научная статья по теме ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА СЪЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖИВЫХ СИСТЕМ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА СЪЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖИВЫХ СИСТЕМ»

Системы радиоэлектроники

для телемедицины

УДК 612.172.4

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА СЪЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖИВЫХ СИСТЕМ1

INFORMATION SYSTEM FOR THE SIGNALS READOUT AND PROCESSING FROM THE SENSORS OF THE LIVING SYSTEMS BIOELECTRIC ACTIVITY

Зайченко Кирилл Вадимович

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, директор НОЦ Е-mail kvz_k41@aanet.ru

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Факультет радиотехники, электроники и связи

Кафедра медицинской радиоэлектроники

Аннотация: Представлены результаты работы научной школы "Радиоэлектронные и информационные средства оценки физиологических параметров живых систем" ГУАП по разработке уникального инструментария для обработки биоэлектрических сигналов живых систем при тонких биофизических исследованиях с целью получения новых результатов в области физиологии и фундаментальной медицины.

Ключевые слова: информационная система, биоэлектрические сигналы, электроды, живые системы, сверхвысокое разрешение, аналоговая и цифровая обработка, адаптация.

Zaichenko Kirill. V.

D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department,

Director of SEC

Е-mail kvz_k41@aanet.ru

Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication

Chair of medical radioelectronics

Abstract: The investigations results of scientific school "Radio electronic and information means for living systems physiologic parameters estimation" SUAI have been presented. The results are related to the area of the unique tool set development on the basis of advances radio electronic and information technologies connected with living systems bioelectric signals processing for the fine biophysical investigations in order to obtain some new results in physiology and fundamental medicine.

Keywords: information system, bioelectric signals, electrodes, living systems, ultra high resolution, analog and digital processing, adaptation.

ВВЕДЕНИЕ

Разработку процедур съема и обработки информационных сигналов датчиков биоэлектрической активности живых систем (ЖС) условно можно разделить на три этапа. На первом из них выполняется анализ специфики возможных вариантов построения и технических характеристик самих датчиков, условий регистрации ими полезных сигналов и влияния как внешних, так и внутренних помех, а также анализ характеристик амплитудного, частотного и динамического диапазонов (АЧДД) составляющих входных сигналов, их соотношений и динамики их изменений на входе информацион-

1 Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты № 14-07-00632-а и № 13-07-00886-а.

ной системы съема и обработки сигналов (ИССОС). На втором этапе производится первичная обработка входных сигналов — обнаружение и выделение всех информативных составляющих, а также подавление и фильтрация всех помех. К третьему этапу следует отнести вторичную цифровую обработку сигналов, выполняемую спецвычислителем или персональным компьютером (ПК), в ходе которой решаются нестандартные задачи по извлечению всей интересующей разработчиков информации о состоянии исследуемой ЖС.

Сегодня задачи по разработке инструментария для получения прорывных результатов в области физиологии и фундаментальной медицины должны не только формулировать, но и решать биологи, физиологи и медики совместно с представителями фундаментальных, прикладных естественных и технических наук. Орга-

52

Sensors & Systems • № 2.2015

низацией, координацией и реализацией такого взаимодействия в течение более двадцати лет в ГУАП занимается коллектив научной школы (НШ) "Радиоэлектронные и информационные средства оценки физиологических параметров живых систем" (РЭИС ЖС), признанный победителем конкурса ведущих НШ РФ (свидетельство НШ-3455.2012.8). Для реализации разработок этой научной школы был создан Научно-образовательный центр "Биомедицинской радиоэлектроники и информатики" (НОЦ БРЭИ), в работе которого активное участие принимает кафедра медицинской радиоэлектроники (МРЭ) ГУАП.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При электрофизиологических исследованиях клеток, тканей и органов ЖС регистрируемые сигналы их биоэлектрической активности (БЭС) на большей части своей реализации являются слабыми, шумоподобными и воспринимаются как помехи. Однако они, как показали исследования НОЦ БРЭИ, содержат низкоамплитудные и высокочастотные полезные информативные компоненты (микропотенциалы — МП), не доступные для анализа при стандартных методиках обработки сигналов, но несущие важную информацию о строении и функционировании ЖС, о протекающих в них нормальных физиологических процессах и патологических явлениях. Обнаружение и выделение всех необходимых для анализа информативных компонентов МП требует существенного расширения АЧДД при регистрации и обработке БЭС, т. е. повышения разрешающей способности (РС) разрабатываемой ИССОС. Для реализации высокоточного анализа тонкой структуры БЭС необходимо выделять самые слабые компоненты микропотенциалов, обеспечивая, как показали исследования, чувствительность системы на уровне десятков, и даже единиц нановольт. Это вызывает необходимость использования таких электронных компонентов, как ма-лошумящие широкополосные усилители, а также высокоточные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и сигнальные процессоры. Перспективным представляется применение на входе ИССОС криогенного усилителя для выделения сигналов с амплитудой ниже 10 нВ.

