Способ коррекции стресс-вызванных расстройств и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области медицины, а именно к нейрофизиологии. Используют резонансное биоуправление с обратной связью по электроэнцефалограмме (ЭЭГ). При этом выявляют в режиме реального времени доминирующие узкочастотные ЭЭГ осцилляторы в тета- и альфа-диапазонах, подают звуковые сигналы обратной связи с интенсивностью, соответствующей подавлению тета ЭЭГ осциллятора, и одновременно подают световые ритмические сигналы, настроенные на частоту доминирующего альфа ЭЭГ осциллятора. Используемое для способа коррекции устройство содержит ЭЭГ электроды, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, связанный через цифроаналоговые преобразователи и усилители соответственно с наушниками и очками со светодиодами, а также блок управления и USB интерфейс. Изобретение обеспечивает возможность реализации индивидуальных режимов лечения с высокой их эффективностью. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Многие факторы современной жизни - постоянные стрессы, недостаток сна и двигательных нагрузок, напряженный ритм работы и другие - вызывают нарушение механизмов адаптации и разнообразные функциональные нарушения, за которыми часто следует отказ защитных систем организма и болезнь. Поскольку медикаментозного лечения таких «дискомфортных синдромов» не существует, особенно востребованными являются нелекарственные методы системного воздействия, направленные на своевременное возвращение организма к оптимальному состоянию. Наиболее популярным из них является биоуправление с обратной связью (БОС). Это безболезненный, неинвазивный и нелекарственный способ лечения, в котором человек обучается улучшению своего функционального состояния с помощью обратных сигналов от собственного организма.

Известен способ релаксации, характеризующийся тем, что на человека воздействуют звуковыми и световыми сигналами, синхронизированными с циклами его дыхания [1]. Однако наличие обратной связи только по дыханию пациента не обеспечивает полного снятия психофизиологического напряжения и восстановления работоспособности человека, поскольку для этого требуется задействовать центральные регуляторные механизмы мозга.

Наиболее близким аналогом является способ биоакустической коррекции психофизиологического состояния организма [2], заключающийся в использовании обратной связи от электрических потенциалов мозга - электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Преимущество данного подхода (ЭЭГ-БОС, нейротерапия или нейробиоуправление) состоит в возможности для человека изменять собственные мозговые волны и усиливать способность мозга к регуляции всех функций организма и саморегуляции. Если информация о собственных мозговых потенциалах субъекта делается ему доступной, он может научиться изменять их, тем самым достигая требуемых лечебных эффектов. Известно, что тренировка подавлению с помощью БОС тета-ритма и усилению альфа-ритма ЭЭГ широко используется для контроля аффективных расстройств, таких как состояния стресса, тревожность и депрессия [3, 4]. Здесь ЭЭГ-БОС имеет приоритетную роль благодаря влиянию на базовый механизм, которым мозг контролирует нормальный физиологический статус организма [5]. Однако упомянутый способ коррекции психофизиологического состояния с обратной связью по ЭЭГ [2], как и многие другие современные ЭЭГ-БОС системы, характеризуются тем, что успех при их применении достигается лишь в половине случаев. Анализ литературы позволяет выделить две основные причины такой сравнительно низкой их эффективности.

Первой причиной является несовершенство используемого методологического подхода ЭЭГ-БОС, в котором за основу берутся традиционные ЭЭГ ритмы (альфа, бета, тета и т.д.). На самом деле ЭЭГ ритмы очень гетерогенны, так что каждый ЭЭГ ритм является композицией нескольких узконастроенных ЭЭГ осцилляторов с различными функциональными характеристиками. Для каждого субъекта характерен собственный набор узкочастотных ЭЭГ осцилляторов, имеющих динамичный характер и способных изменять свои параметры в зависимости от функционального состояния мозга. Учитывая все вышесказанное, общепринятые способы саморегуляции с обратной связью любого традиционного ЭЭГ ритма могут рассматриваться как игра на пианино в рукавицах - пытаясь нажимать нужные клавиши, пианист неизбежно будет также нажимать соседние и вызывать какофонию звуков.

