Событийно-связанная телеметрия ритма сердца для персонифицированного дистанционного мониторинга когнитивных функций и стресса в условиях естественной деятельности

Введение

Одна из ключевых проблем современной неврологии, психиатрии, нейрофизиологии и когнитивной науки — разработка технологий, позволяющих объективно оценивать динамику когнитивных процессов в различных клинических, экспериментальных и естественных контекстах без вмешательства исследователя в эти контексты. Физиологические корреляты сознания до недавнего времени традиционно было принято искать в динамике электрических сигналов исключительно от структур мозга. Однако не менее перспективным является изучение вегетативного обеспечения когнитивных функций и поиск вегетативных компонентов когнитивных функциональных систем [1]. Контекстная зависимость сознания диктует особые требования к инструменту для добычи знаний: процесс измерения не должен вносить искажений в работу информационной системы, поскольку человек, обвешанный проводами, — это редуцированная форма человека.

В данной работе представлены возможности использования разработанной нами Web-платформы для управляемой активации когнитивных модулей физиологической системы, аффилированной с событийно-связанной телеметрией ритма сердца (ССТ РС), что позволяет получать данные о динамике вегетативной регуляции в контексте естественной деятельности без привлечения когнитивных ресурсов испытуемого к процессу измерения. Новизна данного подхода заключается в применении к известным телеметрическим методам активностной парадигмы системной психофизиологии [2, 3]. Предлагаемое решение проблемы основано на развитии мультидисциплинарных подходов в области функциональной диагностики и появлении новых возможностей для персонифицированного мониторинга, дистанционной диагностики и контролируемого предъявления тестирующих стимулов на базе информационных телеметрических систем.

Событийно-связанная телеметрия: мониторинг ритма сердца

Очевидно, что современная система измерения должна удовлетворять следующим требованиям:

безопасность и удобство для использования в обычной повседневной жизнедеятельности человека;

мобильность, т.е. отсутствие ограничений в подвижности и удаленности источника сигнала от блока приема сигнала;

непрерывность записи сигнала с источника, т.е. максимально низкое энергопотребление датчиков;

автономный режим измерения сигнала с автоматической обработкой прерываний;

набор интегрированных в сенсорной платформе датчиков, обеспечивающий получение информации, достаточной для объективной оценки функционального состояния человека, а также дающий возможность для предсказания динамики функционального состояния;

датчики измерения физиологических параметров, которые должны быть валидизированы с сертифицированными и общепринятыми методами диагностики, т.е. выдавать качественную истинную информацию;

система записи сигнала, максимально устойчивая к внешним помехам — влиянию факторов внешнего контекста, не относящихся к реальному источнику сигнала;

возможность получения данных в режиме онлайн.

На основании этих критериев создана принципиальная схема и разработан прототип телекоммуникационной системы для событийно-связанной телеметрии физиологических сигналов и поведенческих данных. Выбраны оптимальные по размеру и энергопотреблению датчики физиологических сигналов, микропроцессоры, устройства приема-передачи радиосигналов — сенсорные платформы Bluetooth Heart Rate/Speed & Distance Monitor (HxM) и ZephyrTM HxMTM Smart — Zephyr BIO PACH BH3-M1 (Zephyr Technology, США), обеспечивающие возможность непрерывной записи электрокардиосигнала в условиях естественной деятельности человека. Специализированная миниатюрная сенсорная платформа ZephyrTM HxMTM Smart — Zephyr BIO PACH BH3-M1 (HxM) объединяет микропроцессор, блок приема-передачи радиосигналов и маломощные миниатюрные датчики ЭКГ, ускорения тела и расстояния.

Передача данных на смартфон или персональный компьютер организована по каналу Bluetooth. Пакеты необработанных данных передаются с интервалом 1 с. Каждый пакет содержит уникальный идентификатор устройства, 15 последних R–R-интервалов, время относительно момента начала записи. Без подзарядки сенсорная платформа работает 150 ч. Предельное расстояние передачи сигнала до накопителя-ретранслятора — 10 м. В роли накопителя-ретранслятора, который выполняет временное накопление и предобработку данных, может быть использовано персональное мобильное устройство связи с операционной системой Android или персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows. Затем данные в обработанном виде через каналы GSM передаются в Интернет на специализированный сервер системы.