Таким образом, при разработке современной ИС-СОС должны быть решены следующие научные и технические задачи: разработка концепции и методик обнаружения и исследования тонкой структуры БЭС исследуемой ЖС на фоне всех видов шумов и помех; разработка методов, методик и технологий, а также аппаратных, алгоритмических и программных средств обработки исследуемых БЭС с высокой РС, т. е. в расширенных АЧДД; разработка и применение отдельных радиоэлектронных и информационных технологий для решения частных задач проводимых биоэлектрических исследований.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЭКГ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Решение задач первого этапа построения ИССОС демонстрирует работа НОЦ БРЭИ по разработке нового метода электрокардиографических (ЭКГ) исследований сердечно-сосудистых систем животных и человека

[1], в котором: учтены тенденции и новейшие достижения в развитии ЭКГ-техники, использованы передовые технологии радиоэлектронных и информационных систем, реализованы предельные возможности современной электронной элементной базы и обеспечена регистрация электрокардиосигналов (ЭКС) на всей протяженности кардиоцикла в наиболее широком АЧДД в условиях воздействия всех возможных помех.

В известном методе электрокардиографии высокого разрешения ЭКГ ВР (High resolution ECG) анализируются ЭКС с частотами 0,05...100 Гц (иногда до 250 Гц), и регистрируются составляющие низкого уровня (около 1 мкВ), не различимые на стандартной кардиограмме. При этом используется интегральная оценка низкоамплитудных ВЧ-компонентов ЭКС, слабо отражающая динамику их изменения ввиду низкого значения верхней граничной частоты АЧХ и узкого динамического диапазона применяемых схем обработки и регистрации кардиосигнала. Методы высокочастотной электрокардиографии ЭКГ ВЧ (High frequency ECGs — HFECG) и High-Frequency QRS ECG (HFQRS-ECG)

[2] обеспечивают регистрацию и анализ низкоамплитудных ВЧ-информативных составляющих ЭКС. Большинство исследований ЭКГ ВЧ проводится в частотном диапазоне 150...250 Гц, а в работе [3] — 2000 Гц.

Анализ тенденций развития и полученных технических характеристик ЭКГ-методов показал, что при их разработке необходимо обеспечить возможности регистрации стандартными электродами и анализа всех информативных компонентов во всех достижимых пределах АЧДД полезных составляющий ЭКС. В ГУАП был разработан новый метод ЭКГ, а также реализующие его аппаратные, алгоритмические и программные средства [1] с обработкой ЭКС до частот 2000 Гц и выше (т. е. на всех частотах, на которых сегодня считается возможным существование информативных компонентов кардиосигнала) с минимальным значением входного напряжения 10 нВ. Этот метод был назван электрокардиографией сверхвысокого разрешения (ЭКГ СВР). Характеристики ЭКГ СВР в сравнении с другими современными методами электрокардиографии иллюстрирует рис. 1.

Метод ЭКГ СВР при использовании стандартных ЭКГ-датчиков реализует возможности всех других ЭКГ-методов, но существенно превосходит их в области регистрации, обработки и анализа низкоамплитудных и ВЧ-составляющих ЭКС (микропотенциалов — МП), которые содержат важные данные об электрофизиоло-

и, мкВ Дополнительно усиленная ЭКГ ЭКГ высокого разрешения

10000 - -^--/

1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001

Стандартная ЭКГ

----м:

1_ _Г— _ _ _ _ _ —1

ЭКГ сверхвысокого разрешения^,

/ Высокочастотная ЭКГ

_1_

_1_

_1_

_1_

0,01

0,1

10

100

1000 /, Гц

Рис. 1. Характеристики существующих методов электрокадио-графии

гии сердца, о протекающих в нем физиологических процессах и о развитии патологий.

ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА БЭС

При разработках новых методов и реализующих их ИССОС для электрофизических исследований того или иного вида ЖС следует иметь в виду возможность корректировки конструкции и технических параметров самих датчиков-электродов. Так, одним из направлений совершенствования и развития метода ЭКГ СВР является разработка специальных датчиков-электродов для неинвазивных и инвазивных биоэлектрических исследований, в том числе минимизирующих уровень шумов при съеме БЭС. Подчеркнем, что детальное изучение тенденций развития конкретного метода биофизических исследований какой-либо ЖС, а также существующих методик его реализации, позволяет на основе анализа характеристик входных полезных сигналов и всех помеховых воздействий сформулировать требования к границам АЧДД разрабатываемой ИССОС.

Для решения перечисленных научных и технических задач были с использованием современных технологий радиоэлектроники и информатики разработаны принципы, методы и средства первичной обработки БЭС, обеспечивающие значительное уменьшение искажений

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком