Планирование эксперимента в измерительных задачах постурологии
Аннотация
Рассмотрен подход с позиций теории планирования эксперимента к измерениям в постурологии (стабилометрии).
Ключевые слова: Биологический объект, медико-биологическое исследование, измерение, планирование эксперимента.05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Постурология – это относительно новая область медицинских знаний, изучающих позу и равновесие человека в условиях гравитации (postura – с лат. «поза»). Параметры динамической стабилизации вертикального положения тела (гравитационной вертикали) являются глобальной характеристикой баланса тела, давая дополнительные возможности для выявления: - функциональных нарушений при заболеваниях позвоночника, нервной системы, вестибулярного и зрительного анализатора; - опороспособности конечностей; - функционального состояния голеностопных суставов.
Наряду с условно-рефлекторными предпосылками реализации функции равновесия в восстановительной медицине («Постурология с самого начала родилась из заботы об облегчении страданий пациента» [1]), человеку необходима постоянная тренировка органов и систем, обеспечивающих устойчивость тела. Поэтому координация положения тела, в частности, вертикального, служит своеобразным индикатором здоровья, состояния функционального развития организма, физической подготовленности и уровня спортивного мастерства. Постурографические обучающие тесты и игры служат для повышения профессионального мастерства спортсменов подвижных видов спорта, в частности бегунов, лыжников, конькобежцев [2].
Объективная клиническая оценка дифференциальных тонических асимметрий человека и контроль постуральных колебаний его тела (его центра давления, а не тяжести [1]) стала возможной только с использованием измерительных приборов, с введением измерений в эту область исследований, со стабилометрией.
Как любой вид деятельности, постурологические измерения являются более эффективными (более информативными, достоверными, менее затратными) при их планировании. В статье рассматриваются вопросы планирования постурологических измерительных экспериментов.
В процессе постурологических исследований выполняются различные функциональные пробы: - статического равновесия; - минимизации колебаний тела; - динамического равновесия; - со стимуляцией (оптической, электрической, вибрационной и др.), каждая из которых содержит свой ансамбль измеряемых показателей. В этой связи, в зависимости от цели, планирование постурологических измерений может быть подразделено на:
- планирование дифференциальной диагностики (с возможностью делимости всех обследуемых на два подкласса – здоров / требуется лечение (восстановление, тренинг навыков и т.д.);
- планирование медицинских измерений при обеспечении требуемой точности измерений (например, при измерении на стабилоплатформе размеров эффективной зоны подошвы ступней при конструировании постуральной стельки – термически формованные ортезы);
- планирование медицинских измерений, регистрируемых у человека в динамике (например, при измерении параметров динамической неустойчивости);
- планирование медицинских измерений на основе однократного плана измерений (при определении разовых клинических показателей);
- планирование медицинских измерений на основе многократного плана измерений (например, в реабилитационных тестах и играх, в играх по повышению спортивного мастерства).
Концептуальной моделью вертикально стоящего человека в постурологии принята модель маятника [1]. Согласно этой модели различаются такие понятия как «равновесие» и «устойчивость». «Устойчивость» (а ещё более конкретно, «стабилизация») призвана поддерживать на одной линии центр массы («центр масс» более удачно, чем «центр тяжести», обращаясь к выражению F=m*a, [1]) и центр давления тела. Равновесие в стабилометрии не измеряют; устойчивость же, напротив, измеряют, по меньшей мере, измеряют её свойства. И измерение устойчивости, её параметров, даёт целый спектр числовых значений:
- площадь центра массы и её соотношение с площадью стоп в устойчивой ортостатической позе обследуемого;
- площадь статокинезиграммы (площадь доверительного эллипса, который содержит 90% дискретных положений центра давления и является статистической мерой разброса этих положений);
- коэффициент корреляции между площадью статокинезиграммы и длиной пути, пройденного центром давления за время регистрации ортостатической позы;
- координаты положения (в системе, связанной со стабилометрической платформой) центра масс тела в динамике, его среднюю позицию и девиации этого положения, и т.д.
При планировании эксперимента определяют число и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи. Однако планирование биофизических измерений осложнено тем, что сам биообъект как объект измерения представляет собой стохастическую нестационарную нелинейную систему с распределёнными параметрами. Кроме того, важнейшей отличительной особенностью планирования активных постурологических экспериментов является наличие биологической обратной связи (БОС) в системе ствабилометрическая платформа (с устройством обработки измерительной информации) / человек. Именно наличие этой БОС делает возможной и эффективной восстановительную постуральную терапию, а также различные обучающие тренинги. Постуральное управление в ходе эксперимента – это не просто управление, это функциональное управление с обратной связью. Отмеченная отличительная особенность постуралогических измерительных экспериментов – наличие БОС – накладывает определённые требования к многократным планам измерений. Так, в зависимости от вида измеряемой величины в той или иной постуралогической диагностике, план эксперимента учитывает частоту повторных наблюдений измеряемых параметров, а в тестах-тренингах дополнительно корректируется время опроса измеряемой величины в зависимости от индивидуальных способностей обучающегося.
При этом, конечно, планирование постуралогических измерений невозможны без рассмотрения общих методологических принципов планирования измерительной процедуры [3], таких как: - выбор биологического признака; - определение измеряемой физической величины, связанной с биологическим признаком; - принцип измерения физической величины; - метод измерения физической величины; - средство измерения; - алгоритм обработки полученных экспериментальных данных; - объем измерений (в случае многократного наблюдения измеряемой физической величины).
