Техническое биоуправление физиоаппаратурой, созданной на основе информационных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое биоуправление физиоаппаратурой, созданной на основе информационных технологий

Егоров Б.А., Яковенко М.В.

On the base of the previously work done a technical solution of biocontrol apparatus for physiotherapy is offered. The structural scheme of the apparatus is given and some questions of the development of its virtual model with the use of National Instruments technologies.

Современное понимание проблемы разработки биоуправляемой аппаратуры [1] для физиотерапевтических воздействий диктует необходимость использования компьютерной техники в качестве одного из основных инструментов.

Результаты исследований источников сигналов от испытуемых и методов их использования, проводимые нами последние несколько лет, позволили обнаружить закономерности в проявлении некоторых откликов организма человека и выявить наиболее информативные среди них. В частности было установлено не описанное ранее закономерное изменение ударного объема крови сердца человека - отклик сердца, и получено его аналитическое описание [2]. Поэтому мы предложили использовать этот отклик, выраженный численно, в качестве источника сигнала обратной связи для физиоаппаратуры, и разработали ряд алгоритмов управления физиотерапевтическими аппаратами наиболее распространенных видов токовой терапии. Логическим продолжением исследований явилось опробование этих алгоритмов на практике «в железе», путем разработки и установки дополнительных блоков биоуправления к известным аппаратам или создания принципиально новых моделей аппаратов.

Анализ используемых в современной лечебной практике аппаратов токовой терапии показал, что использованные в них схемотехнические и конструктивные решения не позволяют без принципиальных изменений устанавливать дополнительные блоки управления выходным сигналом. Поэтому были проанализированы два возможных решения. Первое - изготовление физических моделей технически биоуправляемых аппаратов, второе - разработка и реализация «виртуальных медицинских токовых биоуправляемых аппаратов». При этом очевидно, что изготовить физические модели физиоаппаратов - сложная, дорогостоящая и времезатратная задача, тогда как второе решение, на первый взгляд предпочтительное, также имеет свои трудности, заключающиеся в отсутствии рекомендаций по разработке подобной аппаратуры и технических трудностей организации обмена информацией между телом человека и компьютером в реальном времени с учетом необходимости согласования всех технических параметров с физиологическими. labview физиотерпапевтический ток цифровой

Для разрешения проблем применили универсальное устройство согласования, которым служит плата ввода/вывода, функционально расширенная схемой дополнительного высоковольтного усиления и схемой защиты цепи пациента. Поиск возможных решений применения программирования совместно с платами ввода/вывода аналоговых сигналов в компьютер/из компьютера показал, что существуют проблемы согласования программных сред с платами ввода/вывода. Наиболее распространенными проблемами являются отсутствие доступной и понятной документации по применению плат из сред программирования, отсутствие поддержки драйверами плат работы из необходимых сред программирования. В результате среди спектра доступных программ была выделена среда графического программирования NI LabView, потому что фирма National Instruments является производителем не только программных продуктов, но и плат ввода вывода. Аппаратно-программный комплекс LabView обладает высокой степенью согласования аппаратных средств и программного обеспечения, среда LabView обладает интуитивно понятным интерфейсом, что дает дополнительные удобства, и, кроме того, преимуществом ее является развитая поддержка сторонних языков программирования и широкий спектр документации пользователей.

Используя LabView, был создан единый универсальный технически биоуправляемый аппарат для токовой физиотерапии. Универсальность его заключается в том, что принимающая биологические сигналы от пациента часть прибора, блок преобразования информации, блок управления выходным сигналом и схема вывода сигнала на плату являются единым для всех видов генерируемых токов.

Разработанный «виртуальный аппарат» позволяет воспроизводить роды токов, соответствующие следующим стандартным физиотерапевтическим родам: амплипульсотерапия, роды 1,2,3,4; диадинамотерапия (токи Бернара); электросонтерапия; флюктуоризация; электрофорез и гальванизация. Источником обратной связи для биоуправления является ударный объем крови SV, измеряемый по методике [2,3] косвенно через артериальное давление.

Обобщенная структурная схема разработанного аппарата представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Cтруктурная схема аппарата физиотерпапевтического биоуправляемого

На схеме обозначены: 1 - цифровой блок генерации токов; 2 - блок управления выходным сигналом; 3 - схема вывода сигнала на плату; 4 - Блок приема информации от биообъекта; 5 - блоком преобразования информации; 6 - плата ввода/вывода.

Цифровой блок генерации токов, воспроизводящий форму необходимых токов, построен на базе массива. В столбцах массива записаны последовательные дискретные значения - точки, которыми описывается форма генерируемого сигнала. По строкам распределены роды токов, то есть формы сигналов. Формирование точек массива производилась посредством дискретизации сигналов по амплитуде и времени, снятых с реальных медицинских терапевтических аппаратов при помощи запоминающего осциллографа во всех необходимых режимах.

При выборе пользователем на лицевой панели прибора необходимого рода тока непосредственно к генератору программно подсоединяется один столбец, из которого производится последовательный выбор записанных значений. Генератор выстраивает последовательность точек через четкий промежуток времени - время итерации. Это время определяется также программно и дает возможность пользователю настраивать длительность импульса (или периода непрерывного сигнала), частоту следования импульсов, форму и длительность посылок импульсов (или непрерывных посылок). Точки передаются через блок управления выходным сигналом в схему вывода сигнала на плату.