Благодаря разработанному приложению для смартфонов на платформе Android [4] обеспечиваются следующие возможности:

одновременно допускается регистрация сигнала от 7 сенсорных платформ;

пользователь может выбрать тип данных, которые он желает получать с датчика;

осуществляется непрерывный сбор и сохранение данных с датчика (сенсорной платформы) как минимум в течение 24 ч;

при обрыве соединения устройство повторяет попытки соединения с датчиком и продолжает сбор данных с сохранением информации о времени сбоя и времени восстановления соединения;

данные доступны для передачи их внешним программам, и пользователь имеет возможность задать адрес сервера;

имеется интерфейс для отметок о начале и конце поименованных событий;

экран смартфона выполняет функцию монитора физиологических данных и показателей вегетативной регуляции;

поддерживается обмен данными с интернет-приложением StressMonitor для хранения, обработки, визуализации и интерпретации данных.

Интернет-приложение StressMonitor, созданное для сбора данных телеметрии и детектирования стресса [5], выполняет следующие функции:

сбор данных измерений (R–R-интервалов, сигналов GPS) со смартфона по протоколу HTTP;

регистрацию пользователей в личном кабинете;

отображение и фильтрацию метаданных экспериментов;

автоматический расчет спектральных характеристик R–R-сигнала и детектирование стресса;

отображение для каждого эксперимента графиков R–R-интервалов, ЧСС, спектральных характеристик и стресса, карты с GPS-сигналом;

экспорт данных эксперимента для последующей обработки в форматах TXT и CSV.

База данных сайта представляет собой реляционную базу данных с языком SQL и работает на программном обеспечении MySQL 5.5.

В режиме псевдореального времени реализуется предобработка и спектральный анализ ритмограмм:

полученный R–R-сигнал «нарезается» временным окном на 100 с с временным сдвигом в 10 с;

для полученных окон методом дискретного преобразования Фурье для неравномерных сигналов рассчитывается спектр;

спектр делится на диапазоны, вычисляется мощность каждого диапазона: VLF (0,003–0,040 Гц), LF (0,04–0,15 Гц), HF (0,15–0,4 Гц);

вычисляются производные характеристики: общая мощность спектра TP=VLF+LF+HF и симпатовагусный баланс LF/HF.

В результате исследователь получает спектрограмму, по которой автоматически определяются место, время и события, связанные со стрессом у конкретного человека в процессе естественной деятельности (рис. 1).

---

Рис. 1. Пользовательский экран интернет-приложения Stress­Monitor [5] Сверху вниз: онлайн-запись нативной кардиоинтервалограммы; расчетные показатели спектра вариабельности ритма сердца (общая мощность спектра вариабельности R–R-интервалов TP — черный график; симпатовагусный баланс LF/HF — красный график); онлайн-локализация человека — источника сигналов

---

Определение момента наступления стресса осуществляется автоматически по характерным изменениям нативной кардиоинтервалограммы (рис. 2, а) и динамике ее расчетных параметров: падению общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма (ТР) на фоне резкого возрастания индекса симпатовагусного баланса (LF/HF) (рис. 2, б). Детектирование стресса по данным показателям основано на положениях трехкомпонентной теории нейрохимических механизмов стресса [6, 7].

---

Рис. 2. Типичные проявления начала острого стресса в нативной кардиоинтервалограмме (а) и динамике расчетных показателей (б): ТР — общая мощность спектра вариабельности R–R-интервалов; LF/HF — симпатовагусный баланс

---

Web-платформа для управляемой активации когнитивных модулей физиологической системы

