Презентация "Робототехника в медицине" – проект, доклад

3 ноября 2011 РГСУ

Первая Всероссийская молодёжная конференция Медицина и робототехника Москва 2011

Московский государственный гуманитарно-экономический институт Никольский Анатолий Евгеньевич профессор, кафедры Прикладной математики и информатики МГГЭИ, к.т.н., тема: Комплексные когнитивные и интеллектуальные технологии развития и реабилитации физических возможностей человека

1.Системы, совместимости Личности, с ограниченными физическими возможностями, со знаниевой средой, основанные на современных программно-аппаратных коммуникационных, информационных, виртуальных, интеллектуальных, робототехнических технологиях;

2. Системы когнитивного анализа функциональных систем, рефлекторных механизмов, особенностей нейро-механизмов реципроктной инервации, нейроморфного моделирования и управления биологическими и медицинскими процессами

3. Системы физиотерапии, энергоинформационной биорезонансной и мультирезонансной терапии;

4. Технологии самоорганизации системных механизмов поведения (системогенеза) личности, реализующих эффективный творческий процесс формирования профессиональных знаний и умений на базе когнитивных, виртуальных, системных, информационных технологий.

Математическая модель взаимодействия человека Структура общей системы включает взаимодействие УС ↔ ОУ, УС: (УСа, ИУП, ЧУ), Где ОУ- объект управления - обучаемая личность осуществляет взаимодействие с УС через ИУП по различным информационным каналам, таким как зрительный, тактильный, биомеханический, слуховой, обонятельный, вестибулярный и другие, характеризующимся параметрами ki, i= 1,2…,l. В каждом из каналов человеком, как правило, выполняются операции: обнаружение и распознавание информации, анализ ситуаций и принятие решений, выполнение команд управления. УС - система, реализующая режим управления обучением. ИУП включает систему отображения информации (СОИ) и органы управления (ОрУ). В свою очередь СОИ состоит из элементов отображения информации (экранов дисплеев, мнемосхем, приборов, сигнализаторов и др.), определяемых параметрами ai, i=1,2, …, m, а структура ОрУ - элементы управления (клавиатура, ручки, тумблеры, контакты и др.) с параметрами bi, i=1, 2, …, k. УСа- функционально - алгоритмическая структура управления ЧУ - Человек учитель

1.Системы, совместимости личности, с ограниченными физическими возможностями, со знаниевой средой, основанные на современных программно-аппаратных коммуникационных, информационных, виртуальных, интеллектуальных, робототехнических технологиях;

Человеко-машинные системы

Разработка адаптивного интерфейса для ввода в компьютер текстовой информации для людей с ограниченными возможностями (Компания Gravitonus А.Косик) Традиционно взаимодействие человека с компьютером выполняется посредством устройств, которые удобно держать и использовать руками (клавиатура, мышь, перо, джойстик). Для людей с ограниченными возможностями зачастую такой способ может оказаться неприемлем. Компания Gravitonus разрабатывает систему альтернативного управления компьютера (ACCS), позволяющую взаимодействовать с компьютером посредством языка. Такое взаимодействие накладывает серьезные дополнительные ограничения на свойства интерфейсного модуля. А. А. Жданов, А.Е. Устюжанин, Возможности использования технологии детерминированного хаоса в системах автономного адаптивного управления, Москва, сборник трудов ИСП РАН, с141-180, 2001

Искусственная рука В прошлом году бывшая военнослужащая армии США - 26-летняя Клаудиа Митчелл стала первым в мире человеком, получившим бионический протез руки, который управляется одной лишь силой мысли. За это время она не только научилась пользоваться искусственной рукой, к ней вернулось осязание.

УМНАЯ ОДЕЖДА

BCI – это интерфейс между человеком и компьютером, который получает команды напрямую от мозга без совершения какого-либо физического движения или BCI использует электрофизиологические сигналы для управления внешними устройствами Существует и обратный интерфейс: CBI (computer-to-brain interface) – это система реального времени, используемая для записи сообщений или команд прямо в мозг без использования обычных входных каналов мозга.

