Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в машиностроении, медицине, промышленности, и иных отраслях приходится сталкиваться с возрастающей сложностью объектов оперативного контроля. Возникает задача многоканальной регистрации и обработки колоссального объема данных и принятия оперативного решения по ним. Это ведет к ужесточению требований к информационно-измерительным системам (ИИС). Возникают большие, постоянно возрастающие объемы методов и средств для измерения и анализа сложных объектов. Ориентация в этом массиве затруднена в силу слабой структурированности его элементов; четко не определены законы добавления, корректировки и удаления элементов. Оперативное ужесточение требований к ИИС ведет либо к полной замене ИИС, либо существенной модификации (что требует привлечения временных, финансовых и иных ресурсов).
Примером сложной системы, требующей построения сложной ИИС является головной мозг человека. Требуется большое количество биотехнических моделей мозга и систем измерения его состояний. Синтез ИИС должен проводиться с использованием однозначных и воспроизводимых условий эксперимента (биоэлектрическая активность, состояние пациента технологические условия измерения). Это возможно эффективно провести, используя методы имитационного моделирования для синтеза ИИС.
Задачи при проведении измерительных экспериментов, связанных с анализом сложных объектов (головной мозг) постоянно меняются (особенно в научных исследованиях). Современной тенденцией развития ИИС, в общем, и биомедицинской техники для поддержки электроэнцефалографических (ЭЭГ) -исследований, в частности, является усложнение алгоритмов обработки полученной информации как на этапе сбора, так и на этапе анализа и интерпретации. Скорость изменения структуры ИИС не соответствует запросам изменения качества и количества требуемых на выходе значений.
Актуальна задача выработки единого подхода к процессу синтеза биомедицинских информационно-измерительных систем (ИИС), основанных на методе регистрации и анализа электрических потенциалов мозга. Концептуально решение задачи предлагается основывать на выделении базовой структуры совокупности преобразующих операций, названной модельным ядром электроэнцефалографической системы. При этом осуществляется описание её основных структурных элементов с целью унификации процессов синтеза методов и средств, упрощения использования существующими методами и средствами, как их разработчиками, так и пользователями. Это позволит формализовать и упростить процесс оперативного усовершенствования существующих ЭЭГ ИИС, являющихся сложными системами (требующими для их синтеза и анализа предварительной декомпозиции на составляющие).
Разработка системы компьютерной поддержки ЭЭГ-измерений, основанной на единой модели процесса зарождения, трансформации, съема и интерпретации сигналов позволяет оперативно осуществлять гибкую настройку функционала соответствующих систем в зависимости от конкретных задач исследования (в области диагностики, терапии и биоуправления). Построение моделей измерительных уравнений позволяет определять принятые измерительные про-
цедуры, что дает возможность решать задачи метрологического обеспечения БТС в целом, а не только отдельно их чисто инструментальной части.
Степень разработанности темы. Ввиду отсутствия целостности при рассмотрении процесса синтеза технического решения поддержки ЭЭГ-исследований вопросы построения систем для поддержки оперативного синтеза не рассматриваются. Современное решение проблемы системности основывается на понятии биотехнических систем (БТС), то есть особого класса технических систем, представляющих совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления. БТС рассматривается Ахутиным В.М., Попечителевым Е.П., Кореневским А.Н. и др. Понятие БТС можно расширить, если положить, что часть измерительных преобразований будет выполнять сам биологический объект. При этом осуществляется принцип «навязывания» структуры. Наличие структуры позволяет ставить задачу метрологического синтеза и дает вариант её решения. Описанный подход получил название «биоинструментальный» и в настоящее время эта теория активно развивается на кафедре Вычислительной техники ВолгГТУ под руководством Мухи Ю.П. Этот подход позволяет решать задачи в рамках теории метрологического анализа и синтеза, разрабатываемого, в частности, Цветковым Э.И. Проблема многоканальности биомедицинских ИИС освещена в работах Литовкина Р.В. Кроме того, общие вопросы синтеза ИИС разрабатывались, Новоселовым О.Н., Фоминым А.Ф., Заико А.И. и д.р., но без привлечения современного объектно-модульного подхода. В настоящее время большую популярность получили системы компьютерного моделирования, такие как Lab View и MATLAB, позволяющие моделировать сложные модульные ИИС. Однако эти системы являются закрытыми и не поддерживают идеологию метрологического синтеза биоинструментальных ИИС; расширение функционала, в частности, для ЭЭГ ИИС в разных системах лишено универсальности.
