ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

КОГНИТИВНЫЕ И

СОЦИОГУМАНИТАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

УДК 612.821, 343.98

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ ДАННЫХ,

ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ МРТ-СОВМЕСТИМОГО ПОЛИГРАФА

¹ Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

^*E-mail: Malakhov_DG@nrcki.ru

Разработано программное обеспечение (ПО) объективной количественной оценки кожно-гальванических ре-

акций человека, реакций, наблюдаемых в его фотоплетизмограмме и в дыхании, которые регистрируются в

процессе магнитно-резонансной томографии (МРТ) с помощью МРТ-совместимого полиграфа (МРТсП). Про-

веденными исследованиями подтверждена эффективность использования ПО и определены направления даль-

нейшего совершенствования технологии оценки указанных экспериментальных данных, зарегистрированных

МРТсП.

Национальный исследовательский

центр

На первых этапах изучения возможности и эф-

«Курчатовский институт» (НИЦ КИ) осуществля-

фективности использования МРТсП для анализа

ет фундаментальные и прикладные когнитивные

реакций, зарегистрированных в итоге проведе-

и нейрофизиологические исследования, в которых

ния тех или иных тестов, была применена треху-

активно используются методы нейровизуализации

ровневая экспертная балльная оценка, широко

и, в частности, методы магнитно-резонансной то-

применяемая в мировой практике исследований с

мографии (МРТ) и функциональной МРТ (фМРТ).

применением полиграфа (ИПП) [6], показавшая

Одним из частных направлений таких фунда-

пригодность применения МРТсП в эксперимен-

ментальных и прикладных исследований является

тальной работе. Однако при всей кажущейся про-

изучение нейрокогнитивных процессов, обеспечи-

стоте трехуровневой системы оценки реакций,

вающих возможность выявления у человека инфор-

она содержит элементы субъективности, требует

мации о скрываемых им событиях прошлого. Как

высокой квалификации эксперта, а также является

уже сообщалось ранее, для повышения качества и

слишком трудоемкой для массовых исследований в

результативности научно-исследовательских работ

научных и медицинских целях.

по указанному направлению в НИЦ КИ был разра-

Особую актуальность система объективной ав-

ботан компьютерный МРТ-совместимый полиграф

томатической оценки приобрела в связи с работами

(МРТсП), который дал возможность реализовать

по медицинскому применению МРТсП [7], а также

метод совместной регистрации вегетативных ре-

для интеграции с созданным аналогичным прибо-

акций (СРВР) человека во время его исследования

ром для автономного клинического применения.

в условиях действия сильного магнитного поля

Обзор принятых в современной технологии

(3 Тл) МР-томографа [1].

ИПП экспертных методов [8-10] и методов объ-

Совместное использование этого прибора и ме-

ективного количественного анализа физиологиче-

тодических средств (тестов), заимствованных из

ских процессов, традиционно контролируемых в

криминалистики, позволили сформировать уни-

ходе ИПП (дыхания, сердечно-сосудистой и элек-

кальную технологию экспериментов [2, 3], кото-

тродермальной активности), дал основание вы-

рая подтвердила полезность применения МРТсП

брать на начальном этапе единую характеристику

при изучении нейрокогнитивных процессов в ходе

для всех типов процессов - длину линии, соответ-

фМРТ. Попутно отметим, что предложенная тех-

ственно, пневмограммы верхнего и нижнего ды-

нология оказалась также полезной при проведении

хания (ВД и НД), фотоплетизмограммы (ФПГ) и

нейрокогнитивных исследований, осуществляемых

кожно-гальванической реакции (КГР) на эпохе ана-

в интересах психиатрии и неврологии [4, 5].

лиза [11] с последующей нормировкой по каждому

125

126

Д.Г. МАЛАХОВ и др.

из параметров для приведения к единой единице

Экспертные оценки были получены согласно

измерений.