Говоря о медицинском применении теории планирования эксперимента, следует остановиться на его классификационных признаках.
Теснота связи измеряемых параметров биообъекта, характеризующих то или иное его состояние, будет определена при постановке корреляционного эксперимента. Однако полученные результаты будут неточны в силу погрешностей измерения, сопровождающих измерительную процедуру. Корреляционные измерительные эксперименты в постурологии выполняются, например, для определения упоминавшегося выше коэффициента корреляции между площадью статокинезиграммы и длиной пути, пройденного центром давления за время регистрации ортостатической позы. Этот коэффициент позволяет установить устойчивость обследуемого на нормализованной силовой платформе, а с учётом фактора времени по мере прохождения постурологического лечения, дать оценку динамики фактора нарастающим итогом.
Регрессионный эксперимент определяет регрессионную (функциональную) зависимость между состоянием пациента (измеряемыми параметрами этого состояния) и ответом на ту или иную стимуляцию. Точность получаемой зависимости особенно важна, например, при неинвазивных методах лечения деформаций стоп методом индивидуального подбора постуральных стелек, при терапии синдрома постурального дефицита. В случаях, когда требуется высокая точность регрессионной модели, например, при серийном изготовлении ортезов (плантарные стимуляциии тонкими припусками стелек), может быть рекомендован подход, описанный в [4], который позволяет уточнять априорную теоретическую модель получаемыми данными эксперимента.
Задачи дисперсионного эксперимента в постурологии в литературе автором не были встречены, видимо в силу специфики самого биообъекта как сложной системы.
Говоря о методологии планирования измерений в постурологии, нельзя не затронуть технологию (и программное обеспечение) обработки измерительной информации. Так, в ходе постурально-динамического обследования определяют положение центра масс тела, и на основе получаемой статистики данных оценивают девиацию центра (отклонение от горизонтальной оси платформы при её опоре на три тензодатчика) и девиацию и ротацию (отклонение от горизонтальной и от вертикальной осей стабилоплатформы – для случая её опоры на четыре тензодатчика) как среднее квадратическое отклонение (СКО) его положения. На рис. 1 показано положение центра масс и его отклонение вправо-влево; вперёд-назад в конкретный момент измерения.
Рис. 1. Регистрация колебаний проекции центра масс человека на плоскость опоры
Обработка статистики результатов измерений происходит и при определении коэффициент корреляции между площадью статокинезиграммы и длиной пути, пройденного центром давления за время регистрации ортостатической позы. При обработке данных важно знать закон распределения обрабатываемой случайной величины, что на практике невозможно. Так, коэффициент Пирсона может быть использован только в случае нормального закона распределения, а коэффициент Спирмена применим при любом законе распределения случайных величин. Однако в случае нормального распределения коэффициент Спирмена имеет большую погрешность, чем коэффициент Пирсона.
Последними достижениями компьютерной постурологии (и компьютерной стабилометрии) стала возможность комплексного исследования медико-биологических данных в системах иультидиагностики. Пример такого комплексного обследования пациента показан на рис. 2.
Постуральные записи с опорной плоскости дополнены данными с других каналов многоканальной диагностической системы: данными электрокардиосигнала (ЭКГ), электромиограмм (ЭМГ), электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Эти комплексные электрофизиологические измерения выполняются в один и тот же временной интервал, но отличаются родом измеряемой величины, и, как следствие, диапазоном измерения, спектральным составом. Планирование этих многоразмерных измерений с учётом интегрального «чувства пространства» у биообъекта представляет собой планирование активного многофакторного измерительного эксперимента с БОС. Возможность функционального биоуправления объектом исследования в процессе измерения его характеристик представляет собой, самую что ни на есть, интеллектуальную составляющую процесса, к которому могут быть применены методологические основы интеллектуальных измерений, впервые в отечественной литературе систематически изложенные в [5].
.
Рис. 2. Комплексное постурально-динамическое обследование пациента, перенесшего операцию по коррекции вальгусной деформации обеих стоп. ООО «БИОМЕДТЕХНИКА», г. Пенза
Рассмотренный на основе теории планирования эксперимента подход к измерительным задачам в постурологии (стабилометрии) акцентирует внимание на актуальности и целесообразности при разработке методик постурологических исследований пользоваться методологией оптимального планирования эксперимента, в частности медицинского измерительного эксперимента.
Литература:
1. Гаже П.-М., Вебер Б. Постурология. Регуляция и нарушения равновесия тела человека. – СПб.: Издательский дом СПбМАПО, 2008. – 316 с.
2. Акжигитов Р.Ф. Перспективы применения комплекса «СТАБИЛАН» для тестирования спортсменов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Медицинские информационные системы». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФИ, 2010. - №8(109). – С. 8-12..
3. Истомина Т.В., Ординарцева Н.П. Способы повышения достоверности результатов медицинской диагностики // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Медицинские информационные системы». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФИ, 2010. - №8(109). – С. 91-95...
4. Боков В.Б. Объединённый анализ теоретических и эмпирических данных планируемого эксперимента // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2010. - №1 (Том 76). – С. 61-76.
5. Романов В.Н., Соболев В.С., Цветков Э.И. Интеллектуальные средства измерений / Под ред. д.т.н. Э.И. Цветкова. – М.: РИЦ «Татьянин день», 1994. – 280 с.