Розробка способів та засобів підвищення точності медичних інформаційно-діагностичних систем для неврологічних і нейрохірургічних Клінік

Размещено на http://www.allbest.ru/

9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка способів та засобів підвищення точності медичних інформаційно-діагностичних систем для неврологічних і нейрохірургічних Клінік

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

На даний час одними із перспективних шляхів розширення і покращення характеристик ряду медичних інформаційно-діагностичних систем є розробка нових алгоритмів обробки даних, медичних методик, синтез принципово нових шляхів отримання інформації про стан біологічних об'єктів, введення додаткових адаптаційних можливостей, тощо. Але разом з тим практично вичерпані можливості удосконалення апаратної частини, які б вели до відчутного поліпшення її якісних характеристик, що можна простежити, наприклад, на системах електроенцефалографії. В них для зменшення впливу низькочастотних шумів вхідних каскадів з спектром 1/f застосовували або перенесення обробки сигналів в область середніх чи високих частот, або конструктивні заходи. В той же час лише системи активного пригнічення дозволяють практично повністю усунути даний вид шуму, і покращити тим самим діагностичні можливості медичних інформаційно-діагностичних систем. Синтез структур активного пригнічення 1/f-шуму потребує незначного, в порівнянні з вартістю самої системи, збільшення витрат, але отримані в результаті точнісні показники, дозволяють зробити апаратуру конкурентно спроможною не лише в межах України, а й за її межами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Вибраний напрямок співпадає з напрямком наукових досліджень кафедри конструювання радіоелектронної і біомедичної апаратури, яка займається розробкою відповідної біомедичної апаратури, пошуком нових шляхів підвищення її якісних показників, розширення діагностичних можливостей. Про це свідчать і науково-дослідні роботи, які здійснювалися кафедрою в 1994-1998 роках, серед яких:

1. НДР «Разработка компьютерно-диагностической управляющей системы для фармакоэнцефалографии» (тема №70-Д-102, № держреєстрації 0194U016738);

2. НДР «Исследование механизма возникновения, разработка методов и аппаратуры для регистрации сверхслабых биосигналов организма человека» (тема 30-Д-139, № держреєстрації 0196U015327);

3. НДР «Розробка і впровадження інтегрованих технологій моніторинга і управління санаторно-курортними закладами» (тема №30-Д-174, № держреєстрації 0197U012880).

Мета і задачі дослідження

Метою даної наукової роботи є розробка принципів побудови вхідних підсилювачів приймальної системи та первинних перетворювачів біосигналів, розробка математичних моделей виникнення власних шумів вхідних підсилювачів та синтез на їх основі структур активного пригнічення шумів (АПШ) і інформаційно-вимірювальної комп'ютерної системи для неврологічних та нейрохірургічних клінік.

Основні задачі дослідження, які вирішуються:

1. Визначення механізмів виникнення шумів в біопідсилювачах, математичне та фізичне обґрунтування їх природи і джерел.

2. Розробка математичної моделі виникнення власних шумів вхідних підсилювачів медичних інформаційно-діагностичних систем (МІДС).

3. Розробка способів боротьби з шумами біопідсилювачів, які базуються на запропонованих моделях.

4. Синтез структур блоку активного пригнічення власних шумів приймальної системи в області низьких та наднизьких частот.

5. Синтез структури приймальної частини та структури МІДС в цілому.

6. Розробка рекомендацій щодо схемо-технічної реалізації МІДС з АПШ та вибору відповідної елементної бази.

Наукова новизна одержаних результатів

1. З'ясовано та визначено механізм виникнення шумів у вхідних колах приймальної системи, розроблено його математичну модель, яка являє собою процес випадкової одночасної багатопараметричної модуляції гармонічних коливань, зумовлений квантовою природою носіїв заряду і невіддільно пов'язаний з структурою підсилювача.

2. Запропоновано описувати шумові процеси, які мають місце у вхідних колах МІДС, за допомогою одночасної дії різних видів модуляції: амплітудної, частотної, фазової, широтно-імпульсної та ін.