разработанным более полувека назад правилам:

Однако открытым оставался вопрос о подборе

реакция на «первый стимул во время теста не

весовых коэффициентов для каждого из получен-

оценивается, чтобы уменьшить эффект ориенти-

ных нормированных параметров для объединения

ровочной реакции. Стимул, вызывающий самую

в единую оценку. На настоящее время не сформи-

сильную реакцию, получает два балла, а стимул,

ровано единого стандарта для объединения поли-

вызвавший следующую, менее выраженную ре-

графических данных. Существует также практика

акцию, получает один балл. Все другие стимулы

индивидуального подбора весовых коэффициен-

получают ноль баллов» [6]. Однако если в случае

тов, которая требует набора большой статистики

КГР и ФПГ в большинстве случаев можно вруч-

реакций на заранее известные стимулы для каждо-

ную расставить соответствующие 1 или 2 балла, то

го испытуемого, что затруднительно осуществить

корректно оценить визуально реакции в грудном и

во многих практических исследованиях с приме-

брюшном дыхании из-за их вариабельности и не-

нением МРТсП. В настоящей работе было предпо-

стабильности весьма трудно или просто невозмож-

ложено, что применение в определенных случаях

но. Поэтому в экспериментальных исследованиях

фиксированных весовых коэффициентов для всей

экспертной оценке подвергались только КГР и ре-

выборки может показать удовлетворительные ре-

акции в ФПГ, а балльная оценка реакций дыхания

зультаты по выявлению реакций на значимые сти-

не осуществлялась.

мулы в целях применения данной технологии в

Для автоматической оценки входной сигнал раз-

нейрокогнитивных исследованиях.

делялся на эпохи длительностью 10 с, начиная с

Оценка эффективности способов обработки

отметки о предъявлении стимула экспериментато-

проводилась с использованием в качестве метрики

ром: такой интервал анализа также был выбран для

числа правильно определенных значимых стиму-

сохранения единообразия экспертной и автомати-

лов в ряде стандартных тестов, принятых в крими-

ческой оценки, хотя известно, что у различных лю-

налистической практике [3].

дей длительность и динамика реакций существен-

но варьируется. Первое предъявление в каждом

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

блоке стимулов исключалось из анализа.

В исследовании приняли участие 23 испытуе-

В качестве способа определения величины ре-

мых (мужчины в возрасте 21-23 года), которые вы-

акций была применена оценка интегрального пе-

полняли задачи «теста на скрываемое имя» (ТСИ)

репада амплитуды сигнала на всей эпохе анализа

и «теста на знание виновного» (ТЗВ) [3]. В част-

(∑|Αi+1 - Α_i|), которая приближается к аппроксими-

ности, при выполнении ТЗВ испытуемый выбирал

рованной длине линии при уменьшении масштаба

визитную карточку, запоминал фамилию и место

по оси времени и имеет ряд преимуществ (обсуж-

работы человека, и далее ему назывались признаки

дение которых выходит за рамки данной статьи).

выбранной визитки в ряду 5 других неизвестных,

Данный способ оценки оказался универсальным

при этом на все вопросы испытуемый отвечал от-

для нескольких анализируемых типов сигнала.

рицательно [2, 4]. В тесте ТСИ аналогичным обра-

Полученные оценки реакций нормировались по

зом испытуемый скрывал собственное имя в ряду

каждому физиологическому параметру отдельно

нейтральных имен. Во время выполнения этих

для приведения к единой системе измерения.

задач регистрировалась одновременно фМРТ и

Нормированные оценки умножались на весовые

полиграмма.

коэффициенты и разделялись на группы по типу

Данные КГР, ФПГ и дыхания регистрировались

стимула.

при помощи МРТсП с аппаратной частотой кванто-

Далее из предъявленных групп стимулов выби-

вания 1000 Гц и сохранением постоянной состав-

ралась та, которая вызвала наибольшую реакцию

ляющей сигнала. Полученные сигналы подверга-

по минимальному или максимальному значению

лись понижению частоты дискретизации до 100 Гц

реакции (в зависимости от наиболее типичного

и цифровой полосовой фильтрации при помощи

поведения параметра - в практике ИПП отмечена

фильтров Баттерворта 1-го порядка в диапазонах:

тенденция к уменьшению длины кривой дыхания,

КГР - 0.1-1 Гц; ФПГ - 1-20 Гц; пневмограмма -

увеличению длины кривой КГР и уменьшению

0.1-20 Гц. Указанные диапазоны фильтрации были

длины кривой ФПГ [12]) среди всех групп. Номера

выбраны как наиболее оптимальные для одновре-

полученных групп после обработки данных срав-

менно экспертной и автоматической оценки.

нивались с известной позицией значимого стимула,

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ ДАННЫХ...

