Научные исследования по адаптивной первичной обработке биоэлектрических сигналов
Среди задач, решаемых научной школой РЭИС ЖС и кафедрой МРЭ ГУАП, научные проблемы играют ключевую роль, поскольку позволяют еще и повысить качество обучения студентов. Одной из них, поддержанной грантом РФФИ, является научная работа «Разработка метода и устройства для информационной системы с адаптивной аналого-цифровой обработкой сигналов биоэлектрической активности клеток, тканей и органов живых систем». Конкретной задачей данной НИР является создание метода и устройства адаптивной аналого-цифровой обработки сигналов биоэлектрической активности клеток, тканей и органов живых систем с целью применения в аппаратно-программном комплексе информационной системы, предназначенной для экспериментальных и теоретических исследований сигналов нормальной и патологической биоэлектрической активности кардиосистем животных и человека в доступных на сегодня для регистрации амплитудном и частотном диапазонах (АЧД). Подобное устройство будет необходимо и при решении многих других задач электрофизиологии.
Аппаратная реализация расширения АЧД регистрации и обработки биоэлектрических сигналов (БЭС) связана с использованием максимальных возможностей современной элементной базы электроники: низкошумящих усилителей с наиболее высокими значениями коэффициентов усиления в широкой полосе частот, а также высокоскоростных и высокоточных аналогово-цифровых преобразователей и сигнальных процессоров. При этом необходимо учитывать широкие диапазоны изменения амплитудно-частотных характеристик обрабатываемых БЭС у разных объектов исследований и наличие помех различной природы, связанных как с жизнедеятельностью биообъекта, так и с внешними источниками электромагнитных полей (ЭМП). Например, для электрокардиосигнала (ЭКС) амплитуда R-зубца у разных людей может изменяться более чем в 10 раз, т.е. диапазон изменений самого крупного элемента кардиоцикла составляет 20 дБ. Это значит, что при аналого-цифровом преобразовании (АЦП) с разрядностью 16 бит для ЭКС с максимальной амплитудой может быть использована вся разрядность АЦП, т.е. 16 бит, а для ЭКС с минимальной амплитудой – только 12 бит. При этом необходимо учесть, что регистрация БЭС происходит при воздействии помех, что в свою очередь, еще более снижает эффективную разрядность АЦП. Степень этого снижения тем существеннее, чем ниже отношение сигнал/шум для регистрируемого БЭС. Таким образом, происходит безвозвратная потеря информативных составляющих БЭС, и, соответственно, снижение его диагностической значимости.
|
|
|
Амплитуды зубцов ЭКГ-сигналов варьируются в широком диапазоне, при этом в каждом отведении у зубцов ЭКС есть свои минимальные и максимальные значения. Автоматическая подстройка коэффициента усиления к уровню, отвечающему максимальной амплитуде ЭКС, расширяет динамический диапазон его регистрации и обработки, что, в свою очередь, значительно увеличивает количество информации, получаемой при оцифровке сигналов. При этом расчет коэффициентов подстройки в цифровой части системы (в микроконтроллере) позволяет сохранять и передавать эту информацию для дальнейшего учета значения изменения усиления в ходе вторичной обработки ЭКС.
|
|
|
Предельные величины элементов ЭКГ в норме приведены в [14]. Из этих данных можно сделать вывод, что изменение зубцов ЭКС происходит в диапазоне от -5,2 мВ до 26 мВ. Для каждого отведения и зубца устанавливается свое минимальное и максимальное значение. Например, отведение V2 R-зубец минимальное значение 0,9 мВ и максимальное 12 мВ, что дает соотношение между минимальным и максимальным значениями в 13 раз, а в отведении III R-зубец имеет минимальное значение 0,5 мВ и максимальное 15 мВ, что соответствует отношению в 30 раз. Соответствующая автоматическая подстройка усиления к уровню, близкому к максимуму, расширяет динамический диапазон регистрации и обработки ЭКС, что в свою очередь значительно увеличивает количество информации получаемой при оцифровке сигналов.
|
|
|
Необходимо также учитывать изменчивость частотного состава как самих БЭС, например, появление высокочастотных (ВЧ) диагностически значимых составляющих в ЭКС, так и помех, связанных с их регистрацией, например, наличие дополнительных источников ЭМП.
Для устранения описанного влияния изменчивости характеристик сигналов на точность их регистрации необходимо разработать способ адаптивного регулирования параметров технических средств, используемых при их обработке. Решение указанных выше проблем является особенно актуальным для методов регистрации и обработки БЭС в расширенных АЧД. Новый метод электрокардиографии, разработанный НОЦ БРЭИ, а именно, метод электрокардиографии сверхвысокого разрешения (ЭКГ СВР) [12], предназначен для выявления не известных ранее низкоамплитудных и ВЧ- информационных составляющих ЭКС – микропотенциалов. Создание информационной системы на базе метода ЭКГ СВР, разработка средств съема и обработки биоэлектрических сигналов [13], а также многоканальных информационных систем [9], ставит своей целью в дальнейшем не только выявить новые, не известные на сегодня признаки кардиопатологий и, что самое главное, на ранних стадиях их развития [16](нс), но также более точно диагностировать протекание кардиозаболеваний на всех стадиях, и существенно улучшить диагностическую ценность уже существующих методик.
|
|
|
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.