В попытке решить данную проблему и повысить эффективность лечения, некоторые современные устройства ЭЭГ биоуправления используют более узкие поддиапазоны ритмов, такие как тета-1, тета-2 и т.п., или применяют ЭЭГ параметры с увеличенным частотным разрешением. Например, портативное устройство "А-2 Pocket EEG" ("Minder Labs", USA) использует 2 тета и 3 бета поддиапазона ЭЭГ. Система ЭЭГ биоуправления "Waverider Pro" ("Electronic Healing", UK) применяет разделение всего спектра ЭЭГ на 1-герцовые составляющие. Однако простого разделения традиционных ЭЭГ ритмов на дискретные ритмические компоненты недостаточно для увеличения эффективности ЭЭГ биоуправления, поскольку такие дискретные ЭЭГ компоненты должны быть индивидуально подобранными и функционально значимыми для пациента. Кроме того, они должны выявляться в режиме реального времени (что невозможно при использовании большинства компьютерных операционных систем типа "Windows"), чтобы обеспечить эффективное взаимодействие в реальном времени процессов биоуправления с центральными регуляторными механизмами мозга пациента.

Вторая причина недостаточной эффективности ЭЭГ-БОС подходов заключается в трудности освоения многими пациентами навыков произвольной саморегуляции собственных функций из-за существования определенного порога между сознанием субъекта и центральными регуляторными механизмами мозга. Данный порог может быть связан с пониженной способностью пациента к перцептивному контролю физиологических состояний, недостаточным уровнем осознанности субъективных реакций, слабым субъективным контролем соматических ощущений или с комбинацией указанных причин. В этих случаях представляется целесообразным использовать дополнительный контур обратной связи, работающий автоматически, без участия сознания субъекта. Его основой является модуляция сенсорных ритмических воздействий собственными ЭЭГ осцилляторами пациента для их резонансной активации.

В отличие от традиционных подходов разработанный нами способ основан на резонансных явлениях в тонкой спектральной структуре ЭЭГ, реализуется в режиме реального времени и использует резонансные свойства центральной нервной системы индивида. Способ состоит из трех основных элементов.

1) Основанное на Быстром Преобразовании Фурье (БПФ) выявление в режиме реального времени доминирующих узкочастотных ЭЭГ осцилляторов пациента в тета (4-7 Гц) и альфа (8-13 Гц) диапазонах с помощью оригинальной модификации динамического спектрального анализа ЭЭГ [6, 7].

2) Обучение произвольному подавлению амплитуды тета ЭЭГ осциллятора с использованием интенсивности звуковых стимулов в качестве сигналов обратной связи. При этом пациенту дается задание путем проб и ошибок научиться снижать до минимума громкость звука в наушниках. Интенсивность звука исходно устанавливается на средний уровень комфортного звучания (40 Дб), а в ходе лечебных сеансов уменьшается или увеличивается в точном соответствии с текущими значениями амплитуды выявленного тета ЭЭГ осциллятора пациента.

3) Динамическая настройка частоты ритмических световых воздействий на частоту доминирующего у пациента альфа ЭЭГ осциллятора для его резонансной активации.

Таким образом, способ основан на динамически выявляемых функционально значимых узкочастотных ЭЭГ параметрах пациента и благодаря этому может реализовать индивидуально эффективные режимы лечения. Кроме того, он отличается от существующих способов наличием двух контуров обратной связи.

Первый является традиционным контуром, основанным на звуковых сигналах обратной связи. Однако его повышенная эффективность обеспечивается за счет использования характерного для каждого пациента узкочастотного осциллятора из тета-диапазона ЭЭГ.

Второй контур является уникальным контуром резонансной стимуляции с частотой доминирующего у пациента узкочастотного альфа-ЭЭГ осциллятора. Благодаря автоматической on-line настройке резонансной стимуляции на эндогенную ритмическую активность мозга пациента, способ обеспечивает дополнительную возможность ввести субъекта в так называемое «альфа-состояние», т.е. состояние спокойного бодрствования без признаков стресса, тревожности и депрессии.

Комбинация активного (произвольное on-line подавление с обратной связью тета ЭЭГ компонентов) и пассивного (автоматическая on-line настройка световых ритмических стимулов на частоту ЭЭГ осциллятора индивида в альфа-диапазоне для его резонансной активации) контроля электрической активности мозга пациента открывает возможность существенного повышения эффективности БОС-процедур. Перечисленные свойства позволяют считать способ уникальным подходом, не имеющим аналогов.

Пример.

Экспериментальное тестирование способа проведено с участием 14 испытуемых (6 женщин и 8 мужчин в возрасте от 21 до 58 лет), сотрудников Пущинского научного центра, добровольно согласившихся на обследования. Они приходили на процедуры по 2-4 раза, находясь в состоянии психэмоционального напряжения и стресса.

В начале каждого обследования для оценки психофизиологического состояния пациента проводился его тщательный опрос и начальное тестирование с помощью теста САН. Затем устанавливали ЭЭГ датчики (активный электрод в отведении Cz, референтный и заземляющий - на мочках ушей). Испытуемый надевал наушники (уровень звука 0-60 Дб, частота 800 Гц) и очки, в затемненные линзы которых были вмонтированы красные светодиоды с мощностью, не превышающей 100 мкВт.

