Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и технические средства реализации компьютерного биоуправления 17
1.1. Способы биоуправления, основанные на биологической обратной связи с различной модальностью сигналов 17
1.2. Разработка технических средств, используемых в технологиях биоуправле-ния 37
1.3. Цель и задачи исследования 46
2. Материалы и методы исследований: 49
2.1. Общая характеристика больных. Системные методы оценки неиродинамическои активности мозга 49
2.2. Иерархия управления ритмом сердца на- основе информационного анализа 62
Выводы.второй главы 80<
3. Разработка структуры моделей в виде детерминированных паттернов световых и электрических веретен, направленных на трансформацию неиродинамическои активно стимозга 82
3.1. Способы формализации детерминированных моделей светового воздействия и приемы их биомодуляции 82
3.2. Исследование адекватности разработанных моделей цветостимуляции реальным электрофизиологическим процессам мозга 105
3.3. Разработка структуры биоциклических кодифицированных моделей паттернов электрических импульсов, направленных на торможение и активацию нейродинамических процессов мозга 118
Выводы третьей главы 123
4. Структура интегрированной информационной системы предназначенной для трансформации1 неиродинамическои активности мозга и последующей модификации функционального состояния 125
4.1. Разработка структуры биоуправляемого модуля директивной цветостиму-ляции в рамках интегрированной информационной системы модификации функционального состояния человека 125
4.2. Клиническая оценка эффективности использования модуля директивной цветостимуляции по данным психологического тестирования и ритмотестирования 139
Выводы четвертой главы 144
5. Разработка структуры компьютерного биоуправляемого модуля ЭЭГ тренинга и генерации ЭЭГ-подобных электро-стимулирующих сигналов в рамках интегированной информационной системы модификации функционального состояния человека 147
5.1. Разработка модуля регистрации электроэнцефалограммы 147
5.2. Структура управляющей оболочки биоуправляемого компьютерного модуля для ЭЭГ тренинга и генерации ЭЭГ-подобных сигналов с реализацией режимов записи «сырой» ЭЭГ и альфа-, бета- тренинга 163
Выводы пятой главы 171
6. Разработка структуры биоуправляемых аппаратных и микропроцессорных систем генерации ЭЭГ-подобных сигналов, предназначенных для усиления активности метаболизма мозга и нейродинамической активности центральной нервной системы 173
6.1. Структура модели биоуправляемого аппаратного электрического стимулятора мозга в ритмах электроэнцефалограммы. Структурная модель коррекции метаболических процессов головного мозга 173
6.2. Структура портативной биоуправляемой микропроцессорной биотехнической системы для генерации сигналов подобных ЭЭГ. Модели и алгоритмы управления процедурой модуляции 187
Выводы шестой главы 211
7. Разработка структуры портативной биотехнической системы для игрового тренинга 214
7.1. Медико-технические требования к разработке структуры биоуправляемого игрового тренинга. Портативное устройство игровой тренажер. Модели субсенсорного светового воздействия 214
7.2. Оценка эффективности биоуправляемых игровых стратегий 225
Выводы седьмой главы 232
8. Оценка эффективности электроэнцефалографического альфа-тренинга у больных с аддиктивными синдромами 233
8.1. Результаты клинической оценки успешности и эффективности альфа тренинга по структуре межволновых взаимодействий и на основе информационного анализа 233
8.2. Практические рекомендации 254
Выводы восьмой главы 261
Заключение 263
Список литературы 266
Приложение 297
- Способы биоуправления, основанные на биологической обратной связи с различной модальностью сигналов
- Способы формализации детерминированных моделей светового воздействия и приемы их биомодуляции
- Разработка структуры биоуправляемого модуля директивной цветостиму-ляции в рамках интегрированной информационной системы модификации функционального состояния человека
- Разработка модуля регистрации электроэнцефалограммы
Введение к работе
Определенные генетической детерминацией уровни приспособления человека к коренным изменениям современных условий жизнедеятельности не успевают вслед за динамично развивающимся технологическим окружением его реального существования. В результате столкновения таких противоречий в последние годы отмечается рост психосоматических расстройств и болезней регуляции. Все эти обстоятельства послужили генератором развития теоретических и практических исследований с использованием информационных технологий в сфере автономных биотехнических систем и компьютерных систем, агрегированных с аппаратными средствами для лечения, а также для поддержки принятия решений в области медицины, что существенно повышает качество медицинских услуг [118].