1. Рассмотрение известных способов адаптации параметров технических систем к характеристикам обрабатываемых БЭС, их предварительный анализ. Что позволяет сделать вывод о том, что использование только аналоговых или только цифровых способов адаптации не может привести к удовлетворительному решению указанных проблем: аналоговые способы отличаются сложной схемотехникой, а цифровые не оказывают необходимых воздействий на аналоговую обработку сигналов до АЦП.
2. Разработка метода адаптивного регулирования параметров технических средств, используемых для регистрации и обработки БЭС, в зависимости от характеристик данных сигналов. Этот метод должен комплексно сочетать в себе современные достижения в области аналоговой схемотехники, аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов. На основе данного метода будут разработаны соответствующие структурные схемы.
3. Для оценки эффективности этих схем проводится их моделирование в различных режимах и, в том числе, в процессе адаптации к особенностям сигнала.
4. Разработка методов повышения точности синхронизации циклов БЭС на примере кардиоциклов, что обусловлено необходимостью использования синхронного анализа электрокардиосигнала для выделения его низкоамплитудных информационных составляющих на фоне значительных широкополосных помех. Решение задачи высокоточной синхронизации ЭКС осложнено его квазипериодичностью, что, в частности, исключает в существующих методах электрокардиографии применение синхронного анализа на всех участках кардиоцикла кроме района R-зубца. При этом современные методики обладают столь низкой точностью синхронизации, что синхронный анализ даже QRS-комплекса в целом значительно затруднен.
5. Разработка способов обнаружения характерных точек QRS-комплексов ЭКС с использованием различных технических и алгоритмических средств, в том числе, многоотсчетных алгоритмов [17](нс). Вариабельность ритма электрокардиосигналов, свойственная человеку и изменяющаяся в зависимости от его состояния и условий регистрации, а также различия в форме ЭКС у разных людей значительно осложняют обнаружение таких характерных точек кардиосигнала.
6. Предполагается найти в адаптации параметров процедуру обработки ЭКС на основе предварительного анализа его структуры с целью синхронного анализа на всем протяжении кардиоцикла [18](нс). При этом процедуры адаптации будут включать в себя оценку амплитуды, формы и частотного состава предварительно регистрируемого ЭКС. Это позволит в реальном времени оптимально варьировать частотные диапазоны, величины коэффициентов усиления и другие характеристики обработки сигналов в каждом из отведений.
Схема устройства, отвечающая поставленной цели (см. рис.1), состоит из аналогового и цифрового блоков. Аналоговый блок, в соответствии со способом двухканальной частотной обработки ЭКС с каждого отведения, подробно описанный в [15], имеет НЧ- и ВЧ-канал, реализованные с помощью частотно-селективных и масштабирующих усилителей с управляемыми параметрами. Сигналы управления его частотными полосами пропускания и коэффициентами усиления поступает из формирователя сигналов управления, находящегося в цифровом блоке. Управление параметрами аналоговых узлов происходит с использованием резисторных матриц, установленных в цепях отрицательной обратной связи этих узлов.
Рис. 1. Структурна схема устройства с адаптивным регулированием параметров
для обработки ЭКС по методу ЭКГ СВР
Для выделения низкоамплитудных компонентов ЭКС в схеме осуществляется высокоточное аналогово-цифровое преобразование. Для его реализации была разработана система двухступенчатой первичной цифровой обработки сигналов с определением на первой ступени грубого значения амплитуды ЭКС (блок АЦП 1), а на второй – его точного значения, благодаря использованию максимальных возможностей высокоразрядного (24 бит) многоканального аналого-цифрового преобразования (блок АЦП 2) с повышенной тактовой частотой (6 кГц) в определенном на первой ступени узком амплитудном диапазоне. Таким образом, блок АЦП 1 (вспомогательный) служит для грубого определения уровня поступившего сигнала и имеет высокую скорость преобразования, блок АЦП 2 (основной) предназначен для точной оцифровки поступившего сигнала и имеет высокую разрешающая способность.
В микроЭВМ формируются сигналы управления для аналогового блока и для основного блока АЦП 2, а также в ней осуществляется предварительная цифровая фильтрация ЭКС и формирование данных для их передачи в персональный компьютер через USB-порт.