3. Розроблено спосіб боротьби з шумами підсилювачів біосигналів, який базується на синтезі структур активного пригнічення власних шумів приймальних систем, що працюють в області низьких та інфранизьких частот.

4. Синтезовано структуру МІДС, яка складається з підсилювачів і первинних перетворювачів біосигналів, містить решітку імітаторів шумів (РІШ) і використовує програмно-кероване стробування живлення елементів.

Відхід вiд класичного статистично-ймовірнісного подання шумових процесiв вхiдних каскадiв, при якому джерело шуму розглядалося вiдокремлено вiд iдеального чотириполюсника (пiдсилювача), та застосування моделі генератора шуму, за допомогою якої традиційно виконувався опис даного виду явищ в генераторах з метою пояснення природи шумів в пiдсилювачах, дозволило ближче пiдiйти до розуміння природи фiзичних процесiв, якi вiдбуваються у вхідних колах реальних чотириполюсників, врахувавши при цьому прояви нелiнiйності R, L, C - елементiв. Такий пiдхiд пояснює шумовi сигнали як результат одночасної модуляцiї гармонічного коливання за декiлькома параметрами: амплiтудою, фазою, частотою і т.і., що ранiше зводилося переважно до розгляду лише одного з видiв модуляцiї. В такому випадку підсилювач розглядається як генератор шуму з очiкуванням.

Раніше через недолiки традицiйного статистично-ймовiрнiсного опису природи виникнення шумів вхідних каскадів використання активних систем для їх пригнiчення виглядало практично нездiйсненим, хоча й існував пасивний прототип РІШ - екранування та виті пари провідників, які застосовувалися для усунення синфазних перешкод.

Практичне значення одержаних результатів

Практична цінність отриманих результатів полягає в охопленні практично всiх етапів створення такого типу пристроїв; разом з тим отриманi теоретичнi і практичнi результати можуть бути використанi не лише в апаратурi медичного призначення, але й iнших пристроях при реєстрацiї наднизьких електричних сигналiв низькочастотного дiапазону, де iстотнiм чином проявляється флікер-шум. Крім того, розроблено рекомендації щодо схемотехнічної реалізації МІДС з активним пригніченням шумів та оптимального вибору відповідної елементної бази.

Особистий внесок здобувача можна звести до наступних основних положень, якi викладенi в дисертацiї.

1. Подання моделі вхiдного «шумлячого» підсилювача як генератора шуму, реалiзованого на нелiнiйних R, L, C-елементах, які забезпечують процес одночасної модуляцiї за амплiтудою, фазою, частотою і т.д.

2. Застосування програмно-керованого модульованого стробування живлення підсилювальних елементів, що дозволило усунути програмно-керовані фазоповертачi (лiнiй затримки), і разом з тим, - забезпечити стійку в часі кореляцiйну залежність мiж шумовими процесами підсилювача та сигналами РІШ.

3. Запропоновано для видiлення і розмежування НЧ-гармонiк елементів в РІШ при перенесенні обробки сигналу в область ВЧ застосовувати кварцовi резонатори.

Апробацiя результатiв дисертацiї

Результати роботи було оприлюднено на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці» (23-25 вересня 1997 р., м. Львів), 5-й науково-технiчнiй конференцiї «Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах» (16-19 червня 1998 р., м. Хмельницький) міжнародному симпозіумі «Наука и предпринимательство» (Вінниця-Львів, 25-28 лютого 1997 р.), на 13-й мiжнароднiй конференцiї «Аналiз бiомедичних сигналiв та зображень» «BIENNIAL International conference biosignal» (Словакiя).

Публiкацiї

За матерiалами дисертацiї опублiковано 4 статті у журналах, рекомендованих ВАК України.

Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, в яких наводиться основний зміст роботи, та додатків. Загальний об'єм дисертації складає 15 сторінок машинописного тексту; із них 121 стор. - об'єм основної частини. Ілюстрації розміщено на 46 стор., таблиці на 13 стор.; 5 додатків займають 21 стор., а список використаних літературних джерел - 15 стор.

Основний зміст роботи

біопідсилювач інформаційний шум

Перший розділ присвячений розгляду основних концепцій побудови медичних інформаційних систем, що використовують принципи «відкритості» та «закритої архітектури». Вказані різні підходи, які виникли на базі вказаних концепцій, а також показані варіанти синтезу таких структур на основі мікропроцесорних комплектів та ПЕОМ. Виявлено, що практично незалежно від вибраної концепції побудови систем, використання різної елементної бази та призначення, структура приймального каналу залишається практично незмінною, і особливо це стосується вхідних каскадів. На прикладі такого напрямку електрографічних досліджень як електроенцефалографія, показана порівняно низька ефективність традиційних підходів щодо підвищення точності МІС при реєстрації наднизьких порівняно широкосмугових електричних біосигналів низькочастотного та наднизькочастотного діапазонів. Вказано на необхідність пошуку нових методів підвищення співвідношення сигнал/шум, і особливо для реєстрації біологічних сигналів людського організму.

У другому розділі увага звернена на класифікацію шумів за механізмами виникнення, особливостями прояву в залежності від будови матеріалів та властивостей. Наведено математичні моделі опису шумових процесів, виділено основні види шумів (тепловий та 1/f-шум), які домінують на низьких частотах. Розглянуто основні недоліки графічно-математичних моделей опису шумів вхідних каскадів, що традиційно застосовуються в радіоелектроніці. Запропоновано для боротьби з власними шумами використовувати імітатори, які аналогічні вхідним чотириполюсникам за структурою, схемотехнікою та технологією виготовлення (ті ж самі підсилювачі) (рис. 1).

Для опису власних шумів вхідних кіл запропоновано застосовувати модель гармонічних коливань, параметри яких (фаза, амплітуда і частота) модулюються випадковим чином. Математично дана модель описується залежністю (1).

(1)

де - власний шумовий сигнал вхідного чотириполюсника;

- відповідно амплітуди гармонік, які модулюються по амплітуді, частоті, фазі, а також в часі (часово-імпульсна);

- коефіцієнт глибини амплітудної модуляції (може бути випадковим);

,- відповідно частоти коливань, які виконують модуляцію: - деяка стала частота, носить випадковий характер;

- відповідно початкові фази коливань;

- випадкова величина, яка здійснює фазову модуляцію;

- одинична функція, яка враховує випадковий характер модульованих в часі процесів;

- відповідно число гармонік по кожному з видів модуляції: амплітудній, частотній, фазовій та часово-імпульсній.

Основою для такого підходу є квантова природа переносу заряду, що проявляється на нелінійності R, L, C - елементів, які є обов'язково присутніми в будь-якому реальному чотириполюсникові. В сумі ці нелінійності спричиняють явища багатопараметричної модуляції. Результати математичного моделювання з використанням ЕОМ, які наводяться в даному розділі, є підтвердженням придатності до застосування запропонованих моделей (рис. 2,3).

Крім того показано, що умова компенсації складових шуму, яка ілюструється залежністю (2),

(2)

можлива за наявності обмежень:

(3)

Для опису процесу пригнічення шумів введено поняття динамічного та інтегрального показників пригнічення власних шумів:

(4)

При цьому вказано, що для досягнення максимального значення К_дпш(t) необхідними умовами є:

(5)

(6)

На основі викладених міркувань вказано, що для забезпечення пригнічення шуму однією з вимог є наявність НЧ-стробування сумісно з високочастотним.

В третьому розділі розглядаються можливі варіанти структурної реалізації приймального каналу з РІШ, з врахуванням особливостей послідовного та паралельно-послідовного алгоритмів опитування.