К их числу относятся и методы биоуправления, которые применяют в современных технологиях лечения аффективных нарушений, психосоматических заболеваний и аддиктивных расстройств [174,228].
Как известно целевой функцией ЭЭГ биоуправления является трансформация в нужном направлении нейродинамической активности мозга с последующей модификацией функционального состояния пациента. При этом пациент, используя различные стратегии отыскания психологического комфорта, меняет адекватно ему соответствующий и паттерн ЭЭГ.
Однако здесь существует проблема необходимости индуцирования состояния соответствующего достигнутому уровню целевой функции биоуправления. Между тем пациент не всегда и не быстро может отыскать это состояние и, тем более, длительно его удерживать. Не случайно по данным авторов [63] в первые дни лечения по разным причинам, в том числе из-за затруднений при освоении активного тренинга, требующего волевых усилий метода нейробиоуправления, прекратили лечение от 41% до 50% больных. Технологии биоуправления применяются, как самостоятельно, так и в сочетании с другими видами биоуправления. Для этих целей используют и компьютерный тренинг в виде игрового биоуправления [77,173].
Использование различных приемников регистрации параметров биологической обратной связи различной модальности, естественно, расширяет спектр приобретаемых навыков саморегуляции [36].
Однако здесь следует рассмотреть и недостатки игровых систем, работающих на принципах биологической обратной связи. Во-первых, техническая реализация данных игр осуществляется в около реальном времени. Во-вторых, тренинг во всех рассмотренных системах «БОС-ПУЛЬС» и им подобных, но с другими модальностями параметров биологической обратной связи, основан на управлении каким-либо одним параметром: частотой пульса, или амплитудой бета ритма электроэнцефалограммы, или концентрацией СОг в выдыхаемом воздухе [32, 56]. Использование различных модальностей биологической обратной связи в игровых системах тренинга привело к расширению арсенала игр, но не решило проблемы оптимизации игрового воздействия [119].
И, наконец, в-третьих, скорость перемещения виртуального соперника в последующем сеансе тренинга зависит от средней частоты пульса, достигнутой реальным соперником в предыдущем сеансе. Поэтому с каждым последующим сеансом достижение успеха становится все более проблематичным в связи с известными физиологическими ограничениями замедления частоты сердечных сокращений [215, 143].
Хронобиологические методы, основанные на мультипараметрической биологической обратной связи, как было установлено российскими учеными, относятся к наиболее корректным способам оптимизации воздействия при помощи любых технологий лечения. И, как оказалось, тому причиной является структура многочастотных кодов биоуправления физиологическими процессами. Также было установлено, что одночастотные воздействия организмом активно демпфируются на адресуемом уровне [40]. В связи, со сказанным актуальным является разработка программно-управляемых способов воздействия с использованием мультипараметрической биологической обратной связи [173, 117].
Структурные модели трехуровневых биотехнических систем, предназначенных для виртуального игрового тренинга, включающего видимое фоновое изображение, видимое фиксирующее изображение и квазиневидимое изображение на субсенсорном уровне, как в России, так и за рубежом отсутствуют.
Следовательно, разработка таких систем относится к актуальным задачам, существенно расширяющим эффективность лечения при помощи компьютерных игровых технологий реабилитации различных заболеваний человека.
Второй подход не медикаментозного воздействия базируется на принудительном или направленном навязывании определенного частотного спектра через оптический канал связи или посредством специальных электродов.
Частотная фотостимуляция используется и для без медикаментозной коррекции функциональных состояний человека, с формированием, так называемых, артифициальных стабильных функциональных связей (АСФС) [131]. Последующая активация АСФС, но только с той же частотой, приводит к воспроизводимым комплексным эффектам, сопровождающимся клиническими и электрофизиологическими изменениями [79].
Однако рассмотренные методы фотостимуляции лишь условно могут быть отнесены к хронобиологическим подходам, поскольку используют из реального многочастотного кода лишь одну частоту и не синхронизированную с другими биоритмами пациента.