Для исследования когнитивных функций принципиальной является возможность экспериментального моделирования контролируемых информационных нагрузок, обеспечивающего управляемую активацию и измерение первичных когнитивных функций и сенсомоторной активности. С этой целью разработана Web-платформа ApWay.ru, обеспечивающая универсальную инфраструктуру для конструирования и проведения тестов. Ключом для конструкции стало утверждение отца кибернетики Норберта Винера: внутренние свойства информационной системы проявляются в искажениях, которые эта система вносит в исходный сигнал [8]. В качестве измерительной схемы мы предпочли замкнутую систему, в которой компьютер является и источником сигнала, и регистратором. Искажения, ошибки, вносимые человеком в управляемый признак информационного образа, являются характеристикой индивидуальной когнитивной системы:

ошибки в обнаружении сигнала являются абсолютным порогом восприятия;

ошибки в различении уровней сигнала — дифференциальными порогами;

ошибки в идентификации сигнала, связанные с временными интервалами или пространственными градиентами, соответствуют временным и пространственным порогам.

В общей измерительной схеме реализован цикл: генерация информационного образа — субъективный сенсорный образ — моторное управление значимыми параметрами сигнала — регистрация изменения признаков виртуального объекта в процессе управления. Манипуляции оператора при выполнении инструкции, преобразуемые в изменение признаков виртуального объекта, являются единственным сигналом обратной связи в замкнутой системе компьютер–человек–компьютер. Эта система включает модуль формирования стимулов в широком диапазоне амплитудно-временных параметров, виртуальную панель управления режимом измерения, модуль регистрации моторных реакций оператора, базу данных и модуль формирования отчета в виде таблиц и графиков. Архитектура и функционал Web-платформы ApWay.ru удовлетворяют следующим требованиям:

1) обеспечение сбора и накопления результатов измерений;

2) предоставление API для подключения любых диагностических систем, в том числе программных диагностических средств на мобильных устройствах;

3) сохранение карточек пациентов с описанием их данных, результатов анализов и других измерений, позволяющих помочь реабилитации, а также работе экспертов и исследователей;

4) проведение предварительной статистической обработки измерений для выделения основных базовых количественных показателей по каждому измерению;

5) предоставление возможности создания и хранения шаблонов для быстрого запуска тестов, для их объединения в «батареи тестов» и проведения тестирования практически без участия эксперта;

6) обеспечение обратной связи испытуемому и эксперту как по результатам конкретного измерения, так и по динамике изменения базовых показателей за определенный период времени.

Для реализации системы хранения используется система управления базами данных MySQL. Поскольку каждый тест формирует специфический набор результирующих показателей, решено хранить их в ячейках таблицы в строке JSON-формата. Это обеспечивает, с одной стороны, сохранение структуры, с другой — оперативный доступ к данным по ключу.

Отдельный аналитический модуль производит первичный анализ «сырых» данных тестирования и преобразует их в набор базовых показателей, которые используются для оценки эффективности когнитивных функций и для отображения ее динамики при повторении теста.

На платформе создана библиотека шаблонов, обеспечивающая доступ к единому стимульному материалу для всех тестов. Основной функцией библиотеки является хранение и предоставление по запросу векторных изображений в формате SVG для проведения измерений. Выбор такого формата позволил использовать векторную графику также в Web- и мобильных приложениях и при необходимости мгновенно изменять свойства изображений (например, цвета всего стимула или его части). Такая возможность востребована в тестах компьютерной кампиметрии, тесте сенсомоторной реакции и многих других, где используются графические стимулы. Программная логика полностью реализована на языке JavaScript с использованием дополнительных библиотек jQuery, Raphael.JS.

В соответствии с описанной архитектурой в настоящий момент реализовано три тестовых парадигмы, обладающих специфическим инструментарием для измерения порогов когнитивной обработки значимых параметров информационных сигналов: компьютерная цветовая кампиметрия, тесты сенсомоторной активности и тест Струпа. Каждый тест обеспечивает включение пользователя в целенаправленную активность по управлению признаками объектов виртуальной среды и измерение ошибок управления (рис. 3).

---

Рис. 3. Базовые психофизиологические тесты когнитивной платформы ApWay: а — компьютерная кампиметрия; б — тест сенсомоторной активности; в — тест Струпа

---

Все тесты реализованы в качестве Web-при­ло­жений, что позволяет использовать их на любом компьютере, подключенном к сети Интернет.

