Биотехнические мехатронные системы

2

Кафедра: Кибернетика и Робототехника

Курсовая Работа

На тему:Биотехнические мехатронные системы

Москва, 2009

Введение

Биотехнические системы (БТС) -- сложные системы, включающие биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели. Элементами БТС могут быть различные биологические объекты -- бактерии или дрожжи в системах микробиологического синтеза, биодатчики в системах контролирования или поддержания параметров среды обитания, человек, управляющий сложными техническими устройствами, и др. Для медицины наибольший интерес представляют системы человек -- машина (СЧМ), иногда называемые БТС технической ориентации, или человеко-машинными комплексами, которые позволяют наилучшим способом согласовать и использовать возможности человека для управления техническими устройствами, а также системы медико-биологической ориентации (инженерно-физиологические системы), предназначенные для создания и поддержания определенных условий функционирования организма, отдельных физиологических систем или органов.

По назначению системы человек -- машина весьма разнообразны: управляющие, обслуживающие, обучающие, информационные, исследовательские, экспертные и др. Их разработка ведется с привлечением результатов медицинских исследований (антропометрических, физиологических, психофизиологических), что позволяет улучшить организацию рабочего места (выбор формы управляющего пульта, расположение на нем средств отображения информации и органов управления, устранение отвлекающей информации). По мере развития автоматизированных систем управления в организации рабочего места возникают новые проблемы, связанные с компьютеризацией и организацией программной поддержки различных элементов деятельности оператора. Переход к новым информационным технологиям во многих случаях переносит центр тяжести работы человека в СЧМ от простых действий к реализации функций управления более широкого плана. Это относится, в частности, к проблеме автоматизации рабочего места врача, где характер работы специалиста с информационными массивами определяется не только аппаратными и программными возможностями ЭВМ, но и психологическими особенностями человека. Изучение проблем создания СЧМ с учетом анатомических, физиологических, интеллектуальных и социально-психологических качеств оператора или группы операторов, рассматриваемых в качестве элемента БТС технической ориентации, является задачей инженерной психологии (эргономики).

Инженерно-физиологические БТС подразделяют на системы, восстанавливающие функции целостного организма, и системы, поддерживающие жизнедеятельность отдельных систем и органов. Среди первых можно выделить системы коррекции информационных потоков (протезирование зрения, слуха); вспомогательные системы и системы управления естественными органами (пейсмекеры, электростимуляторы, вспомогательные системы дыхания и кровообращения, системы индивидуальной тепловой защиты); технические устройства и аппараты, заменяющие естественные органы и системы (биопротезы, искусственная почка и т.д.).

Создание БТС помощи рецепторным системам связано с успехами микроэлектроники, позволяющими конструировать протезы сенсорных систем. Ранее попытки вернуть человеку утраченное зрение или слух были направлены на разработку технических средств, заменяющих функции неработающего анализатора другими, работающими нормально (например, путем перевода зрительных сигналов в тактильные ощущения). В последние годы были выполнены научные программы по восстановлению утраченных функций без перевода одной модальности сигналов в другую. Наибольший прогресс достигнут в области протезирования слуха -- разработаны системы, вызывающие звуковые ощущения с помощью стимулирования окончаний слухового нерва фокусированным ультразвуком или электрическим током. Создание систем реабилитации двигательного аппарата и некоторых других функций с помощью технических средств визуализации информации ведется на принципах биологической обратной связи. Ускорение процесса восстановления нормальных двигательных или иных навыков после различного рода нарушений в нервно-мышечном аппарате осуществляется путем перевода сигналов управления в организме, отражаемых, например, миограммой, в зрительные образы, которые с помощью дисплея ЭВМ предъявляются больному. Пробуя разные способы управления движениями, пациент сравнивает получающиеся миограммы с идеальной и стремится ее воспроизвести. Это позволяет быстро найти и освоить наиболее удобные для конкретного человека способы управления мышцами. Системы типа биологической обратной связи используют и здоровые люди для скорейшей выработки двигательных или других навыков (например, спортсмены при отработке навыков выполнения сложных комплексов движений).

Наибольшее распространение в медицине получили БТС, облегчающие функционирование естественных органов или стимулирующие их работу. К этому типу БТС кроме массажеров и систем электростимуляции органов относятся системы принудительной вентиляции легких, искусственного кровообращения, внепочечного очищения крови, а также системы жизнеобеспечения и средства индивидуальной защиты, используемые при работе человека в экстремальных условиях -- под водой, в открытом космосе и т.п.