Следует еще раз подчеркнуть, что высокоточная синхронизация БЭС также невозможна без использования адаптивных процедур и ее решение также обеспечивается при разработке метода и устройства адаптивной аналого-цифровой обработки БЭС. Они
будут использованы в аппаратно-программном комплексе информационной системы, предназначенной для регистрации и обработки ЭКС в расширенных АЧД, а также при исследованиях других видов биоэлектрической активности клеток, тканей и органов живых систем.
Работа выполняется при финансовой поддержке РФФИ, грант № 13-07-00886А.
Литература
1. Краснова А.И. Прикладная информатика в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных исследованиях по вторичной обработке биоэлектрических сигналов. / А.И. Краснова // Настоящий сборник.
2. Михайлов В.Ф. Инфокоммуникационные технологии в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных разработках систем связи для телемедицины. / В.Ф. Михайлов // Настоящий сборник.
3. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. / Под ред. Я.Д. Ширмана. – М.: Радиотехника, 2007. – 512 с.
4. Биорадиолокация. / Под ред. А.С. Бугаева, С.И. Ивашева, И.Я. Имморева. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 396 с.
5. Зайченко К.В., Кулыгина Л.А., Боковенко М.В. Технические методы лечебного применения электромагнитных полей и излучений: Учебное пособие. / Под ред. К.В. Зайченко. – СПб: ГУАП, 2008. – 120 с.
6. Зайченко К.В., Кулыгина Л.А., Гуревич Б.С., Кривохижина О.В. Технические
методы лечебных воздействий. Ультразвуковая и лазерная терапия: Учебное пособие. – СПб: ГУАП, 2011. – 110 с.
7. Пахарьков Г.Н. Биомедицинская инженерия: проблемы и перспективы: Учебное пособие. – СПб: Политехника, 2011. – 234 с.
8. Биофизика: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. – 288 с.
9. Кулыгина Л.А. Способы реализации канала температурного анализа организма пилота для многоканальной бортовой системы безопасности полета. // Вестник аритмологии. Прил. А. – 2012. – С. 215.
10. Викторов В.А., Селищев С.В., Штарк М.Б. Направления, принципы интеграции медицинских и технических наук. // Труды международной конференции «Биомедприбор-2000», Т. 1. – М., 2000. – С. 10-13.
11. Чхинджерия А.Б. Риск и безопасность в тренажерных биотехнических системах. / А.Б. Чхинджерия // Настоящий сборник.
12. Зайченко К.В. От струнного гальванометра до электрокардиографии сверхвысокого разрешения. / К.В. Зайченко, А.В. Зяблицкий, А.И. Краснова, Т.В. Сергеев. // Биомедицинская радиоэлектроника. – М.: Радиотехника, 2010. – № 9. – С. 62-78.
13. Зайченко К.В., Кулыгина Л.А. и др. Съем и обработка биоэлектрических сигналов: Учебное пособие. / Под ред. К.В. Зайченко. – СПб.: СПбГУАП, 2001. – 140 с.
14. Основы физиологии человека. Учебник для высших учебных заведений под ред. акад. РАМН Б. И. Ткаченко. т.1, Межд. фонд истории науки 1994. с. 570.
15. Зайченко К. В., Сергеев Т. В. Аналоговая обработка электрокардиосигналов со сверхвысоким разрешением. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 3/2009. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009, с. 27-34.
16. Галагудза М.М., Зайченко К.В. Экспериментальные исследования на животных с использованием ЭКГ сверхвысокого разрешения как этап создания методологии и инструментария функциональной электрокардиографии ишемии./ М.М. Галагудза, К.В. Зайченко// Настоящий сборник.
17. Кузнецов А.А., Киселев Н.Н., Гуменный В.Г. Методы поиска характерных точек электрокардиосигнала и статистический анализ его морфологии/ А.А. Кузнецов А.А., Н.Н. Киселев, В.Г. Гуменный// Настоящий сборник.
18. Зайченко К.В., Горелова Н.А., Омельченко В.П., Поливанный Ф.Г. Частные решения процедур вторичной обработки ЭКС по методу ЭКГ СВР для поиска временных характеристик маркеров кардиопатологий./ К.В. Зайченко, Н.А.Горелова, В.П. Омельченко, Ф.Г. Поливанный// Настоящий сборник.
Краткие сведения об авторе
Кулыгина Людмила Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры медицинской радиоэлектроники Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП), e-mail kulygina.lyudmila@mail.ru; 195427, Санкт-Петербург, ул. академика Константинова, д. 10, корп. 1, кв. 49; тел. +7 (812) 4947024, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, + 7(911) 2513816.
Kulygina Ludmila Aleksandrovna, Ph.D., assistant professor of medical electronics department, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation (SUAI), e-mail kulygina.lyudmila@mail.ru; Academician Konstantinov st., 10-1-49; tel. +7 (812) 4947024, 190000, St. Petersburg, Bolshaya Morskaya st., 67, + 7(911) 2513816.
[*] (нс) – настоящий сборник
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 113; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!