Схема комплексной системы информационного взаимодействия

Исследование самоорганизации системных механизмов системогенеза личности с ограниченными физическими возможностями (целебральной патологией) в процессе получения знаний

В психофизиологическом аспекте - механизмы поведения, - оптимальные программы мышечных сокращений, ответных реакций на внешние и внутренние раздражения организма, с минимальными затратами энергии. Исходя из теории П.К. Анохина о саморегулирующихся системах, кора головного мозга и поперечно – полосатая мускулатура – это единый замкнутый процесс соморегулирования. Рефлекторный механизм координации двигательных актов, обеспечивающих согласованную деятельность мышц - антагонистов (сгибатели – разгибатели, отводящие – приводящие, ускоряющие – замедляющие и др.), составляет сущность реципроктной инервации. Естественно, нарушение механизмов реципроктной инервации приводит к дисбалансу состояния мускулатуры на различных уровнях и может проявляться в виде спастических или вялых параличей, нарушении рефлексов и координации движений, речи.

Развитие медицинской науки определяет около 500 факторов, объясняющих причины церебральной патологии человека на нейронных структурах насчитывающих 50 млрд. нейронов и контролирующих 250 функциональных структур. Однако сам термин не отражает многообразия имеющихся при этом заболевании неврологических нарушений в структуре нервной системы человека, а диагностика и коррекция, при существующей медицинской аппаратуре не позволяет точно идентифицировать заболевания. Как известно, в основе дистрофических, аномальных процессов, при церебральной патологии, лежит нарушение «рефлекторных дуг» передачи информации от рецепторов периферии к нейронам спинного мозга, далее к соответствующим областям головного мозга и обратно к нейронам нервной системы спинного мозга, далее к соматическим узлам, регулирующих работу скелетных мышц, и к вегетативной (автономной - симпатической и парасимпатической) нервной системе, регулирующей работу внутренних органов. Сложность нейронной системы передачи информации и управления требует использования современных новых технических средств нейровизуализации, диагностики и опыта локализации мест нарушения рефлекторных дуг, а компенсация ограниченных физических возможностей человека с церебральной патологией, новых концепций и инновационных технологий. Один из подходов связан с когнитивной психологией, предельной параметризацией и развитыми в последние годы аналитическими методами нелинейной динамики

В основе управлением поведением человека лежат нейронные сети, которые организуют деятельность различных функциональных систем организма человека

НЕЙРОННАЯ СЕТЬ ЧЕЛОВЕКА

В информационных процессах мозга участвуют астроциты

Задача Анализа нарушений нейронных сетей и коррекции системных функций организма включает

Анализ функциональных систем и их характеристик, Анализ структуры нейронной сети человека и рефлекторных механизмов групп мышц, формирующих поведение, Анализ структуры нейронных сетей связанных с нарушением функций организма,(варианты, когда неизвестна нейронная структура и когда известна) Формирование нейроморфных и структурных математических моделей анализа и моделирования функциональных нарушений систем таких как зрения, слуха, обоняния, вестибулярного аппарата. Предварительные рекомендации коррекции функциональных систем организма при нарушении нейронных сетей с использованием операционных средств нейропротезирования, имплантатов и стволовых клеток

Под нейроморфными системами понимаются модели искусственных нейронных сетей, архитектура и дизайн которых основаны на особенностях структуры и принципах работы реальных нейробиологических систем. Их моделирование стимулировано желанием понять и технически воплотить такие ключевые особенности нейронных структур мозга, как высокая чувствительность, адаптивность, обучаемость, устойчивость к повреждениям, способность иметь дело с нечеткой, избыточной, зашумленной информацией и, наконец, параллельный и распределенный способ обработки информации. Нейроморфное моделирование находится на пересечении нескольких областей исследований, в том числе нейробиологии, теории нейронных сетей, математического моделирования, электронной техники. В последнее десятилетие возрос интерес к динамическим нейроморфным методам обработки информации. Это связано с тем, что колебательная нейронная активность, синхронизация и резонанс используются как «рабочий инструмент» при функционировании многих структур мозга (зрительная система, слуховая система, обонятельная система, гиппокамп, таламо-кортикальная система, новая кора).