Среди БТС, заменяющих естественные органы или утраченные функции, наиболее известны биоуправляемые аналоги органов движения, разрабатываемые с конца 50-х гг. 20 в., но они еще не вышли за рамки экспериментальных образцов. Искусственные внутренние органы представляют собой чаще всего системы типа насосов, доставляющие в организм необходимые для жизнедеятельности вещества (искусственное сердце, искусственная поджелудочная железа) или выводящие из организма продукты обмена.

Главным направлением инженерной физиологии как научной дисциплины является анализ процессов взаимодействия физиологических систем организма с техническими устройствами и системами, т.е. анализ процессов обеспечения жизни в техносфере. Основными методами анализа являются математическое моделирование поведения систем организма при взаимодействии с техническим окружением и вычислительные эксперименты.

Важной задачей разработки БТС является проблема согласования биологических объектов с техническими компонентами -- выбор алгоритмов управления техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем.

Прогресс в конструировании и применении БТС биомедицинского направления обусловлен как достижениями биологии, физиологии и кибернетики в понимании сущности жизненных процессов, так и успехами микроэлектроники и компьютерной техники как средств использования накопленных знаний для медицинских целей.

1 Развитие биотехнологии

Биотехнология -- это настоящее, но еще в большей мере будущее науки, технологии производства. Следовательно, в определенном смысле это, наравне с глобальной информатизацией, и будущее человечества. Значительные возможности биотехнологии в решении коренных социально-экономических проблем современного общества, многоаспектность ее влияния на общество (производство, сельское хозяйство, медицину, решение глобальных проблем, общественное сознание) позволяют не только рассматривать научные исследования в этой области как приоритетные, но и порождают спектр философско-методологических проблем, требующих своего осмысления. Биотехнология представляет собой область биотехнических исследований, развитие которых связано с процессом технизации биологии. Названный процесс обусловлен усиливающимся взаимодействием биологии с техническими науками, прежде всего микроэлектроникой и материаловедением, и производством в рамках формирующейся системы «наука -- техника -- производство». В результате появляются особенности биологического познания, а также новые формы овеществления биологических знаний в практике общественного производства (создание биотехнических систем, биотехнологии, биоиндустрии).

1.1 Субъект и объект биотехнических исследований

В теоретико-познавательном отношении особенности биотехнических исследований связаны с изменением субъекта и объекта биологического познания -- происходит формирование субъекта и объекта биотехнических исследований. Объект биотехнических исследований задается исследователем путем проектирования и конструирования -- процедур, традиционно используемых в технических науках и инженерной деятельности. В настоящее время в биологии существует реальная возможность конструировать новые живые системы, направленно изменяя наследственный аппарат вирусов, микроорганизмов Как результат конструирования и проектирования объект биотехнического исследования становится искусственным (станет ли искусственной сама жизнь?). Причем процесс конструирования биотехнического объекта подчинен цели последующего производственного использования его, что также не является традиционным для биологии, а составляет особенность технических наук. Меняется характер и направленность познавательной деятельности субъекта биологического познания. Проектная и конструкторская деятельность формирует в научно-биологическом исследовании фигуру биоконструктора, биоинженера.

Характеристики объекта биотехнического исследования, закономерности его функционирования должны описываться адекватной системой понятий. Поэтому закономерной является эволюция понятийного аппарата биологии в условиях ее технизации. В последние годы в научно-биологической литературе появились понятия, ранее не свойственные биологии, -- биотехнические системы, биотехника, биоинженерия, конструирование, проектирование, искусственные организмы, биоиндустрия.