127

Таблица 1. Процент числа совпадений номеров

общую оценку или не делать ее зависимой от осо-

стимулов, выделенных в процессе обработки данных

бенностей конкретной выборки. Параметр длины

разными способами, с раскрытыми после обработки

линии по ФПГ (п. 4) на выборке наиболее часто по-

действительными номерами значимых стимулов

казывает обратную связь с силой реакции, поэтому

он был взят с отрицательным знаком. Здесь инте-

Вариант обработки

ТСИ

ТЗВ

(см. раздел «Экспериментальная часть»)

ресно отметить, что, хотя известно о диагности-

1. ДГ

26%

ческой информативности этого параметра [13], он

2. ДБ

22%

30%

практически не используется в зарубежной прак-

3. КГР

91%

тике ИПП. Для универсальности для дальнейшего

4. ФПГ

74%

57%

расчета были заданы весовые коэффициенты «+1»

и «-1» для КГР и ФПГ соответственно.

5. КГР-ФПГ

100%

83%

Автоматическая обработка с фиксированными

6. КГР-ФПГ с исключением ненадежных данных

весовыми коэффициентами («+1» и «-1» для КГР

(p>0,05 по t-критерию и U-критерию при сравне-

100%

нии проверяемого стимула со всеми остальными)

и ФПГ соответственно) показала 100% выделение

7. Экспертные оценки

100%

91%

значимого стимула в ТСИ, как и экспертная оценка.

В случае ТЗВ автоматическая обработка с объ-

и подсчитывалось число совпадений. Таким обра-

единением параметров показала несколько худшие

зом, получалась метрика, показывающая эффек-

результаты, но сопоставимые, при этом обладая

тивность каждого из примененных способов обра-

несомненными преимуществами в виде независи-

ботки данных.

мости от субъективной оценки эксперта и скорости

Данная метрика была посчитана (см. табл. 1)

работы.

для тестов ТСИ и ТЗВ для следующих способов

Проверка надежности данных в тесте ТЗВ при

обработки:

помощи сравнения выделившейся группы стиму-

1. Выбор по минимальной оценке нормирован-

лов со всеми остальными стимулами по t-крите-

ных реакций только по каналу пневмограммы груд-

рию Стьюдента и U-критерию Манна-Уитни по-

ного дыхания (ДГ).

казало, что у некоторых испытуемых p-значение

2. Выбор по минимальной оценке нормиро-

превышает порог: p>0.05 (7 испытуемых из 23 по

ванных реакций только по каналу пневмограммы

t-критерию и 9 по U-критерию). Это может являть-

брюшного дыхания (ДБ).

ся показателем ненадежности данных. Поэтому

3. Выбор по максимальной оценке нормирован-

был произведен подсчет результатов с исключе-

ных реакций только по каналу КГР (КГР).

нием этих испытуемых из анализа. У всех остав-

4. Выбор по минимальной оценке нормирован-

шихся испытуемых обнаружено 100% совпадение

ных реакций только по каналу ФПГ (ФПГ).

с выбранными испытуемыми стимулами. Надо за-

5. Выбор по максимальной оценке суммарных

метить, что p-значения в данном случае расцени-

реакции КГР и ФПГ с весовыми коэффициентами

вались как показатели согласованности данных и

«+1» и «-1», соответственно (КГР-ФПГ).

не считались вероятностью ошибки принятия ре-

6. Тот же способ, но добавлялось сравнение вы-

шения о наличии значимого стимула. Такая оценка

бранной группы реакций со всеми остальными ре-

является отдельной сложной проблемой.

акциями по t-критерию Стьюдента и U-критерию

Таким образом, автоматическая оценка с объе-

Манна-Уитни с исключением всех данных по ис-

динением показателей КГР и ФПГ показала сопо-

пытуемому из подсчета итоговой оценки как нена-

ставимые с экспертной оценкой результаты, при

дежных при p>0,05.

этом повышая объективность, скорость обработки

7. Экспертные оценки.

и предоставляя возможности для оценки качества

входных данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные метрики эффективности для раз-

ВЫВОДЫ

личных вариантов обработки приведены в табл. 1.

