Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 62-50.621.693
АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТОДОВ
АНАЛИЗА КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ БИОСИГНАЛОВ
(НА ПРИМЕРЕ ПУЛЬСОВОГО СИГНАЛА ЛУЧЕВОЙ АРТЕРИИ)1
В. В. Гучук, А. А. Десова, А. А. Дорофеюк, Н. Е. Киселева
Описан аппаратно-программный комплекс (АПК), обеспечивающий съем, кодирование, запись в БД, визуализацию и интеллектуальный анализ многопараметрических характеристик квазипериодического биосигнала в режиме реального времени. Рассмотрение ведется на примере обработки пульсового сигнала лучевой артерии. Проведенные с помощью АПК исследования подтвердили принципиальную возможность диагностики ранней стадии артериальной гипертензии в детском и подростковом возрасте на базе результатов анализа ритмической структуры и формы пульсового сигнала лучевой артерии.
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, квазипериодический биосигнал, оптоэлектронный датчик, аналого-цифровой преобразователь, пульсовой сигнал лучевой артерии, интеллектуальный анализ многомерных данных.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время существенно возрос интерес к развитию методов медицинской диагностики с использованием квазипериодических биосигналов [1—3]. Дальнейшее рассмотрение разработанного аппаратно-программного комплекса (АПК) будем проводить на примере пульсового сигнала лучевой артерии. Существенная диагностическая значимость характеристик пульсового сигнала лучевой артерии, подтверждаемая многовековым опытом восточной медицины [4], создает предпосылки для выявления информативных признаков этого сигнала методами современных инструментальных и информационных технологий [5]. Однако извлечение информации из пульсового сигнала современными техническими средствами не тривиально и сопряжено с достаточно большими трудностями, связанными как с созданием эффективных и по-мехозащищенных датчиков пульса, так и с разработкой современных, высоко эффективных методов анализа таких сигналов, а также содер-
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, проектыI 13-07-00229-а,14-07-00463-а.
жательной интерпретацией полученных результатов [1]. Эти факторы обуславливают существенные трудности в использовании характеристик пульсового сигнала в диагностических целях.
Возможности пульсовой диагностики обусловлены тем, что сигнал периферического пульса, в частности лучевой артерии, содержит в себе информацию о многих физиологических процессах, протекающих в организме и, в первую очередь, в сердечно-сосудистой системе. В пульсовом сигнале лучевой артерии находят свое отражение как процессы высших уровней регуляции, так и многие гемодинамические показатели сердечно- сосудистой системы, в том числе внут-рисосудистое давление, напряжение артериальной стенки, волновые процессы в артериальной системе, перемещение масс крови, вязкость крови, интерференция волн в сосудах и т. п. [6]. Все эти процессы в той или иной степени влияют на форму пульсовой волны и ее ритмическую структуру. Эффективный анализ этих характеристик пульсового сигнала во многом определяет успех в определении его диагностических показателей.
Рис. 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса
В статье описывается аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий съем, кодирование, запись в БД, визуализацию и интеллектуальный анализ многопараметрических характеристик квазипериодического биосигнала в режиме реального времени. Комплекс включает в себя: датчик пульсового сигнала, разработанный в ИПУ РАН, устройство оцифровки аналогового сигнала и программное обеспечение, разработанное на базе интегрированной среды Embarcadero RAD Studio. Обобщенная структурная схема комплекса представлена на рис. 1.
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ПУЛЬСОВОГО СИГНАЛА И АЦП-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Съем аналогового пульсового сигнала осуществляется с помощью оптоэлектронного датчика пульса лучевой артерии (рис. 2), обладающего высокой чувствительностью, стабильностью, устойчивостью к электрическим помехам, простотой использования, безопасностью и удобством как для персонала, так и для пациента. Принцип действия оптоэлектронного датчика основан на просвечивании исследуемого сосуда (в данном случае лучевой артерии) и измерении с помощью фотоэлектрического преобразователя отраженного или проходящего светового потока. Спецификой разработанного датчика является применение нескольких параллельных каналов излучатель—приемник. Предполагается, что хотя бы один из них при установке чувствительного элемента на артерию окажется про-модулированным пульсовым потоком. Однако слишком большое число таких каналов может привести к снижению общей чувствительности датчика и увеличению шумов, поскольку становится заметным шунтирование работающих фотоприемников неработающими.
В результате проведенных экспериментов по выявлению оптимального числа параллельных каналов излучения было выявлено, что этому требованию отвечает конструкция, составленная из пяти расположенных рядом по окружности излучающих ИК-светодиодов типа АЛ-108 и одного, помещенного в центре ИК-фотодиода с большой площадью рабочей поверхности типа ФД-24К. Использование такой конструкции существенно облегчает установку датчика и обеспечивает меньшую критичность к движениям пациента. Защита датчика от посторонних помех осуществлена в электрической схеме путем введения модуляции полезным сигналом несущей частоты и последующей ее демодуляции. Это позволило одновременно повысить устойчивость электронной схемы против самовозбуждения и в значительной степени защитить датчик от помех, проходящих по электросети.