1.2 Биотехнологии, естественнонаучное познание и технические науки

Структурная организация биотехнологии (включающая связи со многими областями биологии, с химией, физикой, математикой, с техническими науками, инженерно-технологической деятельностью, с производством) позволяет интегрировать в ее рамках естественнонаучные, научно-технические знания и производственно-технологический опыт. При этом формы интеграции науки и производства, осуществляемые в рамках биотехнологии, качественно отличаются от форм интеграции, реализуемых во взаимодействии других наук с производством. Во-первых, технические приемы используются в таких областях биологии, которые уже явились результатом интеграции с физикой, химией, математикой, кибернетикой,-- генная инженерия, молекулярная биология, биофизика, бионика и др. В результате формирование понятий биотехнологии, носящих синтетический характер, отражает определенный момент в движении к системе общетехнических понятий, охватывающей кроме традиционных новые виды технических объектов, технической деятельности. Во-вторых, в форме биотехнологии задается ориентация развития нового технологического способа производства, в котором существовала бы фаза, направленная на восстановление нарушенного природного равновесия. Биотехнология и в этом, экологическом, отношении проявляет свои преимущества: она способна функционировать таким образом, что возможно использование полученных на отдельных стадиях синтеза продуктов в сложных циклах производства, т. е. появляется возможность разработки безотходных производственных технологических процессов. Наиболее перспективной областью биотехнологии является генная инженерия. Технологичность генной инженерии связана с возможностью использовать ее объекты и знания не только в производственных целях, а именно для разработки новых технологических процессов. Она технологична по содержанию своей исследовательской деятельности, так как ее основу составляют проектирование и конструирование «искусственных» молекул ДНК. В методологическом смысле в генной инженерии налицо все признаки конструирования: проект-схема, отражающая замысел исследователя и определяющая целевую направленность будущего объекта, искусственность исследуемого объекта: целенаправленная конструкторская деятельность, результатом которой является новый искусственный объект -- молекула ДНК. Как видно, генная инженерия технологична как во внешнем (производственно-технологическом), так и во внутреннем (собственное содержание науки, ее методы) отношении. Особенности генной инженерии как технологии связаны с качественной спецификой конструирования в ней в сравнении с конструированием в инженерно-технических областях. Эта специфика состоит в том, что результатом конструирования выступают саморегулирующиеся системы, которые, являясь биологическими, в то же время могут квалифицироваться как искусственные (технические). Следует также подчеркнуть, что если в инженерно-технической деятельности конструирование и техническое воплощение новых систем связано с системной проектировочной деятельностью, то в биологии конструирование связано со всей системой физико-химических, молекулярно-биологических методов и знаний, которые интегрированы в теоретической модели, предшествующей искусственной системе.

2 Биотехническая система для исследования зрения детей

Зрение играет большую роль в жизнедеятельности человека. Зрительная система является одной из важных сенсорных систем организма и обеспечивает получение и обработку более 80% информации об окружающем нас мире. Формирование зрения наблюдается в возрасте от 2 до 9 лет. В этом возрасте активно развиваются функции пространственного, бинокулярного, глубинного, стереоскопического и цветового зрения, которые в дальнейшем определяют способность человека воспринимать окружающий мир в многообразии. В процессе формирования зрения имеют место и отклонения от нормального развития, которые приводят к нарушениям аккомодации, развития бинокулярного зрения и другим заболеваниям глаз. Поэтому проблема диагностики состояния и контроля уровня развития зрения детей является одной из социально значимых. Недостаточная эффективность существующих технических и методических средств для исследования зрения детей явилась причиной разработки биотехнической системы.

Рассматриваемая биотехническая система предназначена для клинических исследований состояния зрения детей дошкольного возраста - оценки остроты зрения, цветоразличительной способности, частотно-контрастной чувствительности зрения. Рассмотрим основные компоненты разработанной биотехнической системы.

Разработанная биотехническая система БТС является типичным примером интеллектуальной информационно - измерительной системы.

Ядро системы составляет микропроцессорное устройство (компьютер), МПУ, которое обеспечивает управление цифровым синтезатором изображения ЦСИ, блоками регистрации БР ответной реакции испытуемого, отображения БО результатов исследования, панелью управления ПУ врача. Ввод в МПУ сигналов, характеризующих ответную реакцию испытуемого, осуществляется через устройства ввода УВ. Содержательная часть перечисленных блоков и модулей может быть раскрыта компонентами, широко известными в компьютерных системах. В этом случае можно перейти к следующему уровню детализации структуры БТС. Например, ЦСИ может быть реализован на основе графического контроллера или высокоскоростного видеоконтроллера ВК. Устройство ввода УВ может быть представлен в виде параллельного порта, а ПУ - клавиатурой персонального компьютера. Структурная схема аппаратного обеспечения БТС представлена на рис.1.

Программной обеспечение разработанной офтальмодиагностической системы состоит из десяти модулей. При запуске программного комплекса пользователь входит в Меню верхнего уровня, которое содержит следующие модули: “Параметры компьютера”, “Регистрационная карта”, “Острота зрения”, “Частотно-контрастная чувствительность зрения”, “Цветовое зрение”, “Тестирование”, “Обработка результатов”, “Просмотр результатов”, “О программе”, “Завершение результатов”.

Рисунок 1 Структурная схема офтальмо-диагностической системы

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина; ВК - видеоконтроллер; ДИ - дисплей испытуемого; И - испытуемый; ПИ - пульт испытуемого; ЭОИП - электро-оптический измерительный преобразователь; ДВ - дисплей врача; В - врач-исследователь; ПВ - пульт врача П- печать.

Модуль “Конфигурация компьютера” обеспечивает согласование программного комплекса с конкретным аппаратным обеспечение. Поскольку разработанный комплекс может работать с мониторами и видеокартами различных типов, удовлетворяющих минимальным требованиям, сформулированным в пункте “аппаратное обеспечение”, то пользователю необходимо задать в явном виде используемый аппаратный состав, если он отличается от стандартного. Это относится к видеоконтроллеру, дисплею испытуемого, типу пульта испытуемого (одно - или двух координатные манипуляторы). Кроме того, при использовании в системе дисплея испытуемого, отличающегося от принятого по умолчанию линейными размерами экрана, система должна будет произвести пересчет угловых размеров выводимого тесового изображения.

Модуль “Регистрационная карта” осуществляет автоматический поиск регистрационной карты испытуемого по его идентификаторам для ее заполнения врачом на этапе формирования анамнеза и врачебного заключения или оперативного просмотра результатов предыдущих исследований. Результаты обследования фиксируются в регистрационной карте автоматически при подтверждении этой операции врачом. Регистрационная карта представляет собой автоматизированную базу данных.

Модуль “Острота зрения” обеспечивает задание конкретных параметров исследования остроты зрения: угловые размеры начального зрительного стимула, число разрядов уравновешивания (шагов приближения), количество повторов, способ регистрации ответной реакции.

Модуль “Частотно-контрастная чувствительность зрения” обеспечивает задание конкретных параметров исследования пространственных передаточных характеристик зрения.

Модуль “Цветовое зрение” обеспечивает задание конкретных параметров исследования цветового зрения: эталонные цвета, максимальное различие между эталонным фоном и тестовым стимулом, количество повторов.

Модуль “Тестирование” обеспечивает контроль фиксации испытуемого на заданном расстоянии от дисплея для обеспечения заданных угловых размеров стимулов и тестирование испытуемого. В процессе тестирования эффективность выполнения тестового задания.

Модуль “Обработка результатов” предназначен для указания интересующих статистических характеристик, которые необходимо оценить при обработке измерительной информации (средне выборочное значение, выборочная дисперсия) задания доверительной вероятности или указания доверительного интервала. Модуль используется для предварительной обработки измерительной информации.

Модуль “Просмотр результатов” предназначен для указания типа отображения и документирования полученных результатов. Модуль обеспечивает просмотр, ранее полученный результатов исследования зрения и сравнения их с усредненными индивидуальными и групповыми показателями. Модуль можно рассматривать как элемент интеллектуальной поддержки принятия решения врача.

Модуль “О программе” обеспечивает пользователю информацию о назначении системы, ее функциональных возможностях, используемых методиках исследования, основных технических, в том числе и метрологических, характеристики, информацию об условиях эксплуатации системы и т.д.

Модуль “Завершение работы” предназначен для выхода из программного комплекса.

Методика исследования зрения представляет собой совокупность действий, направленных на:

обеспечение определенных условий исследования в биотехнической системе (обеспечение угловых размеров тестовых объектов на экране электронно-лучевой трубки ЭЛТ, зрительного внимания и сосредоточенности, воздействия на определенные участки сетчатки, исключения влияния внешних факторов, снижающих точность результатов оценки пороговых характеристик зрения);

- регистрацию ответной реакции испытуемого на тестовое воздействие;

- обработку и оценку информативных показателей регистрируемых сигналов;

- анализ результатов исследований и формирование врачебного заключения о состоянии зрительной системы испытуемого.

Каждое исследование зрительной системы направлено на оценку определенной пороговой характеристики зрения, для получения которой разрабатывается соответствующая методика исследования.