В 1994 году Ф.А. Пятакович [95], используя принципы хронобиологии, научно обосновал рекомендации по разработке биотехнических систем цвето-стимуляции, в которых параметры цветового воздействия по интенсивности могут быть автоматически согласованы с параметрами биологической обратной связи посредством датчиков пульса и дыхания. Реализация, рассмотренных выше теоретических положений, была осуществлена в запатентованной биотехнической системе цветозвукостимуляции [14, 95, 96], в которой предъявляемым объектом служили два овала, с циклически изменяемой цветовой последовательностью, закодированной в виде того или иного паттерна ЭЭГ.
За десятилетие с 1994 по 2004 годы была проведена серия исследований, включавшая формирование медико-технических требований к разработке биотехнических систем, в которых предъявляемым объектом служили: два овала [96], четыре квадрата [161, 205], цветовые решетки [37, 165].
Проведенные, цитированными выше авторами, исследования продемонстрировали, что использование всех технологий биоуправляемой цветостимуляции обеспечивает на основе механизма резонансного захвата навязываемых частот, трансформацию паттерна ЭЭГ и как следствие модификацию функционального состояния пациента [106].
Однако подобные технологии воздействия не могут рассматриваться с позиций реабилитационной медицины, поскольку в них отсутствует элемент активного участия больного в процессе лечения [36].
Следовательно, разработка биотехнических систем директивного биоуправления, включающего воздействие при помощи цветостимуляции с мотивированным участием больного, является актуальным [108].
Однако в целом ряде случаев усвоение ритмов фотостимуляции у пациента оказывается не достаточным для использования данного метода лечения. Поэтому в таких ситуациях в арсенале врача должна быть система, включающая наряду с методами альфа, бета тренинга, биоуправляемой цветостимуляции еще и методы биоуправляемой электростимуляции мозга.
Из литературы известен, названный авторами, полифункциональный мультипараметрический комплекс для биоуправления [2]. Многоканальный задающий генератор комплекса формируюет эталонные (навязываемые) процессы, законы, изменения которых выбираются из библиотеки или создаются пользователем произвольно. Система позволяет использовать и фрагменты за 9
писи реальных физиологических сигналов и их параметров, полученных от здорового человека или от самого пациента в период ремиссии.
Однако в рассматриваемом полифункциональном комплексе не предусмотрены датчики для синхронизации с биоритмами пациента и отсутствует биологическая модуляция навязываемых искусственно синтезируемых сигналов.
По данным литературы современная технология биоуправления включает, как правило, использование цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), обеспечивающих предварительную обработку входных сигналов (фильтрация, анализ спектра). Такой подход освобождает процессор компьютера от подобной обработки и переключает его на сервисные функции [57, 133]. Несмотря на высокую надежность рассмотренной системы, такая архитектура не отличается гибкостью, так как невозможно/произвести модернизацию системы без ее замены целиком [83, 41, 52,135].
В настоящее время более актуальной является практика модульного построения программного обеспечения, при котором система разбивается на ряд функционально законченных модулей, причем каждый модуль имеет свой интерфейс и набор команд его использования [157].
Ядром программного обеспечения служит «Диспетчер данных», который обеспечивает необходимую связь внутри системы, между модулями, между клиентской и серверной частью, а также возможность прозрачной работы модулей в сети [132].
Таким образом, резюмируя представленные материалы, следует подчеркнуть, что использование различных методов биоуправления для лечения широкого класса заболеваний требует решения проблемы оптимизации воздействия» на основе биологической обратной связи, а также диагностической проблемы оценки успешности и эффективности проведенного тренинга. Направление работ, рассматривающих эту проблему в соответствии с фундаментальными принципами хронобиологии, основанными на мультипара-метрической обратной связи, следует признать, как наиболее перспективное.
Следовательно, проблема оптимизации воздействия при помощи, например, биоуправляемой электростимуляции мозга ЭЭГ-подобными сигналами, или биоуправляемой директивной цветостимуляции может быть решена на основе разработки технических средств, обеспечивающих модуляцию несущего терапевтического сигнала при помощи основных биоритмов пациента.
С позиций практической реализации, представленных выше фундаментальных положений хронобиологии, могут быть рассмотрены три подхода.
Первый связан с разработкой биоуправляемых портативных устройств, работающих на основе цифровых сигнальных процессоров и обеспечивающих интерфейс с персональным компьютером.
Второй подход направлен на разработку автономных портативных биотехнических систем, как, например, биоуправляемых генераторов ЭЭГ— подобных сигналов, или микропроцессорных систем, реализующих сценарии игрового тренинга на основе мультипараметрической обратной связи.