Представленные выше результаты, в целом, под-

Анализ отдельных параметров до их объедине-

твердили полезность и эффективность предложен-

ния (пункты 1-4 таблицы) показал, что параметры

ного алгоритма оценки физиологических данных,

дыхания имеют высокую нестабильность. Поэтому

регистрируемых с помощью МРТсП. Получаемые

было принято решение не добавлять их в расчет

оценки дают возможность перейти к автоматиче-

обобщенных коэффициентов, чтобы не ухудшать

скому анализу полиграмм для комбинирования с

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

128

Д.Г. МАЛАХОВ и др.

другими методами исследования нейрокогнитив-

при проведении исследований человека. Вестник Воен-

ных процессов, в частности, фМРТ.

ного инновационного технополиса «ЭРА». 2020, т. 1,

№1, с. 112-116.

Была установлена практическая применимость

фиксированных весовых коэффициентов «+1» и

5. Zakharova N.V., Svininnikova M.A., Bravve L.V.,

«-1» для КГР и ФПГ соответственно для автома-

Mamedova G.S., Kaydan M.A., Maslennikova A.V.,

Orlov V.A., Kartashov S.I., Kholodny Y.I., Ushakov V.L. //

тического анализа с получением результатов, сопо-

Induced Delusional Disorder (Folie à Deux). The accuracy

ставимых с экспертной оценкой. Применен способ

and utility of polygraph testing (Department of Defense,

оценки качества входных данных, позволивший

DC). Polygraph. 1984, v. 13, №1, р. 54.

ввести объективный критерий для исключения

6. The accuracy and utility of polygraph testing (Department

ненадежных входных данных в автоматическом

of Defense, DC) // Polygraph. 1984, v. 13, №1, р. 54.

режиме и, таким образом, превысить точность

7. Захарова Н.В., Ковальчук М.В., Костюк Г.П.,

экспертной оценки. Возможно дальнейшее повы-

Бравве Л.В., Кайдан М.А., Карташов С.И., Малахов Д.Г.,

шение эффективности данной технологии при по-

Холодный Ю.И. // Возможности прикладного использо-

мощи варьирования параметров и применения аль-

вания полиграфа для изучения негативной симптома-

тернативных вариантов предобработки сигналов.

тики больных параноидной шизофренией. Психическое

здоровье. 2019, №12, с. 50-60.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

8. Петров А.М., Мягких С.Г. // Из записной книжки по-

1. Kovalchuk M.V., Kholodny Y.I. // Functional magnetic

лиграфолога: Справочное пособие для специалистов, ис-

resonance imaging augmented with polygraph: new

пользующих полиграф при опросе граждан. - Пермь: ИД

capabilities.

Advances in Intelligent Systems and

«Компаньон», 2003, 202 с.

Computing(eBook),

2019, р.

260-265. (https://doi.

9. Оглоблин С.И., Молчанов А.Ю. // Инструменталь-

org/10.1007/978-3-030-25719-4).

ная «детекция лжи»: академический курс. - Ярославль:

2. Kholodny Y.I., Kartashov S.I., Malakhov D.G.,

Нюанс, 2004, 464 с.

Orlov V.A. // Study of Neu-rocognitive Mechanisms in the

10. Черепанова И., Петров А., Мягких С. // Детектор

Concealed Information Paradigm. Advances in Intelligent

правды. - М.: Изд. «КСП+», 2004, 314 с.

Systems and Computing. 2020, р. 149-155. (https://doi.

org/10.1007/978-3-030-65596-9).

11. Леонтьев К.А., Панин С.Д. // Оценка полиграмм,

полученных в ходе криминалистического исследования

3. Kholodny Y.I., Kartashov S.I., Malakhov D.G.,

с применением полиграфа. Юридическая психология.

Orlov V.A. // Improvement of the Technology of fMRI

2014, №2, с. 33-37.

Experiments in the Concealed Information Paradigm.

12. The polygraph and lie detection. - Washington: The

Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020,

National Academy Press. 2003, р. 314.

р. 591-597. (https://doi.org/10.1007/978-3-030-65596-9).

13. Krapohl D.J., Show P.K. // Fundamentals of polygraph

4. Ковальчук М.В., Холодный Ю.И., Карташов С.И., Ма-

practice. San Diego: Academic Press, 2015, р. 96.

лахов Д.Г., Орлов В.А. // Комплексное применение фМРТ

и МРТ-совместимого полиграфа: новые возможности

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021