Предлагаемый нами офтальмодиагностической комплекс предназначен для оценки ряда пороговых характеристик зрения, например, оценки остроты зрения, цветовой чувствительности зрения, частотно-контрастной чувствительности.

Наряду с перечисленными уровнями обеспечения разработанная биотехническая система содержит "Метрологическое обеспечение" и "Информационное обеспечение". Метрологическое обеспечение включает совокупность средств для обеспечения единства измерений, воспроизводимости результатов исследований и периодической поверки фотометрических и цветовых характеристик дисплея испытуемого. Информационное обеспечение содержит средства, необходимые для обработки результатов исследований, интеллектуальной поддержки принятия решений врача-исследователя. Эти средства составляют основу базы знаний и данных.

Апробация разработанной автоматизированной системы, методов и алгоритмов исследования проводилась осуществлялась на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды Государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" на группе испытуемых, численностью до 100 человек. Исследования цветоразличительной способности, частотно-контрастной чувствительности и остроты зрения проводились для каждого испытуемого монокулярно и бинокулярно.

При проведении исследований цветоразличительной способности использовались 8 эталонных цветовых стимулов (СТ1-СТ8), которые равномерно распределены по краям диаграммы цветности колориметрической системы люминофоров дисплеев на ЦЭЛТ стандарта Hi-Bri и имеют 100% насыщенность. Программный комплекс обеспечивает возможность задания эталонных цветовых стимулов с произвольными параметрами.

На рисунке приведены примеры результатов исследований цветоразличительной способности для 2 пациентов. В равноконтрастной системе UVW МКО-64 пороги цветового зрения для выбранных 7 эталонных стимулов для пациента с нормальным трихроматическим зрением приблизительно одинаковы. Цветоразличительная способность составляет 1-3 единиц порогов цветоразличения Мак-Адама (0,0039 единиц координат цветности uv), а диапазон разброса не превышает 50% от уровня индивидуальной нормы. В случае аномальной трихромазии имеет место явно выраженная неоднородность порогов цветоразличения для выбранных эталонных стимулов, существенно увеличивается и диапазон разброса. В Таблице 1. приведены результаты исследования цветоразличительной способности для 16 испытуемых. Испытуемые № 3, 8 и 11 имеют слабо выраженную аномальную трихромазию в виде снижения чувствительности одного из 3 типов фоторецепторов. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований цветового зрения, проведенных зарубежными и российскими исследователями.

Таблица 1 Пороги цветоразличения

№	Пороги цветоразличения, относительные единицы
Пп	СТ1	СТ2	СТ3	СТ4	СТ5	СТ6	СТ7	СТ8
1	0.68	1.21	1.27	0.59	1.15	1.28	1.32	1.78
2	1.34	1.21	0.66	1.14	1.15	1.28	1.31	1.79
3	0.68	0.61	1.27	0.59	2.24	1.28	2.61	1.78
4	1.34	1.80	1.27	1.15	1.15	1.28	2.61	1.78
5	1.34	1.21	0.66	1.14	1.15	1.27	2.61	1.78
6	0.68	1.21	0.65	0.59	1.15	1.28	1.32	1.78
7	1.34	1.21	0.66	0.59	1.15	1.28	2.61	1.78
8	1.09	0.98	0.81	0.52	0.58	0.65	1.64	2.22
9	1.34	0.61	0.66	0.59	1.15	1.28	1.32	1.78
10	1.34	1.80	1.27	1.14	1.15	1.28	2.60	1.78
11	1.34	1.80	0.65	0.59	1.15	1.28	1.32	3.5
12	1.34	1.21	0.65	0.59	1.15	1.27	1.32	1.78
13	2.63	1.80	0.66	1.14	1.15	1.28	1.32	1.78
14	1.34	1.21	0.66	0.59	1.15	1.28	1.32	1.78
15	1.34	1.80	1.27	0.59	1.15	1.28	2.6	1.78