Блок управления выходным сигналом определяет амплитуду выходного сигнала, являясь, по сути, усилителем с программируемым коэффициентом усиления. Этот блок умножает каждую принятую от генератора точку на коэффициент усиления. Численное значение коэффициента определяется, в свою очередь, или вручную пользователем, или блоком преобразования информации, который в зависимости от измеренного значения SV и режима работы аппарата вычисляет необходимый множитель. С блока управления усиленный сигнал передается на схему вывода сигнала на плату.

Схема вывода сигнала на плату занимается формированием на своем выходе пакета (или посылки) из точек, описывающих форму сигнала за определенный промежуток времени, с указанием периода следования точек и их амплитуды. Величина этого пакета определяется необходимой частотой обновления информации, передаваемой плате. Это время определяется объемом буфера платы ввода/вывода. Сформированный пакет посылается на плату по интерфейсу USB и далее воспроизводится «точка за точкой» в соответствии с принятыми временными параметрами. Во время воспроизведения платой принятого цифрового пакета в виде аналогового сигнала при помощи ЦАП, программа формирует следующий пакет и пересылает его. Таким образом возможно добиться некоторой независимости от приоритетов исполняемых компьютером процессов и гарантировать стабильность во времени выходного сигнала.

Блок приема информации от биообъекта функционирует параллельно во времени с основной программой. Этот блок занимается измерением артериального давления и пересчетом его в ударный объем крови. Блок взаимодействует независимо от выходного аналогового канала платы ввода/вывода. Ко входу аналого-цифрового преобразователя платы подключен датчик давления (преобразователь давления в напряжение). Оцифрованный сигнал с датчика преобразуется по алгоритму стандартной осциллометрической методики измерения артериального давления в величины систолического и диастолического давлений. По результатам измерения по математической зависимости определяется численное значение текущего ударного объема крови по формуле [3]:

, мл

где - приращение систолического давления, мм.рт.ст.;

- приращение диастолического давления, мм.рт.ст.;

HR - частота сердечных сокращений, уд/мин;

- ударный объем крови в покое, мл;

i - коэффициент тока.

Это значение SV передается блоку управления выходным сигналом, который в свою очередь рассчитывает новый коэффициент усиления.

Для воспроизведения указанных токов и съема измерительной информации необходимо было подобрать удовлетворяющую требованиям плату ввода/вывода. Для задания требований произвели анализ частот используемых сигналов и их амплитуд, а также изучили точностные характеристики эксплуатируемых сейчас в лечебно-профилактических учреждениях физиоаппаратов. Анализ показал, что максимальными напряжением на своем выходе и частотой сигнала обладает аппарат амплипульстерапии - до 150 В переменного напряжения при 5 кГц. Точность воспроизведения аналоговых сигналов максимальна у аппаратов для электросонтерапии - не более ± 10 % по амплитуде, стабильность частоты ±10 %.

На основании этих результатов сформулировали минимальные требования к точности платы по воспроизведению и измерению амплитуды напряжения, а также к ее динамическим характеристикам:

- воспроизводимая амплитуда выходного напряжения 0 .. 10 В (при условии использования дополнительного усилителя);

- точность воспроизведения напряжения ± 5 %;

- частота дискретизации ЦАП 10 кГц;

- амплитуда входного напряжения 0 .. 2,56 В;

- точность измерения напряжения ± 5 %;

- частота дискретизации АЦП 50 Гц.

По указанным характеристикам произвели выбор платы ввода/вывода, удовлетворяющей указанным требованиям в полной мере.

Таким образом, при помощи программно-аппаратной среды было произведено моделирование физиотерапевтической аппаратуры, которое позволило получить на одном персональном компьютере широкий спектр воспроизведения физиотерапевтических сигналов, инструмент для измерения артериального давления, ударного объема крови, а также позволило гибко менять алгоритмы и настраивать аппаратуру.

Характеристики компьютера, на котором производилось моделирование, следующие: процессор AMD Duron 900; ОЗУ 512 МБ SDRAM; USB 1.1; винчестер 40 ГБ ATA66.

ЛИТЕРАТУРА

1. Егоров, Б. А. Предпосылки разработки биоуправляемой электромедицинской физиоаппаратуры [Текст] / Б. А. Егоров, М. В Яковенко, М. А. Евзельман; под ред. проф.

2. С. П. Маркина // Проблемы восстановительного лечения: Сборник научных трудов. 5-й т. - Воронеж : Воронежская гос. мед. акад. - 2005.

3. Егоров, Б.А. Использование изменения ударного объема сердца человека для биоуправления физиоаппаратами [Текст] / Б.А. Егоров, М.В. Яковенко // Сб. докладов 9-й Международной конференции «Медико-экологические информационные технологии»-2006. - Курск: Изд.КГТУ, 2006

4. Егоров, Б.А. Проблемы проектирования биоуправляемых аппаратов токовой терапии [Текст] / Б.А. Егоров, М.В. Яковенко // Известия ОрелГТУ. Машиностроение. Приборостроение. - 2005. - №1.

Размещено на Allbest.ru