В даному випадку для боротьби з зовнішніми перешкодами застосовуються ті ж самі підходи, що й в традиційних системах по збору медико-біологічної інформації. Важлива роль при цьому належить внутрішньому калібрувальному сигналу. Завдяки йому визначаються такі параметри вхідних каскадів як:

1) початковий фазовий зсув гармонік сигналів імітаторів шумів відносно базового підсилювача, або ж початкова фаза ;

2) девіація фази з часом ;

3) коефіцієнти підсилення приймального каналу та елементів РІШ ();

4) поведінка інтегрального (для штучно виділених проміжків) коефіцієнта пригнічення шуму .

Графічно вектор керування РІШ поданий на рис. 4.

Розглянуто придатність різноманітної елементної бази до використання в системах з РІШ, вказано на основні переваги та недоліки. Виявлено, що практично не існує елементної бази, яка б повністю задовольняла більшість вимог, які ставляться до систем РІШ. Однак визначено, що найбільш придатним є застосування елементної бази на основі інтегральної технології польових транзисторів з ізольованим затвором та мінімальним числом зворотних зв'язків, де керування здійснюється за допомогою потенціалу.

Четвертий розділ охоплює ряд питань можливої оптимізації приймальної частини створюваних систем. Серед них важливе місце займають три способи оптимізації:

1) оптимізація структури;

2) оптимізація внутрішньосистемних зв'язків;

3) оптимізація параметрів керуючих сигналів.

По першому способу оптимізації важливим є визначення мінімально необхідного та деякого оптимального числа елементів в решітці імітаторів та розрахунок коефіцієнта пригнічення шумів. Обмеження, які враховувалися, - це смуга пропускання вхідних каскадів (спектр інформативного сигналу) та відхилення параметрів елементів ().

, (7)

де , - відповідно мінімальне і максимальне значення частоти, Гц.

Оскільки залежність між коефіцієнтом пригнічення шуму (К_пш) і числом елементів не має виражених точок екстремуму, то для знаходження певного оптимального значення числа імітаторів шумів використано залежність між приростом коефіцієнту пригнічення шуму та приростом числа елементів (див. вираз (7)).

(8)

де - деяка стала безрозмірна величина;

- приріст числа імітаторів ();

- приріст коефіцієнту пригнічення шумів

();

С - порогове значення величини .

Оптимізація внутрішньосистемних зв'язків обмежувалася можливістю перерозподілу ресурсів в середині системи між апаратними та програмними засобами. Було розглянуто один із варіантів заміни статичних зв'язків динамічними на прикладі використання одних і тих же елементів як в якості складових РІШ, так і в якості приймального чотириполюсника за умови часового розмежування функцій. На основі такого підходу виявилося, що заміна програмно керованих ліній затримки (або фазоповертачів), які є одним з обов'язкових складових з РІШ, програмно керованим стробом живлення імітаторів (рис. 6) дозволяє уникнути ряду проблем, найактуальніша з яких - схемотехнічна реалізація.

При цьому режим роботи імітаторів, а також його часово-амплітудні показники відображають керуючу дію (низькочастотне стробування сумісно з високочастотним) програмних засобів. Виявилося, що форма керуючого сигналу істотно не змінює шумових властивостей РІШ, однак бажано, щоб вона була близька до прямокутної, оскільки тоді її досить легко отримати за допомогою елементів цифрової техніки. Це, в свою чергу, дозволяє гнучко контролювати паразитні динамічні зміщення, які виникають при роботі традиційних систем з однополярними імпульсними сигналами.

У п'ятому розділі увага звернена на практичну перевірку придатності різної елементної бази для синтезу РІШ. Для дослідження і порівняння було обрано структури, в яких керування здійснювалося потенціалом поля. Моделювання проводилося на операційних підсилювачах, приладах із зарядовим зв'язком, конденсаторах, які перемикаються (Switched-Capacitor), та польових транзисторах.