Нейроморфные системы и нейроморфное моделирование М.Г.Кузьмина (ИПМим. М.В.Келдыша РАН)

Цель – разработать модели, позволяющие исследовать сложное поведение мягких внутренних органов ( печень, почки, селезенка) под действием хирургических вмешательств и имплантаций. Математическое моделирование используется в сочетании с экспериментальными измерениями и созданием силиконовых моделей мягких тканей. Это позволяет получить объединенную информацию о реакциях мягких органов на медленную деформацию под действием терапии, давления и кручения, хирургические иссечения, а также поведении при имплантациях.

• Калифорнийский университет в Сан-Франциско • Станфордский нац. вычислительный центтр • Станфордский центр современных хирургич. техн. • Западно-австралийский университет • Университет г. Тюбинген, Германия

Модель трехмерной осцилляторной нейросети (модель зрительной коры)

Активный элемент сети – нейронный осциллятор; Пространственная архитектура 3D сети имитирует колончатую структуру зрительной коры (VC); «срабатывание» сети состоит в синхронизации ансамблей динамически связанных осцилляторов (кластеров); оно имитирует самоорганизованное коллективное поведение ориентационно-селективных (простых) клеток зрительной коры на низшей стадии обработки зрительной информации; Сеть предварительно настраиватся параметрами предъявляемого зрительного изображения – массивом пар (яркостей пикселей и ориентаций элементарных сегментов изображения). При этом производится настройка как внутренней динамики сетевых осцилляторов, так и динамических сетевых связей.

Схема архитектуры 3D осцилляторной сети

Изображение, подлежащее сегментации, задано в виде пиксельного разложения на согласованной с ним 2D решетке В каждом узле решетки определены две характеристики изображения – яркость пикселя и ориентация элементарного сегмента Осцилляторы сети расположены в узлах 3D решетки внутри параллелепипеда так, что каждому пикселю соответствует одна колонка осцилляторов В каждом узле 3D решетки определены ориентации рецептивных полей Полное число осцилляторов сети равно , где – размер пиксельного массива, а K – число осцилляторов в колонке.

Колебания в слуховой системе мозга Подход к обработке смешанного акустического потока

Биологически обоснованная модель осцилляторной сети, доставляющая метод выделения из смешенного акустического потока содержащихся в нем компонент, была построена Вангом и Брауном (D.Wang, G.J.Brown, 1999). Обработка потока состоит из двух этапов. 1. На первом этапе находятся полный набор частотно-временных характеристик потока посредством пропускания его через эталонную систему фильтров, которая имитирует функции пропускания наружного и среднего уха. В каждом из каналов пропускания строятся a) коррелограмма и b) интегральная каррелограмма, позволяющая определить доминирующую частоту потока. Наконец, производится c) кросс-корреляционный анализ поступающего акустического потока. 2. На втором этапе производится основная обработка потока с помощью двуслойной осцилляторной сети. При этом: • первый слой производит разложение полного смешанного потока на полный набор его элементарных частотно-временных «сегментов»; • второй слой производит группирование множества элементарных сегментов в составляющие поток компоненты, то есть, новый синтез смешанного потока из его элементарных составляющих.

Осцилляторно-сетевая обработка смешанного потока

Первый слой сети (segmentation layer) имеет возбуждающие связи, построенные на основе кросс-корреляционной информации о потоке. Кластеры синхронизованных осцилляторов, возникшие в этом слое, соответствуют распределению звуковой энергии потока на плоскости Второй слой сети (grouping layer) имеет: a) внутренние связи, зависящие от корреляционной информации потока и от структуры связей первого слоя; b) внешние (вертикальные) связи из первого слоя. Второй слой производит восстановление компонент смешанного акустического потока в следующей последовательности: • восстановление основной (наиболее энергичной ) компоненты потока; • восстановление «периферической» части; • восстановление «средней» части. На последних двух этапах используются специальные методы фильтрации.

Разработка математической модели тренинга спортсмена-легкоатлета с ДЦП(ПОДА ) Постановка проблемы

Человек с физ. недостатками

Получать знания и умения. Как достичь результата?

Обеспечение социальной защищённости и значимости

Спортсмен-легкоатлет

Формирование программы тренинга

Результат и его квалификация

Одна из ветвей этого процесса

. Модель динамики движения спортсмена-легкоатлета

Рис. 1. Движение центра тяжести человека в декартовых осях и действующие силы

G – вес человека (кг), m – масса человека (кг сек2/м), g – ускорение силы тяжести (м/сек2), v – скорость движения (м/сек), P – сила движения (кг), Х – сила лобового сопротивления (кг),  – угол касательной к траектории с осью х.