Исследования частотно-контрастной чувствительности ЧКЧ проводились в диапазоне пространственных частот от 0,5 до 20 циклов/градус на 11 фиксированных частотах. Количество измерений на каждой фиксированной частоте при проведении одного сеанса монокулярных исследований было не менее 5. Количество сеансов обследований было не менее 10. В качестве тест-объектов использовались изображения птицы, рыбы, собаки, контуры которых ограничивали тестовые решетки заданной частоты. На рис.3 приведены примеры зависимости контрастной чувствительности зрения от пространственной частоты синусоидальных решеток. Для зрительной системы, не имеющей какие-либо функциональные нарушения, частотно-контрастная чувствительность имеет максимум на уровне 70-100 единиц в диапазоне пространственных частот от 4 до 10 циклов/градус (рис.3-a). На рис. 3-b приведен пример ЧКЧ зрения пациента, имеющего патологию сетчатки. Контрастная чувствительность зрения исследуемого глаза существенно понижена. В таблице 2. приведены результаты исследований ЧКЧ для 11 испытуемых. Пациент 7 имеет пониженную чувствительность глаза, пациент 11 имеет выраженную неравномерность ЧКЧ глаза в области высоких частот, что обусловлено функциональными нарушениями аккомодации. Эти результаты согласуются с результатами известных исследований.

Таблица 2 Пространственная частота

№ П.п	Пространственная частота [цикл / град.]
	0.5	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
	Контрастная чувствительность
1	66.66	100	71.	100	100	66.6	46.6	20.6	18.4	13	9.44
2	100	100	10	100	71.	66.6	50	30	16.1	12	8.27
3	100	100	10	100	100	29.52	17.17	15.59	16.4	8.68	6.69
4	83.33	100	100	83.3	50	31.74	16.98	12.96	10.18	8.73	6.48
5	50	100	100	50	50	20	20	16.66	10.52	9.52	8.33
6	50	100	100	50	40	16.66	14.28	11.11	9.52	8.33	8.33
7	36	22.5	18	6.92	11.2	10.5	11.2	11.2	5.8	4.73	4.73
8	140	150	140	48.5	28.2	44	50.5	23	14.1	19.8	17.29
9	100	100	10	100	100	50	32.3	18.8	12.5	9.12	12.43
10	83.33	100	100	100	100	50	39.5	20.3	19.8	12.6	8.73
11	100	100	100	75	50	19	19	14.7	12.7	20.5	6.58

Исследования остроты зрения проводились с использование тест-обектов двух типов: с кольцами Ландольта и с использованием силуэтных картинок (круга, домика и квадрата). Дополнительно результаты исследования проверялись с использованием таблиц Головина -Сивцева. Количество измерений остроты зрения испытуемого для одного сеанса исследования (монокулярно для каждого глаза) было не менее 5, общее количество сеансов тестирования было не менее 10. Эти исследования проводились в течении 3 месяцев. Результаты исследований для каждого глаза усреднялись по общему количеству измерений. Результаты исследования с помощью предложенных методик дали несколько заниженную (от 20 до 30%) оценку остроты зрения по сравнению с исследованиями на таблицах Головина-Сивцева. В качестве причин, вызвавших снижение остроты зрения, можно отметить импульсный характер излучения тестового изображения и дискретных характер растра. В основном эти результаты также хорошо согласуются с результатами известных исследований.

Проведенные исследования подтвердили шумовую природу порогов зрения, необходимость оценки порогов зрения на заданном уровне вероятности обнаружения зрительных стимулов, работоспособность разработанных компонент компьютерной технологии исследования зрения с использованием электронных дисплеев и алгоритмов оценки порогов зрения.

3 Имплантируемый биотелеметрический комплекс

Биотелеметрия - это область науки и техники, занимающаяся вопросами дистанционного измерения медико-биологических параметров. Имплантируемый биотелеметрический комплекс предназначен для исследования физиологических процессов, происходящих во внутренних органах, при котором параметры этих процессов измеряются радиотелеметрическим способом. Комплекс состоит из имплантируемого радиопередатчика, радиоприемника, информация с которого поступает в компьютер (рис. 3), и программного обеспечения, необходимого для визуализации и последующей обработки поступивших биофизических данных. Таковыми являются: температура, давление, ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ.

Работа имплантируемых систем имеет ряд характерных особенностей, основной из которых является функционирование в ближней (индуктивной) зоне излучения в специфических условиях внутриорганизменной среды, которые определяют основные требования, предъявляемые к методам передачи и конструкции имплантируемой части системы. При прохождении радиосигнала через живую ткань он существенно ослабляется - тем больше, чем короче длина волны, поэтому для передачи информации из внутренних частей организма используют низкие частоты. Однако применение низкочастотного диапазона радиоволн связано со значительными техническими трудностями, в частности с трудностью создания высокоэффективных излучателей при жестких ограничениях на габариты и массу передатчика. Последнее обстоятельство имеет особое значение для имплантируемых систем. Поэтому для имплантируемых систем, которые располагаются близко к приемной антенне, используется диапазон частот 0.05…100 МГц. Использование высоких частот порядка сотен МГц позволяет создать весьма эффективные излучающие системы. Ограничивающим фактором увеличения частот здесь являются медико-биологические требования, согласно которым частоты свыше 10 МГц оказывают вредное воздействие на организм.