Третье направление позволяет создавать интегрированные биотехнические системы. Они имеют в своем составе набор необходимых модулей, которые включают принципы применения технологий биоуправления: БОС ЭЭГ-терапии (альфа и бета тренинга), биоуправляемой электростимуляции мозга ЭЭГ-подобными сигналами, биоуправляемой директивной цветостимуляции и игрового биоуправляемого тренинга.
Настоящее исследование выполнено в соответствии с планами проблемной комиссии по хронобиологии и хрономедицине РАМН, а также с одним из основных научных направлений БелГУ: «Разработка универсальных методологических приемов хронодиагностики и биоуправления на основе биоциклических моделей и алгоритмов с использованием параметров биологической обратной связи», а также при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» по проекту: РНП.212.3.3.3301 «Разработка моделей и алгоритмов на основе биологической- обратной связи для сетевой интегрированной системы коррекции нарушений центральной нервной системы и модификации функционального состояния школьников и учащейся» молодежи».
Способы биоуправления, основанные на биологической обратной связи с различной модальностью сигналов
В последние годы для лечения широкого круга психосоматических заболеваний, кардиологической патологии, гастроэнтерологических заболеваний, в акушерской практике и, особенно, для коррекции аддиктивных синдромов, к которым относится, психологическая булимия, алкогольная и наркотическая зависимость, стали использовать технологии биоуправления.
Существует такая точка зрения М.Б. Штарка [172], высказанная им в 1993 году по приоритету развития методов биоуправления: «Началом использования ЭЭГ-тренинга в качестве системы, модифицирующей деятельность церебральных структур, меняющей электрические параметры мозга и внутреннее состояние, по-видимому, являются работы Г.Уолтера и Н.П. Бехтеревой, проведенные более 40-50 лет тому назад, предложивших световую стимуляцию, частота и характер которой определялись характером ЭЭГ-волн (1963). Именно эти работы показали возможности и пути изменений характера ЭЭГ методами биоуправления и, одновременно, психические метаморфозы пациентов».
После такой ремарки, прежде всего, на наш взгляд, следует рассмотреть терминологические вопросы. Поскольку, как в России, так и за рубежом используют самые разнообразные термины: «биологическая обратная связь», «биоадаптивное управление», «адаптивное биоуправление», «функциональное биоуправление», «биоадаптивная нейрореабилитация», нейрофидбек, «нейро-терапия» или «нейробиоуправление», альфа-тренинг, методы биоуправления с использованием ЭЭГ обратной связи, БОС-терапия [15, 16, 17]. По первому впечатлению от названия той или иной работы трудно решить к какому разделу естественных наук относится это исследование: к биологическим, физиологическим, или клиническим. В связи, с чем отдельные авторы [44] предлагают использовать в качестве основного понятия «биологическая обратная связь» (БОС). Присоединив к этой аббревиатуре термин терапия с конкретной физиологической направленностью авторы считают, что можно придать ему клинический смысл: БОС-терапия, БОС-КГР-терапия (КГР-кожная гальваническая реакция), БОС-бета/тета-терапия и т.д., а для неклинических целей использовать термин БОС-тренинг.
Метод биологической обратной связи (БОС), в английском варианте — biofeedback [215, 216, 220], по мнению [93] возник в конце 50-х годов прошлого века. Зарождению метода способствовал ряд научных открытий — а) работы N.Miller [215] по выработке у животных висцеральных условных рефлексов (УР) оперантного типа; б) данные М.В. Sterman [235] о повышении порогов судорожной готовности после условнорефлекторного усиления сенсомоторного ритма в центральной извилине коры головного мозга как животных, так и человека; в) открытие J. Kamiya [202] способности испытуемых произвольно изменять параметры своей электроэнцефалограммы (ЭЭГ) при наличии обратной связи об их текущих значениях. 70-е годы прошлого столетия в истории развития БОС-технологий отмечены были небывалым общественным интересом к так называемому альфа-обучению и альфа-состояниям, обусловленным усиленным альфа-ритмом в ЭЭГ человека.
Научным базисом для развития нового направления послужили такие направления, как общая и прикладная психофизиология, а также теория условных рефлексов (УР) инструментального или оперантного типа. Уже первым исследователям этого нового направления было понятно, что оперантный условно рефлекторный контроль нейродинамической активности мозга и автономной нервной системы (АНС) будут иметь широкое практическое применение.