В разработанном датчике в отличие от известных конструкций питание излучающих светоди-одов осуществляется не постоянным током, а прямоугольными импульсами в форме меандра. Сигнал, снимаемый с фотоприемника, преобразуется при помощи ЬС-фильтра в синусоиду, промодулированную по амплитуде полезным сигналом, которая далее усиливается и детектируется. Таким образом, помехи для этого датчика могут создавать только световые импульсы с частотой следования, близкой к выбранной несущей частоте. Если выбрать несущую частоту в диапазоне 7...15 кГц, то помехи от посторонних источников света практически наблюдаться не будут. В результате стало возможным отказаться от светонепроницаемых экранов. Питание датчика осуществляется от двуполярного стабилизированного источника ±12 В с рабочим током не ме-
Рис. 2. Датчик пульсового сигнала, разработанный в ИПУ РАН
18 - Sensors & Systems • № 8.2014
Работа Исследование Настройка * Обслуживание Архив
101. Диагностика 201. Поле параметров 301. Обновитель софта | 401. Kill-ErrZ 501. Ф-Объективизатор
102. Картотека 202. Коррелограф 302. Компоновщик ПО 402. Art Beg 502. Формовед
103. Вей влет-анализ 203. Идентификатор 303. Информатор 403. Редактор периодов 503. С-Интервализатор
104. Смотритель 204. Ди-осциллограф | 304. Тест спектров ДР | 404. Art Cur 504. Типизатор спектров |
105. Визуализатор 205. Имитатор 305. Тест волн ДР 405. Beg to Cur 505. Монопериодист
106. Периодизм 206. Квадратор 306. Тест_МПФ 406. Art_Ran 506. Ретро-вол новед
107. Перепродизм 207. Круговерть 307. Тест Окна БПФ 407. Art_Wav 507. Экспортер
108. Волновед 208. Суперпозиция 308. Вей влет - Тест 408. Art Del 508. Импортер
109. Динарядник 209. Читатель периодов | 309. Аппро-Тест 409. Art Bulk 509. Полиглот БД
110. Диаграммовед 210. Читатель ранжиров | 310. Реестровик 410. Art Fix 510. Периодоскоп
111. Коррелист 211. Параметристика | 311. Тест сети 411. Art_Pict 511. Менюшник
112. Статистизм ДР 212. Ранжирограф 312. Учебный класс | 412. Art Clear 512. Мини Селектор |
113. Формостат 213. СоГрафолог 313. Периодовица 413. Прогност1 513. Перепродист
114. Пол+рука 214. Спектринг 314. Тест восстанова | 414. Прогност2 514. Чистильщик
115. Регистрация 215. Моделист 315. ВосстановиТест | 415. ПрогностЗ 515. Синтезатор
Отладка Система пульсог гостики Pulsist т
Рис. 3. Основное меню программного комплекса
нее 100 мА. Основные технические характеристики датчика: частотный диапазон от 2 до 40 Гц; нелинейность амплитудной характеристики менее 5 %; габаритные размеры датчика: диаметр 30 мм, высота 20 мм.
Устройство преобразования аналогового сигнала представляет собой аналого-цифровой преобразователь АЦП 6009 серии МХ производства фирмы National Instruments. Это портативное USB устройство сбора данных имеет 8 однопро-водных и 4 дифференциальных аналоговых входа, 12 цифровых каналов, частоту оцифровки сигналов до 48 кГц, входное разрешение 14 бит.
ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Разработанный комплекс программно-алгоритмического обеспечения [1—3, 5] ориентирован на выявление информативных признаков пульсового сигнала и построение решающих диагностических правил применительно к задачам медицинской диагностики, в частности для выявления ранней стадии артериальной гипер-тензии в детском и подростковом возрасте. Основное меню комплекса представлено на рис. 3.
Комплекс включает программы, реализующие основные этапы анализа пульсового сигнала:
— запись и визуализацию сигнала;
— первичную обработку, в том числе его фильтрацию;
— выделение на пульсограмме основных квазипериодов;
— вычисление в пределах каждого квазипериода параметров локальных экстремумов;
— построение амплитудных и временных динамических рядов;
— вычисление спектральных характеристик пульсового сигнала и построение их динамических рядов;
— формирование информативных признаков;
— построение двухмерных дихотомических группировок исследуемых объектов с целью выявления параметров информативных как с точки зрения типологии формы пульсового сигнала и его ритмической структуры, так и с точки зрения построения решающих правил диагностики;
— построение решающих диагностических правил с использованием различных типов алгоритмов распознавания и идентификации [5].
Во всех разработанных блоках комплекса реализуется выбор типа селекции, с помощью которой выбираются следующие привилегированные характеристики.
1. Код пульсограммы.
2. Имя (Ф. И. О.) пациента.
3. Дата регистрации пульсограммы.
4. Опции.
5. Диагноз.
6. Тип формы (субъективные, факт
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.