Целью работы является разработка системы для поддержки оперативного синтеза электроэнцефалографических ИИС в условиях возрастающего объема измерительной информации.
Задачи работы:
-
Систематизировать базовые методы и средства, применяемые при построении ИИС для поддержки электроэнцефалографических исследований с составлением их иерархии на основе формализации процесса формирования биоэлектрической активности головного мозга с использованием достижений современной физиологии и биофизики и выделением проблем при регистрации и интерпретации электроэнцефалографических данных;
-
Формализовать метод оперативного синтеза ЭЭГ ИИС, с разработкой метода формирования его базовой структуры и установлением порядка добавления, изменения и удаления элементов, а также порядка их взаимодействия;
-
Применить метод синтеза ЭЭГ ИИС для формализации преобразователей конкретных информационно-измерительных потоков, возникающих в типовых ЭЭГ ИИС с созданием ее модельного прототипа средствами современных языков программирования высокого уровня;
-
Используя модельный прототип ЭЭГ ИИС, создать программный модуль для поиска метода оперативной фильтрации многоканальных ЭЭГ-сигналов, устраняющую артефакты на электроэнцефалограммах;
5. Применить разработанный метод для создания программного комплекса генерации биоэлектрической активности и модуля постобработки данных в ЭЭГ ИИС с апробацией спроектированных и запрограммированных фильтров.
Объект исследования. Информационно-измерительные системы для исследования биоэлектрической активности мозга человека.
Предмет исследования. Процесс синтеза сложных ИИС для электроэнцефалографических измерений с возможностью их оперативной модификации при возрастающем объеме данных измерений и ужесточения условий их получения.
Основные методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы теории функциональных систем в биологии и медицине, методы биомедицинского анализа электроэнцефалографических сигналов, системного анализа, структурные методы проектирования систем, теория множеств, теория категорий и функторов, методы объектно-ориентированного моделирования (ООМ) и программирования (ООП), математические методы анализа временных рядов, методы цифровой обработки сигналов, методы имитационного моделирования, методы оптимизации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Принцип построения ИИС, базирующийся на математической теории категорий, функторов, принципах объектно-ориентированного моделирования с выделением базовой структуры преобразующих измерительных операций, представленной структурно-иерархической объектной моделью, позволяет формализовать оперативный синтез ИСС в рамках структурно-аналитического подхода с возможностью добавления, изменения и удаления функций в составе ИИС с разработкой модельного и программного прототипа ИИС.
-
Типовые структурные модели измерительных ситуаций электроэнцефалографического исследования, адаптированные для включения в модельное ядро биотехнической ЭЭГ ИИС, формализуют инструментальную часть ИИС и применимы для синтеза ЭЭГ ИИС и испытания ее опытных образцов методом имитационного моделирования.
-
Применение в алгоритмах цифровой обработки электроэнцефалографических данных методов дискретной вейвлет-фильтрации позволяет улучшить показатели диагностики состояний головного мозга в оперативном масштабе времени при наличии помех в регистрируемых данных.
Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Разработан принцип построения новых образцов ИИС, сокращающий временные затраты на их модификацию за счет сочетания теории метрологического синтеза, как математической формализации процесса создания ИИС, и объектно-ориентированного моделирования с теорией межмодульного взаимодействия.
-
Формализован процесс синтеза ИИС на основе выделения базовой структуры преобразующих операций, применительно для ЭЭГ измерений, обозначенной модельным ядром ИИС, позволяющим совершенствовать существующие и создавать новые образцы ИИС, улучшать их технические и эксплуатационные характеристики быстрее и качественнее чем существующие разрозненные инженерные методики.
-
Создан метод информационного обеспечения процесса синтеза ЭЭГ ИИС на основе формализации биотехнической системы, основанный на иерархическом представлении этапов формирования, трансформации, съема и интерпретации биоэлектрических сигналов мозга, позволяющий моделировать измерительные каналы ЭЭГ ИИС для оперативного выделения диагностических параметров при анализе состояний головного мозга.
-
Осуществлен синтез быстрых методов преобразования больших объемов электроэнцефалографических данных для оперативной диагностики состояний головного мозга, на основе дискретного вейвлет-преобразования, включенного в состав ЭЭГ ИИС, в отличие от применяющихся методов, не справляющихся с оперативной обработкой.