Для переважної частини дослідів використовувалося припущення, що для моделювання поведінки решітки імітаторів шумів є достатньою наявність хоча б двох елементів. Одним із елементів виступав один підсилювач та один імітатор шуму. Виявилося, що найбільш придатною елементною базою для синтезу систем з РІШ, які призначені для роботи з наднизькими сигналами в області низьких і наднизьких частот, є структури на основі інтегральної технології польових транзисторів без внутрішніх зворотних зв'язків. Отримані результати практичного моделювання підтвердили правильність припущень, висунутих у третьому розділі, і співпадають з результатами, отриманими рядом дослідників (див. табл.).

Шумові показники різноманітної елементної бази

Висновки

Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи зводяться до наступних положень.

1. Причиною виникнення шумів з спектром 1/f у вхідних пристроях є квантовий прояв взаємодії носіїв заряду, а сам процес формування шуму виглядає як ансамбль випадкових актів перенесення заряду, які призводять до модуляції провідності.

2. Описи шумових процесів з спектром 1/f та їх математична модель грунтуються на пуасонівському механізмі формування збурень та процесі їх повільної релаксації, що дозволяє подавати і описувати їх у вигляді графічної моделі нелінійних R-, L-, C-елементів з урахуванням квантової природи.

3. Розроблений спосіб боротьби з шумами, який базується на запропонованих математичних моделях, дозволяє синтезувати принципово нові структури приймальних пристроїв МІДС з РІШ, замінивши програмно-керовані лінії затримки програмно-керованим стробом.

4. Синтезовані структури вхідних пристроїв МІДС та системи в цілому забезпечують підвищення їх точності та роздільної здатності; перенесення частини цифрової обробки сигналу на вхідні каскади, де традиційно використовувалася переважно аналогова обробка сигналу, дозволяє в залежності від робочої частоти поліпшити точнісні показники вхідних каскадів в 1,2…8 раз та в 2-10 раз зменшити рівень флікер-шуму.

5. Розроблені рекомендації щодо схемотехнічної реалізації забезпечують можливості цілеспрямованого вибору елементної бази при синтезі програмно-керованих решіток імітаторів власних шумів підсилювача, враховуючи показники призначення, особливості реєстрованих біологічних сигналів (потенціал поля, заряд), смуги пропускання.

6. Синтезовані математичні моделі, структури і отримані в дисертації результати можуть слугувати вихідною базою як для розробки нової теорії побудови вхідних пристроїв систем, які працюють з наднизькими сигналами за умов їх підвищеної зашумленості, так і удосконалення відповідного математичного, програмного і методичного забезпечення.

Список опублікованих автором праць

1. Злепко С.М., Ковальчук Б.М., Савiнов I.M. Використання імітаторів шумiв для пiдвищення спiввiдношення сигнал/шум при реєстрації наднизьких електричних сигналів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1997. - №2. - С. 96-101.

Особистий внесок дисертанта - запропонував подавати шуми вхідного підсилювача як результат одночасної багатопараметричної модуляції гармонічного сигналу.

2. Ковальчук Б.М., Савінов І.М. Боротьба з власними шумами вхідних кіл інформаційних медичних систем з використанням решітки імітаторів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. - №1 - С. 136-138.

Особистий внесок дисертанта - запропонував варіант структури вхідних кіл пригнічення власних шумів, один із елементів якої - решітка імітаторів.

3. Злепко С.М., Ковальчук Б.М., Савiнов I.M., Ладуба Ю.М. Кореляцiйнi зв'язки в системах, що використовують активне пригнiчення власних шумiв приймальних кiл // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. -1998. - №1 - С. 100-105.

Особистий внесок дисертанта - запропонував спосіб по забезпеченню стійкої кореляційної залежності між гармоніками флікер-шуму, отриманими від різних, але ідентичних за характеристиками джерел, через стробування живлення.

4. Злепко С.М., Савінов І.М. Критерії вибору числа елементів в активних решітках, які здійснюють пригнічення власних шумів вхідних кіл приймальних інформаційних систем // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. - №1. - С. 112-115.

Размещено на Allbest.ru