного группой экспертов конкретной проблемной области. Основным недостатком данного метода является его субъективность. Т.е. применяемые правила составляют эксперты, которые основываются на собственный опыт, знания и интуицию. Тем самым алгоритм, разработанный по этим правилам, может работать с некоторой погрешностью.
Поскольку поставленная задача относится к комбинаторной оптимизации многопараметрических функций, ни один из перечисленных методов не позволяет найти оптимальное решение за приемлемое время.
Для решения этой проблемы использован более эффективный эволюционный метод- генетические алгоритмы.
Для поиска оптимальных параметров оптических стимулов разработан модифицированный ГА. Для реализации модифицированного ГА были решены вопросы, связанные с кодированием особи, выбором целевой функции и оператора репродукции, разработкой проблемно-ориентированных операторов кроссинговера и мутации, а также выбран критерий остановки алгоритма.
В качестве целевой (Fitness) функции, которая позволяет оценить качество полученного решения, предложено использовать нейросетевую модель РГФС человека.