Рисунок 3 Обобщенный вид биотелеметрического комплекса

Объектами исследований являются мелкие лабораторные животные: мыши, крысы. Зачастую, основной целью таких исследований является изучение влияния новых медицинских препаратов на жизнедеятельность и поведение животных. Неоспоримое преимущество радиотелеметрического метода исследований над остальными методами заключается в том, что на качество измерений не оказывает влияние стресс, вносимый животному при операции, так как имплантируемый модуль подразумевает длительный срок своей работы внутри организма. Поэтому необходимо иметь возможность управлять режимом работы передатчика. Простейшим способом управления является дистанционное включение/выключение питания передающего модуля, с использование магнитного выключателя (геркона). Это позволяет включать модуль только на период измерений, что существенно увеличивает общую продолжительность работы модуля внутри организма. Рассмотрим структурную схему передающего модуля биотелеметрического комплекса, приведенную на рис. 4.

2

Рисунок 4 Структурная схема имплантируемого передающего модуля биотелеметрического комплекса

Перед разработчиком передающего модуля биотелеметрического комплекса ставится цель: синтезировать оптимальную структуру этого модуля. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- выбор критериев оптимальности;

- синтез модели передающего модуля;

- анализ синтезированной модели.

Каждая из этих задач разбивается на множество подзадач. Совместное решение всех подзадач позволяет судить об оптимальности решения основных задач. Основными критериями оптимальности для имплантируемого передающего модуля являются:

- массогабаритные параметры;

- энергопотребление;

- совместимость материала корпуса устройства с биологическими тканями;

- совместимость параметров радиосигнала с биологическим организмом.

Также немаловажны и другие критерии:

- информационный;

- совместимость с каналом связи;

- возможность дистанционного управления над имплантируемым модулем.

За последние годы микроконтроллеры (МК) стали более удобными и общедоступными. С их помощью стало возможным построение самых разных по сложности систем. Большое количество фирм-производителей микроконтроллеров позволяет разработчику произвести выбор такой модели МК, которая бы оптимально подходила для решения конкретной задачи. Для передающего модуля биотелеметрического комплекса выбор микроконтроллера осуществлялся по следующим главным критериям: наличие встроенного АЦП, минимальное отношение тока потребления к производительности, минимальные размеры корпуса. Были изучены линейки подобных микроконтроллеров таких фирм, как Microchip, Atmel, Silicon Labs, Texas Instruments. Ниже приведена (таблица), в которой для сравнения указаны основные характеристики 4-х микроконтроллеров этих фирм.

Сравнительные характеристики микроконтроллеров

Основные Микроконтроллер характеристики	Microchip PIC12F683	Atmel ATtiny15L	Silicon Labs C8051F300	Texas Instruments MSP430F2002
Ток потребления в активном режиме (IA, мкА)	100 @ 2В, 1МГц	3000 @ 3В, 4МГц	5000 @ 25 МГц	220 @ 2.2В, 1МГц
Ток потребления в режиме покоя (Is, мкА)	0.001 @ 2В	1 @ 3В	0.1	0.5
Минимальное напряжение питания (Umin, В)	2	1.8	2.7	1.8
Удельное быстродействие, MIPS/MГц	0.25	1	1	1
АЦП (разрядность, бит / количество каналов)	10/4	10/4	8/1	10/8
Типы корпуса (название/количество выводов)	SOIC/8	SOIC/8	QFN/11	PSOP/14

Наряду с основными техническими характеристиками микроконтроллеров, также немаловажна и внутренняя структура МК, которая характеризуется режимами их работы. Для построения передающего модуля биотелеметрического комплекса был выбран микроконтроллер PIC12F683 семейства NanoWatt фирмы Microchip, который последовательно выполняет следующие действия:

- аналого-цифровое преобразование сигналов, снимаемых с первичных датчиков;

- сохранение результата в оперативной памяти;

- формирование сигнала с времяимпульсной модуляцией, который затем поступает на передатчик.