Испытуемых просили сидеть спокойно с закрытыми глазами в течение всей процедуры. Им давали задание при появлении звука в наушниках добиваться уменьшения его уровня, не обращая внимания на световые воздействия. Пациентам сообщали, что текущие значения интенсивности звуков находятся в точном соответствии с выраженностью ее/его патологических ЭЭГ компонентов, так что лечебные эффекты могут быть достигнуты с помощью подавления этих звуков. Испытуемым ничего не говорили о световой стимуляции, так как этот дополнительный контур обратной связи работает автоматически, без осознания пациентом.

Эксперимент начинался с 30-секундной записи фоновой ЭЭГ, в ходе которой с помощью метода динамического спектрального анализа, основанного на быстрых преобразованиях Фурье [6, 7], определялись доминирующие у данного испытуемого узкочастотные компоненты в тета (4-7 Гц) и альфа (8-13 Гц) диапазонах ЭЭГ. Затем на 10 минут включался рабочий режим, где текущая амплитуда выявленного тета-осциллятора преобразовывалась в звуковые сигналы обратной связи, а текущая амплитуда альфа-осциллятора использовалась для модуляции интенсивности синусоидальных световых сигналов, генерируемых с частотой этого осциллятора.

По окончании эксперимента испытуемых расспрашивали об отмеченных эффектах и самочувствии, а также повторно проводили самооценку состояния с помощью теста САН. Статистическую обработку результатов проводили по критерию t Стьюдента с помощью пакета программ "Origin 6.0".

Все испытуемые дали высокие оценки проведенным лечебным сеансам. Как правило, уже к концу первой процедуры они могли правильно выполнять поставленную задачу, снижая до минимума уровень звуковых сигналов, что в традиционных подходах БОС обычно достигается лишь после длительных тренировок. Большинство пациентов после процедур отметили существенное снижение уровня напряжения и стресса.

В результате лечебных процедур были отмечены определенные сдвиги как в ЭЭГ характеристиках (фиг.1, А), так и в субъективных показателях состояния (фиг.1, Б).

Можно видеть, что из-за высокой индивидуальной вариабельности средние значения выраженности ЭЭГ ритмов до и после лечебного сеанса (фиг.1, А) характеризуются небольшими различиями. Тем не менее, изменения ЭЭГ под влиянием проведенных процедур происходят в требуемом по условиям эксперимента направлении: тета-ритм подавляется, а альфа-ритм активируется. По результатам выполнения теста САН до и после воздействий (фиг.1, Б) выявляются позитивные сдвиги всех показателей, причем в субъективных оценках самочувствия и настроения эти изменения достигают уровня значимости (Р<0.05).

Ранее при коррекции психоэмоционального состояния у женщин в период беременности нами были опробованы традиционные процедуры ЭЭГ-БОС, использующие звуковую обратную связь для подавления тета активности ЭЭГ [8]. Сравнительный анализ позволил установить, что в данной работе все основные показатели оказались выше, чем в ранее проведенном исследовании. Это свидетельствует о перспективности приема двойной обратной связи от узкочастотных ЭЭГ осцилляторов пациента для повышения эффективности БОС процедур.

Описанный способ резонансного биоуправления с обратной связью по ЭЭГ реализуется с помощью портативного устройства "Нейрорезонанс". Устройство состоит из двух основных частей: шлема и блока управления (фиг.2).

Как можно видеть на фиг.2, шлем включает блок ЭЭГ регистрации, который состоит из активного (1) и референтного (2) электродов и усилителя с фильтрами (3), и блок стимуляции, который состоит из наушников (4) и очков со светодиодами (5). Шлем соединяется с блоком управления посредством кабеля.

Центральным элементом блока управления является микропроцессор (6). Он получает оцифрованные ЭЭГ данные от аналого-цифрового преобразователя (7), выполняет БПФ анализ и использует специальные алгоритмы для генерации и контроля параметров как сигналов обратной связи, так и стимуляции. Звуковые сигналы обратной связи поступают на наушники (4) через цифроаналоговый преобразователь (8) и усилитель (9). Световые сигналы резонансной стимуляции поступают на очки со светодиодами (5) через цифроаналоговый преобразователь (10) и усилитель (11).

Блок управления имеет также кнопку ручного пуска (12) для переключения рабочих режимов (с фонового ЭЭГ анализа на лечение и обратно) и USB интерфейс (13). Последний может использоваться как дополнительная возможность взаимодействия с компьютером для записи оцифрованных ЭЭГ сигналов, их хранения, обработки, визуализации и работы с зарегистрированными данными. Блок управления также содержит источники питания (14).