По поводу эффективности методов биоуправления с использованием ЭЭГ обратной связи среди исследователей не было единогласия на протяжении тридцати лет. Впервые положительные результаты альфа тренинга, связанные с усилением релаксации и усилением продуктивной умственной деятельности были получены американскими исследователями D. P. Nowlis [219]; J. Kamiya [202]; В. Brown [187]; J. J. Lynch, D. A. Paskewitz [210]. Особенно впечатляющие результаты были получены при использовании альфа тренинга при лечении алкогольной зависимости [221, 222]. Однако существовавшие в то время несовершенства технологии лечения (протокола) позволили отдельным исследователям высказать сомнения о связи эффекта с биоуправлением [220, 229]. Одной из нерешенных проблем использования биоуправления с обратной связью является отсутствие надежно обоснованных программ тренировки, коррекции и реабилитации [154,180]. Некоторые исследователи [139] усматривали следующие препятствия на пути повсеместного распространения биоуправляемых технологий лечения в шестидесятые и даже семидесятые годы прошлого столетия: 1. Низкий уровень мотивации пациентов (учеников) в режиме канонического biofeedback.
Способы формализации детерминированных моделей светового воздействия и приемы их биомодуляции
Для исследовательских целей изучения активности нейродинамических процессов мозга нами использована биотехническая система, предназначенная для нейробиоуправления и включающая модуль анализа ЭЭГ (Бослаб БИ-02, версии 5-1.5-23, 2006). Если регистрировался выраженный альфа-ритм при закрытых и открытых глазах, то такой паттерн ЭЭГ относили к высокопластичному типу. В том случае, если регистрировался выраженный альфа-ритм только при закрытых глазах, то такой паттерн ЭЭГ считался как среднепластичный тип. При регистрации низкой амплитуды альфа-ритма и при закрытых и при открытых глазах - паттерн ЭЭГ относили к низкопластичному типу. Эти три паттерна ЭЭГ, как правило, встречаются у компенсированных больных без невротических проявлений.
Невротическая ЭЭГ тормозного типа с явлениями депрессии характеризуется ядром в области 0-ритма, не меняющемся при фотостимуляции и гипо-вентиляции. Невротическая ЭЭГ возбудимого типа характеризуется ядром в области 0-диапазона, которое тесно связано с 3-активностыю (0-3 функциональное ядро). Циклотимическая ЭЭГ характеризуется ядром в области 0-ритма, который локализован в височном отделе правого полушария или диффузно распространен на другие отделы мозга.
Дополнительно проводилось психологическое тестирование по шкале Спилбергера для определения уровеня ситуативной и личностной тревожности. Как правило, в большинстве случаев метаболические процессы в организме человека и электрогенез кардиограммы или энцефалограммы описывают с помощью вероятностных или детерминированных моделей. Последние, как известно, могут содержать как функциональные, так и логические связи и, кроме того, повторяющиеся структурные зависимости, описываемые посредством графов, матриц или формул, или способов кодирования информации. Структурные модели могут относиться к открытым системам с незамкнутыми контурами управления, в которых реализуется управление с регулированием по возмущению. В этих системах не учитывается информация о результатах регулирования, а используется лишь информация о величине возмущения. В структурных моделях с замкнутыми контурами реализуется управление с регулированием по отклонению. В таких системах за счет обратной связи постоянно учитывается информация о результатах регулирования. Это делает систему саморегулирующейся и замкнутой. Структурные модели используют главным образом для моделирования целых систем управления в организме. Для медицинских приложений, как правило, количественная формализация модели отсутствует. Связано это с большими трудностями получения информации о передаточных функциях и уравнениях взаимосвязей внутри систем регулирования по причине отсутствия возможности измерения главных регулируемых параметров. Поэтому часто прибегают к измерениям второстепенных параметров, но зато доступных для количественной регистрации. Таким образом, такие структурные модели носят, по существу, не количественный, а качественный характер. Следовательно, подобный вид моделей корректнее называть схемами взаимосвязей. В современной физиотерапии развитие методов лечения, использующих электромагнитные волны различной частоты, связано с тенденцией в достижении все большего терапевтического эффекта при наименьших потоках электромагнитной энергии за счет увеличения «информационного» и уменьшения «энергетического» компонентов воздействия [89,90]. Это указывает на большое значение формы (вида) воздействующего сигнала при прочих равных условиях[150,149]. На электроэнцефалограмме, зарегистрированной у человека в покое, во время сна очень часто регистрируют как отдельные волны, так и модулированные, например, так называемые альфа-веретена, продолжительностью от секунды и до десяти секунд. Эти