Уравнение движения: dv/dt = (P – X) / m – g Sin, dx/dt = vCos , dy/dt =vSin.  = пр(t). Зависимость  = пр(t) задаётся графически или в виде таблицы.

Сила движения P = P0 - P, где P0 – базовая сила движения, может быть замерена на стенде, P – изменение силы движения, как функции психофизиологических и биофизических свойств организма P = F (Х1, Х2, Х3, … , Хn) или P = P0 - (dP/dt)t. Масса человека может определятся по формуле: m = m0 – (dm/dt)t, где m – масса человека в момент t, m0 – масса человека в момент t, dm/dt – расход массы, t – время в минутах. Сила лобового сопротивления человека определяется по формуле: X = Cx(v2/2)S, где Cx - коэффициент силы лобового сопротивления,  – плотность воздуха, v – скорость (м/сек), S – площадь сопротивления тела человека (м2).

. Формирование программы тренинга

Блок – схема процесса подготовки спортсмена-легкоатлета.

КОРРЕКЦИЯ НАРУШЕННЫХ СИСТЕМНЫХ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА

При нарушении нейронных сетей могут быть использованы нейроморфные и структурные математические модели для предварительного анализа и рекомендаций по применению операционных средств нейропротезирования, имплантатов и стволовых клеток.

Нейропротезитрование — область неврологии, занимающаяся созданием и имплантацией искусственных устройств для восстановления нарушенных функций нервной системы или сенсорных органов (нейропротезов или нейроимплантов).

Имплантаты (также ошибочно импланты, от англ. implant) — класс изделий медицинского назначения, используемые для вживления в организм либо в роли протезов (заменителей отсутствующих органов человека), либо в качестве идентификатора (например, чип с информацией о домашнем животном, вживляемый под кожу).

Коррекция системных функций организма путём самовоспроизведения органов с использованием стволовых клеток

Стволовые клетки — иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Стволовые клетки способны асимметрично делиться, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться.

Роботизированная система "Да Винчи" состоит из 3 основных частей, которые образуют функциональное единство. Это панель управления, операционная панель и оптическая система В настоящее время в мире уже выполнены тысячи операций с использованием DA VINCI и ZEUS.

Схема работы внутреннего органа при нагрузках График спектрального индекса человека. Два центра регуляции.

Первое и единственное в России методическое пособие по музыкотерапии для врачей и клинических психологов утверженное Министерством Здравоохранения Р.Ф. в 2001 году (автор врач-музыкотерапевт Рушель Блаво.)

Структура общего алгоритма формирования музыкального сеанса по воздействию на организм

Таблица воздействия цвета на различные органы человека.

Соотношение восприятия цвета больными и здоровыми людьми.

Волновая структура мозга в различных состояниях

Также цвет очень широко используется совместно со звуком. Существует специальное устройство, оно используется для тренировки мозга,для отдыха и релаксации, для снов. Это устройство называется «Майндмашина»(mindmachine) В дословном переводе этот термин означает «машина для ума». Для этих приспособлений существует множество дисков с «упражнениями» - это различные программы которые воздействуют на наш мозг. В ряде книг по технологиям бизнеса зарубежные авторы участливо советуют новоиспеченным российским бизнесменам: «Если Вы сильно устаете на работе, то воспользуйтесь MIND MACHINE!»

Схема воздействия майндмашины и результаты

4. Технологии самоорганизации системных механизмов поведения (системогенеза) личности, реализующих эффективный творческий процесс формирования профессиональных знаний и умений на базе когнитивных, виртуальных, системных, информационных технологий

Таким образом, как информационные технологии, так и средства когнитивной, виртуальной психологии, активизирующие самоорганизацию функциональных систем, системных механизмов поведения личности, в информационном творческом процессе формирования профессиональных знаний и умений, гарантируют определённый уровень социальной защищённости.

Никольский Анатолий Евгеньевич 8-916-112-87-84 8-906-766-68-06 nikae1936@yandex.ru

Благодарю за внимание