При включении устройство начинает работать в фоновом режиме (фиг.3). Регистрируемые безартефактные (благодаря фильтрации) ЭЭГ сигналы усиливаются, оцифровываются и поступают в микропроцессор для БПФ анализа. Микропроцессор в реальном времени определяет доминирующие узкочастотные ЭЭГ осцилляторы индивида в тета (4-7 Гц) и альфа (8-13 Гц) диапазонах. При активации режима лечения нажатием кнопки (12) амплитуда выявленного тета ЭЭГ осциллятора используется микропроцессором для генерации звуковых сигналов обратной связи с интенсивностью, соответствующей алгоритму подавления данного осциллятора. Одновременно достигается резонансная активация доминирующего у пациента альфа ЭЭГ осциллятора, поскольку генерируемые микропроцессором световые ритмические сигналы автоматически on-line настраиваются на его частоту (фиг.3).

Созданное нами устройство обладает уникальными свойствами. Это портативный, безопасный (благодаря независимому источнику питания), точный и помехозащищенный (благодаря комбинации ЭЭГ сенсора и усилителя в одном блоке), удобный для пользователя устройство, в реальном времени настраиваемый на узкочастотные ЭЭГ осцилляторы пациента. Более того, устройство отличается от существующих аналогов наличием дополнительного контура обратной связи для автоматической резонансной активации альфа ЭЭГ компонентов пациента.

В настоящее время устройство проходит клинические испытания в отделении физиотерапии больницы с поликлиникой Пущинского научного центра РАН. Судя по полученным предварительным данным, его применение в случаях посттравматического и послеоперационного стресса, а также у больных с сердечной недостаточностью, демонстрирующих повышенный уровень тревожности, вызывает редукцию стресс-индуцированных состояний, сопровождаемую явным улучшение самочувствия и настроения.

Литература

1. Белоусова Т.Е., Гоголева А.В., Суханинский Ю.Н., Евдокимов А.В., Зарипов Р.А., Турзин П.С. Способ релаксации. Патент РФ 2103038, С1, 27.01.1998.

2. Константинов К.В., Мирошников Д.Б., Сизов В.В. Способ биоакустической коррекции психофизиологического состояния организма. Патент РФ 2192777, С2, 20.11.2002.

3. Ossebaard H.C. Stress reduction by technology? An experimental study into the effects of brainmachines on burnout and state anxiety // Appl. Psychophysiol. Biofeedback. 2000. V.25. №2. Р.93-101.

4. Hammond D.C. Neurofeedback with anxiety and affective disorders // Child Adolesc. Psychiatr. Clin. N. Am. 2005. V.14. №1. Р.105-123.

5. Lubar J.F. Neocortical dynamics: implications for understanding the role of neurofeedback and related techniques for the enhancement of attention // Appl. Psychophysiol. Biofeedback. 1997. V.22. №2. Р.111-126.

6. Salansky N., Fedotchev A., Bondar A. High frequency resolution EEG // Amer. J. EEG Technol. 1995. V.35. №2. Р.98-112.

7. Бондарь А.Т., Федотчев А.И. Динамические изменения спектральной структуры ЭЭГ при произвольных движениях у человека // Физиология человека. 1999. Т.25. №5. С.64-73.

8. Федотчев А.И., Ким Е.В. Нелекарственная коррекция функциональных расстройств при беременности методом биоуправления с обратной связью по ЭЭГ // Физиология человека. 2006. Т.32. №6. С.28-32.

1. Способ коррекции стресс-вызванных расстройств, включающий применение резонансного биоуправления с обратной связью по электроэнцефалограмме (ЭЭГ), отличающийся тем, что выявляют в режиме реального времени доминирующие узкочастотные ЭЭГ осцилляторы в тета- и альфа-диапазонах, подают звуковые сигналы обратной связи с интенсивностью, соответствующей подавлению тета ЭЭГ осциллятора, и одновременно подают световые ритмические сигналы, настроенные на частоту доминирующего альфа ЭЭГ осциллятора.

2. Устройство для коррекции стресс-вызванных расстройств, содержащее ЭЭГ электроды, связанные через усилитель с аналого-цифровым преобразователем, который подключен к микропроцессору, выполненному с возможностью обработки поступающих сигналов и генерирования сигналов обратной связи в виде звуковых и световых сигналов, отличающееся тем, что микропроцессор выполнен с возможностью обработки в реальном времени поступающих сигналов для выявления доминирующих узкочастотных ЭЭГ осцилляторов в тета- и альфа-диапазонах и генерирования на их основе сигналов обратной связи.