Практическая значимость заключается в следующем:
-
При помощи универсального языка моделирования (UML) осуществлен синтез прототипа базовых измерительных модулей биотехнической ЭЭГ ИИС. Средствами языка программирования высокого уровня создано программное обеспечение для поддержки метрологического синтеза на основе структурного состава ИИС.
-
Составлено техническое описание системы, реализующей конкретную модель каналов ЭЭГ ИИС с применением операции наследования от базовых измерительных модулей модельного ядра ЭЭГ ИИС: основные функции, порядок их взаимодействия, форматы данных на входах и выходах, что необходимо для реализации ЭЭГ ИИС.
-
Создан программный модуль обработки и анализа биоэлектрических сигналов для оперативной диагностики состояний головного мозга с применением фильтра, основанного на дискретном вейвлет-преобразовании.
-
Создан программный модуль-генератор цифровых данных биоэлектрической активности организма (электроэнцефалограмм, электрокардиограмм, вызванных потенциалов, сигналов кожно-гальванической реакции) с учетом индустриальных и биологических помех, артефактов и различных условий измерений.
-
Осуществлен синтез аппаратного модуля ЭЭГ ИИС на современной элементной электронной базе с применением алгоритмов быстрой обработки сигналов в программном коде.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы использованы в госбюджетной НИР в соответствие с темами: № 31-53/429-04 «Разработка методов синтеза сложных измерительных систем на базе нейронных сетей»; № 31-53/145-09; № 31-53/435-12 «Проектирование сложных измерительных комплексов» выполняемых на кафедре «Вычислительная техника» ВолгГТУ по плану Минобрнауки РФ. Отдельные результаты получены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., мероприятие 1.4, соглашение от 14.11.2012 г. № 14.А18.21.2081. Теоретические и практические результаты внедрены в учебный процесс ВолгГТУв дисциплинах «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий» и «Основы медицинских измерений». Результаты работы включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии» Волгоградского государственного медицинского университета.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректностью математических выводов, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.
Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры Вычислительная техника ВолгГТУ (Волгоград 2005-2012); ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (Волгоград 2005-2012); международных конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине»(Волгоград 2006, 2009); 7-й международной науч.-техн. конф. «Измерение, контроль, информатизация (ИКИ-2006)» (Барнаул 2006); II и III Всероссийских конференциях с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (Волгоград 2007, 2008); I, IV и V научных конференциях «Системный анализ в медицине (САМ)» (Благовещенск, 2007, 2010, 2011); Ежегодной всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов 2008); XII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2007); XV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2009); 15-м Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (Москва 2009); VI международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. БФФХ-2010»(Севастополь 2010); I и III Всероссийских научных школах для молодежи «Нейробиология и новые подходы к искусственному интеллекту и к науке о мозге» (Таганрог 2010, 2012); Всероссийской научной школе «Нейротехноло-гии 2010. Биоэкономика, основанная на знаниях: политика инновационного пути развития биотехнологии. БиоН-2010» (п. Бекасово Московской обл., 2010); X Международной научно-технической конференции «Распознавание - 2012», (Курск 2012); I и II МНПК «Инновационные информационные технологии» (г.Прага, Чехия 2012, 2013); XII Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы МИС-2012» (Таганрог 2012).
Соответствие паспорту специальности 05.11.16 - по п. 1 «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», п.4 «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем», п. 6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений». 05.11.17: пі.: «Исследование, разработка и создание медицинской техники, изделий, инструментов, методов и способов диагностики и лечения человека, которые рассматриваются как средства восстановления нарушенной поливариантной системы, представление которой возможно математической, физико- и биотехнической, механической моделью,
а также энергетической, физико- химической, химической, электрохимической моделью и т.д.»
Публикации Основные результаты исследования представлены в 39 работах, из них: 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 3свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора. Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя Мухи Ю.П. (работы [1]-[3],[5], [7]-[10],[12],[15]). В работах [4], [6],[7], [11], [14] разрабатывалась теоретическая база и осуществлялся расчет моделей. В [17] и [18] - программирование и выбор моделей и их параметров. В [19] - создание программной части, в [25], [26], [29], [30], [38], [39] - разработка метода синтеза ИИС, [28], [35] - постановка задачи синтеза ИИС, [33], [34], [36] - программирование прототипов моделей ИИС.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, литературы (192 источника), включает 153 страницы основного текста, 67 рисунков, 6 таблиц и 6 приложений на 47 страницах, содержащих детальное описание модели ядра ЭЭГ ИИС, исходные тексты программ, математические модели типовых измерительных преобразований ЭЭГ ИИС.