Тест сенсомоторной активности основан на классическом методе измерения сенсомоторной реакции. Однако анализ связи между сенсорными и моторными событиями реализован в рамках парадигмы активности, допускающей действия, связанные не только с прошедшими, но и с предсказанными будущими событиями. Возможности модуля позволяют задавать различные параметры испытания, такие как: выбирать вид стимула (картинки, текст, векторные изображения); определять целевые стимулы, место расположения стимулов на экране, время экспозиции для каждого стимула, межстимульный интервал, фон рабочей области, задержку перед началом испытания.

В совокупности показатели данного теста позволяют определить степень сохранности отделов головного мозга, уровень сенсомоторной интеграции, ресурсы пространственного и селективного внимания, способность к обучению и прогнозированию.

Компьютерная цветовая кампиметрия обеспечивает измерение функции цветоразличения и оценку эмоционального состояния. Суть метода заключается в следующем. Изначально предъявляется стимул на фоне того же цвета. Затем испытуемый нажатием кнопок изменяет цвет стимула до тех пор, пока не сможет различить, какой предмет или текст был «спрятан». В случае успешного определения решается обратная задача.

Реализованы новые возможности: выбирать стимулы из библиотеки векторных стимулов; создавать текстовые стимулы; выбирать положение стимула на экране; задавать диапазон размеров стимулов (как в относительных, так и в абсолютных величинах) и цветовые координаты; устанавливать шаг изменения оттенка; быстро создавать множество предъявлений, при этом сочетая во всех возможных вариациях выбранные оттенки, стимулы, положения и размеры.

Результатом тестирования системы являются пороговые значения оттенков для каждого предъявления стимула, которые затем передаются в аналитическую систему для первичной статистической обработки.

В совокупности данные этого теста позволяют дать заключение об особенностях восприятия цвета и формы объектов, об уровне оперативной памяти и внимания, об уровне эмоционального напряжения; а также дают возможность обнаружить изменения в работе мозга, вызванные применением психотропных препаратов.

Классический тест Струпа позволяет спровоцировать ситуацию когнитивного конфликта. Отличительной особенностью теста, реализованного на Web-платформе ApWay.ru, является возможность задавать названия цветов на различных языках или добавлять собственные варианты цвета для проведения экспериментов. По результатам измерений фиксируются ошибки и время реакции при решении каждой задачи. После первичного анализа данных система выдает информацию о количестве ошибок и среднем времени решения задачи в каждом контексте. На основании этих показателей можно делать вывод об уровне когнитивного конт­роля, эффективности обработки вербальной и цветовой информации, а также об уровне стрессоустойчивости при ментальном стрессе.

Заключение

Таким образом, разработана автоматизированная экспертная система принципиально нового типа — событийно-связанная телеметрия, обладающая аппаратными, алгоритмическими и программными ресурсами для обнаружения ранних биомаркеров экстремальных состояний в режиме реального времени, без ограничений подвижности, без привлечения внимания человека — источника сигнала — к процессу измерения. Для сбора данных телеметрии и детектирования стресса используется интернет-ресурс — разработанное приложение StressMonitor на базе cogni-nn.ru. Для управляемой активации первичных когнитивных функций в контекстах сенсомоторной активности создана Web-платформа platform.apway.ru. В настоящее время все представленные модули интегрированы в единую информационно-телекоммуникационную технологию (рис. 4).

---

Рис. 4. Архитектура технологии событийно-связанной телеметрии

---

Технология обеспечивает непрерывный продолжительный сбор, передачу, накопление и пред­обработку синхронизированных по времени кардио­ритмографических записей, данных навигатора о траектории перемещения человека в помещении и открытом пространстве, данных видео- и аудионаблюдения и результатов психофизиологических тестов.

Дальнейшее развитие технологии будет направлено на совершенствование экспертного модуля и усиление возможностей системы для исследования, диагностики и прогноза в отношении физиологического обеспечения когнитивных функций в различных контекстах естественной деятельности.

Финансирование исследования. Данная работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты №18-013-01225_а, 18-413-520006_р_а, 19-013-00095_а.

Конфликт интересов. У авторов нет конфликта интересов.