колебания при анализе ЭЭГ, как правило, имеют вид крещендо-декрещендо, что зависит от плавного нарастания и падения амплитуды альфа-ритма в веретене. Установлено, что наилучший терапевтический эффект альфа тренинга при неврозах отмечается на низкочастотных флюктуациях проявляемости веретен альфа-ритма. Для этих целей в составе комплекса предусмотрен многоканальный задающий генератор, формирующий эталонные (навязываемые) процессы, законы изменения, которых выбираются из библиотеки или создаются пользователем произвольно. Авторы полагают, чтов качестве эталонного процесса, наряду с искусственно синтезируемыми, сигналами, допускается использовать и фрагменты записи реальных физиологических сигналов и их параметров, полученных от здорового человека или от самого пациента в период ремиссии. Эта возможность комплекса позволяет реализовать, некий симбиоз принципов биорезонансной терапии и БОС, обещающий, в некоторых случаях, кардинальное повышение эффективности процедур биоуправления.
Разработка структуры биоуправляемого модуля директивной цветостиму-ляции в рамках интегрированной информационной системы модификации функционального состояния человека
Функция регистрации в системе предназначена для регистрации пользователя в системе. Содержит процедуры проверки имени пользователя, регистрирующегося в системе, его пароля и, как следствие, права доступа к биотехнической системе. При попытке подключения к базе данных (пункт меню «Соединить» с БД) появляется диалоговое окно ввода. После ввода имени и пароля производится проверка наличия- пользователя с такими реквизитами в базе данных и при совпадении реквизитов пользователю разрешается доступ в систему. Проверка производится путем запроса к таблице базы данных системы, в качестве параметра, в который передаются, значения имени пользователя и пароля, введенные пользователем в окне авторизации. Для управления списком пользователей, существует учетная запись пользователя с правами1 администратора, добавляемая в базу данных при установке-системы. Администратор системы добавляет пользователей, создавая новые учетные записи, редактирует и удаляет существующие. Учетная-запись пользователя содержит имя пользователя; пароль, фамилию, имя-и отчество, должность. В целях обеспечения защиты информации пароль пользователя. хранится., в базе данных в .зашифрованном виде. Шифрование пароля производится при помощи специальной функции, результаты! работы которой не позволяют получить исходное значение пароля из записи базы данных. Настройка параметров системы подразумевает указание сетевого адреса сервера базы данных, пути доступа к файлу базы данных на сервере, указание сетевого адреса компьютера с установленным диспетчером данных. Сетевые адреса сервера базы данных и компьютера диспетчера данных указываются в стандартном виде ІР-адресов. Путь доступа к файлу базы данных указывается по правилам операционной системы сервера базы данных. Например, для «операционной системы Windows значение будет иметь вид: диск:\каталог\подкаталог\имя_файла а!Ь. Функция- сбора регистрационных данных пациента осуществляет создание записей новых пациентов, изменение или удаление существующих. Вызывается из меню «Пациенты» главного» окна управляющей оболочки биотехнической системы командами «Добавить», «Редактировать», или «Удалить». Регистрационные данные пациента включают в себя фамилию, имя и отчество, дату рождения, домашний адрес, первичный диагноз, группировку, дату регистрации. Компонент психологического тестирования содержит известные психологические опросники Спилбергера-Ханина и Айзенка. Первый позволяет в количественном виде классифицировать уровень" личностной и ситуативной тревожности. Опросник Айзенка реализует типологический подход к изучению личности и направлен на анализ составляющих экстра- интроверсии и нейро-тизма как базисных личностных измерений. Компонент приема и накопления электрофизиологических данных пациента Данный компонент содержит функции приема данных от диспетчера. При этом компонент осуществляет прием потока пакетов данных, полученных с-датчиков пульса, дыхания и электроэнцефалограммы. Компонент соединяется с Диспетчером данных и получает пакеты, транслируемые от Модуля передачи электрофизиологической информации. Функция преобразования данных осуществляет преобразование полученного от Диспетчера потока пакетов данных в формат, удобный для математического, статистического анализа, а также хранения в базе данных. Функция сохранения данных осуществляет сохранение преобразованных данных в базу данных в виде записей, связанных с выбранным пациентом, что позволяет в любой момент времени проанализировать информацию или получить результаты обследования и анализа на печать. Компонент математического и статистического анализа электрофизиологических данных пациента содержит функции математического и статистического анализа электрофизиологических данных пациента. Подробное описание функций компонента-дано в методической главе.
