Введение к работе
Актуальность темы. Проблема выделения сигнала из шума является одной из глобальных технических задач. Причем иногда отношение сигнал/шум меньше единицы. В данной работе предлагается решение задачи выделения сигнала из шума в условиях превышении шума над сигналом. Реализация разработанной методики показана на примере выделения биоэлектрического сигнала головного мозга - вызванного потенциала (ВП), который получается в ответ на предъявление кратковременных стимулов [вспышка света, звуковой щелчок, электрические импульсы). Техническая !адача выделения- сигнала из шума решалась в рамках темы по созданию измерительно - вычислительного комплекса (ИВК) для медацинских^исследо-юний.
В настоящее время методы борьбы с шумами разработаны достаточно сорошо. Однако, несмотря на это, существуют определенные трудности при «пользовании приемов, которые достаточно просто могут быть реализована при выделения сигналов от технических объектов, но практически нереа-шзуемы при решении задач выделения биоэлектрических сигналов. В дан-юм случае, возникает проблема, связанная с особенностями рассмотрения, іеловека как объекта исследований. Наличие нестационарности, связанной с тсодом параметров сигнала с течением времени при длительном обследова-іии пациента - отличительная черта большинства сигналов, с которыми при-:одится работать при медицинских исследованиях. Кроме того, наличие ар-ефактов обычно превосходящих амплитуду регистрируемых сигналов ска-ывается на специфике выделения информативной составляющей-сигнала.
При регистрации ВП возникает дополнительная проблема связанная с его ильным зашумлением (отношение сигнал/шум в решаемой задаче порядка -О дБ). Поэтому в настоящее время возможно получать лишь сильно усред-енный сигнал, лишенный индивидуальных признаков. Кроме того, необ-одимо длительное проведение обследования.
Технологические приемы, связанные с построением схем на малошумя-іих элементах в данном случае уже практически исчерпаны. Это объясняет-я особенностью формирования сигнала ВП. Поэтому выход из сложившего-я положения видится в разработке.алгоритмических способов качественно-э подавления шума. Реализация многих методов математической обработки чгналов возможна лишь с использованием быстродействующих ЭВМ. Во ногих случаях компьютеры стали элементом измерительной установки, :уществляя, таким образом, совмещение процесса измерения, обработки и іравления вспомогательным оборудованием.
Таким образом, разработка ИВК является перспективным направлением ^следований. Особенно актуальной является задача создания ИВК для ме-
дицинских исследований т.к. медицина в первую очередь касается каждого из нас.
Так как организм представляет собой сложноорганизованную систему, где все органы действуют совместно друг с другом, то целесообразно проводить научные исследования, одновременно рассматривая параметры работы различных систем организма. В связи с чем весьма актуальной является задача создания многоканального и многофункционального ИВК для исследования биоэлектрических сигналов.
В последнее время в лечебных учреждениях начали широко применять электромагнитные (ЭМ) методы лечения различных заболеваний. Особую роль здесь играют низкоинтенсивные ЭМ волны в миллиметровом диапазоне (миллиметровая или КВЧ-терапия).. Эффективность КВЧ-терапии не уступает, а в ряде случаев выше медикаментозных методов. Однако, в настоящее время, еще не до конца изучено влияние параметров излучения на организм человека. Поэтому разработка ИВК сочетающих в себе современные методы обработки данных и позволяющих исследовать различные виды терапевтических воздействий в настоящее время является актуальной задачей.
Целью данной работы является совершенствование методов выделения
сигналов на фоне превосходящих шумов и создание по результатам работы
ИВК для научных исследований. ,
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
]) проанализировать известные методы выделения сигнала из шума и определить наиболее эффективные из них для выделения слабых биоэлектрических сигналов;
2). разработать способ выделения сигнала из шума при превышении уровня помехи над сигналом, позволяющего улучшить выделение индивидуальных признаков информационного сигнала путем более эффективного подавления шума;
-
разработать методику определения.реакций сложной биоэнергетической системы на воздействия сигналов подпороговой интенсивности;
-
разработать способ, позволяющий корректно сравнивать несколько' серий экспериментов, длительных по времени, в условиях постоянно меняющегося состояния исследуемой системы;
-
разработать и создать ИВК для научных исследований и программное обеспечение к нему;
Методы исследования. В работе использовались основные положения ли- _ нейной теории предсказания, рекуррентные алгоритмы оценивания параметров сигнала, регрессионный анализ, математическая статистика, дифференциальное и интегральное исчисление, элементы матричной алгебры, имитационное моделирование. Моделировгаше проводилось с применением про-
граммного продукта Electronics Workbench. Программирование для обеспечения работоспособности комплекса осуществлялось в интегрированных средах Turbo Pascal, Turbo Vision и Delphi. Результаты исследований анализировались с использованием пакета прикладных программ Mead.
Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:
-
разработана методика выделения сигнала из шума, основанный на учете фазовых соотношений усредняемых интервалов и. позволяющий более эффективно по сравнению с традиционными способами подавлять шумовую компоненту регистрируемого сигнала;
-
предложена методика прогнозирования развития сигнала основанная на статистической структуре организации его основных,ритмов и позволяющая снизить трудоемкость прогнозирования поведения сигнала;. \
-
разработана методика косвенной оценки действия сигналов подпоро-говой интенсивности, основанная на анализе изменения компонент состав-пяющих сигналов, полученных в результате формирования последовательности данных на основе пересекающихся выборок;
-
на основании проведенных экспериментальных исследований биоэлектрических процессов при информационном воздействии электромагнитным излучением (ЭМИ) миллиметрового диапазона предложен способ по-, сального воздействия КВЧ ЭМИ несколькими частотами одновременно;
-
разработан и изготовлен ИВК, осуществляющий сбор информации, юстэкспериментальиую обработку интересующих сигналов и адаптивное отравление периферийным оборудованием ориентируясь на результаты магматической обработки полученные данных, осуществляемой в реальном іасштабе времени. „
Практическую ценность работы составляют: *
-
разработанный ИВК, алгоритм его работы и соответствующее программное обеспечение к нему;
-
методика выделения сигнала из шума;
-
методика прогнозирования сигнала; .
-
методика оценки подпороговых воздействий на основе косвенных измерений; .
-
методика проведения эксперимента для корректного сравнения влияния нескольких возмущающих воздействий в условиях изменчивости объекта исследования;
-
устройство одновременного локального'облучения КВЧ ЭМИ генераторами различных частот:
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты док-иывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-чнкческой конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и іфорчатика - 99» (г. Зеленоград, 1999); .Международной научно-
технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999); Международной конференции «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (г. Москва, 1999).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 7 печатных работ, из них 1 статья в центральной печати. Кроме тбго, принято положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 128 наименований и 2 приложений. Общий объем работы составляет 237 страниц машинописного текста и включает в себя 72 рисунка и 3 таблицы, в том числе 52 страницы приложений.