Разработка модуля регистрации электроэнцефалограммы
Как отмечено выше, поток цифровой информации, подлежащей обработке в системе многоканального мониторинга, достигает нескольких сотен тысяч двухбайтовых слов в секунду. Поэтому естественным является построение системы с использованием цифровых сигнальных процессоров, предназначенных именно для такого круга задач [4]. Выбор конкретных процессоров и их числа зависит от необходимого объема вычислений в реальном времени и типа решаемых задач. Например, часто возникает необходимость обработки сигнала в определенном диапазоне частот. Причем, для каждого физиологического сигнала эта полоса может изменяться, что определяется применяемой конкретной методикой или желанием экспериментатора. Управление полосой пропускания можно осуществлять в аналоговой части соответствующего входного усилителя. Однако это весьма дорогостоящий способ. Более экономичным является применение методов цифровой фильтрации. Также практически в каждом канале необходимо подавлять сетевую наводку режекторными фильтрами. И в этом случае подавление сетевой наводки эффективнее проводить цифровым способом без применения большого числа точных и дорогих аналоговых компонент.
Другой распространенной задачей является анализ спектра сигнала одновременно по нескольким каналам в реальном времени. Применение для этой цели сигнального процессора, обладающего соответствующей системой команд и производительностью, является необходимым [57].
Электробезопасность использования устройства является одним из важнейших параметров, учитываемых при эксплуатации. Поэтому было принято решение использовать портативный источник питания. В конструкциях-аналогах в основном применяют оптические развязывающие модули наряду с трансформаторными источниками питания. В биоуправляемом компьютерном модуле для ЭЭГ тренинга и генераци-ии ЭЭГ-подобных сигналов в качестве источника питания выбран комплект из четырех последовательно соединенных аккумуляторных батарей типа АА фирмы Varta емкостью 750мА/ч.
Для надежности используется преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах. Это сделано для того, чтобы для работы схемы в целом поддерживать неизменное значение в 5 вольт. Поскольку известно, что с течением времени напряжение питания, снимаемое с аккумуляторных батарей, снижается. Поэтому было принято типичное решение об использовании DC-DC преобразователя фирмы MAXIM МАХ1759, который позволяет получить неизменное значение напряжения питания 5 В при снижении напряжения» аккумуляторных батарей-до 1.8 В4.
Для того чтобы биоуправляемый компьютерный модуль для ЭЭГ тренинга и генерациии ЭЭГ-подобных сигналов не нуждался во внешнем вычислителе и в аналогово-цифровом преобразователе, был использован цифровой сигнальный контроллер.
Поскольку детальный анализ спектра алгоритмов, используемых в разрабатываемой системе для целей мониторинга электрофизиолгичеких параметров оказался не слишком большим, нам представилось, перспективным- примене-нить недорогой 16-разрядный микроконтроллер dsPIC33FJ128JP706. Семейство» dsPIC33FJ128JP706 состоит из, программируемых однокристалльных- микропроцессоров, которые имеют общую базовую архитектуру, оптимизированную для обработки цифровых сигналов. Существующие модели процессоров имеют разный объем памяти, расположенной, непосредственно - на кристалле, разное количество синхронных портов ввода-вывода, каналы DMA, разное энергопотребление и т.д. Семейство dsPIC33FJ128JP706 использует модифицированную Гарвардскую архитектуру, в которой память данных служит для хранения данных, а память программ - для хранения, как кодов инструкций, так и данных. Процессоры семейства являются 16-разрядными и предназначены, как для операций с целыми числами, так и представленными в дробном формате. Они имеют аппаратно-програмную возможность работы с многоразрядными числами и поддержку плавающей арифметики. Большинство инструкций являются однотактными. Аппаратно реализованы операции умножения.