Использование микроконтроллера в имплантируемом передающем модуле биотелеметрического комплекса, значительно упрощает конструкцию самого модуля, делает его более гибким, удобным для различных подстроек и калибровок, универсальным по отношению к биофизическим сигналам разной природы.

4 Программно-аппаратная система сбора физиологических сигналов на базе устройства NI USB 6008

Целью данного проекта является разработка и создание универсальной системы сбора и обработки экспериментальных данных, получаемых в ходе проведения физиологических исследований. А также поиск компонентов и их оптимального сочетания для создания такого рода системы

Область применения и требования

Система будет являться инструментом проведения широкого спектра физиологических исследований. Разрабатываемая система упростит как технологию проведения эксперимента, так и процесс анализа полученных данных. В рамках проекта планируется использование системы для регистрации таких физиологических параметров как ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, температуры, давления.

Предварительно следует отметить, что система состоит из двух компонентов: программного модуля на персональном компьютере и аппаратного модуля (рис. 5). Элементы структуры системы будут рассмотрены позже. Система должна реализовать следующие основные функции, необходимые при проведении исследования:

- сбор экспериментальных данных;

- обработка собранных данных;

- обеспечение доступа пользователя к результатам эксперимента;

- экспорт в альтернативные системы обработки данных.

Ограничения, накладываемые на систему. Система должна:

- обеспечивать минимальные искажения результатов исследования;

- исключить возможность потери экспериментальных данных, в результате сбоя любого рода;

- иметь доступную современной лаборатории цену;

- иметь возможность изменения конфигурации, а именно не быть жестко привязанной к конкретной реализации аппаратного модуля;

- работать под управлением операционных систем Windows 2000\ХР, как наиболее широко распространенных и доступных операционных систем на настоящее время;

- обеспечивать функциональность при простоте пользовательского интерфейса;

Актуальность проблемы

Автору известно два способа построения подобного рода систем. Первый заключается в создании системы на базе одного устройства, которое объединяет в себе функции сбора, обработки и мониторинга данных. На настоящее время цены прободных устройств исчисляются тысячами долларов и к тому же эти системы не гибки, ограничены ресурсами, и неудобны для исследовательской деятельности (так как, в конечном счете, данные эксперимента, исследования представляется в электронном виде на персональном компьютере, а механизмы синхронизации с ПК в этих системах очень ограничены).

Вторым способом решения проблемы создания универсальной системы сбора данных, является разделение системы на 2 части - программной на базе персонального компьютера и аппаратной. Фирмы выпускающие прободные решения жестко «привязывают» программный модуль к аппаратному, и смена аппаратной части ведет к затратам на закупку соответствующего ПО. Более широкие системы, например, LabView от фирмы National Instruments (поддерживает всю линию устройств данной фирмы), являются сложными в обращении, настройке и требуют либо затрат на поддержку и сопровождение, либо специального обучения конечных пользователей системы.

Биотелеметрические системы такой двухкомпонентной структуры имеют ограничения по частоте дискретизации снятия данных или по продолжительности проведения эксперимента.

Таким образом, гибкой, относительно дешевой, простой и универсальной системы сбора данных на настоящий момент не существует.

Структура системы

Как уже упоминалось ранее, система состоит из двух основных компонентов. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Рисунок 5 Общая структура системы

Аппаратный модуль

В состав модуля входят датчики для снятия экспериментальных данных с объектов исследования и устройство оцифровывающее принимаемые данные и передающее их на сервер сбора данных (персональный компьютер).

В данном проекте в качестве устройства, принимающего данные с датчиков, используется устройство фирмы National Instruments USB-6008. Устройство подключается к персональному компьютеру по шине USB, что обеспечивает удобство подключения и эксплуатации, в отличии от устройств подключаемых по портам СОМ. В своем составе устройство имеет 12 битный АЦП и имеет частоту дискретизации отсчетов для снятия данных в сумме до 10 КГц. Это значит, что мы можем снимать данные с 10 каналов по 1КГц или 1 канала с частотой 10 КГц. Система удобна при подключении к ПК, но имеет совершенно не удобный интерфейс для подключения датчиков.

Важным элементом системы является датчик - модуль системы, снимающий показания непосредственно с объекта эксперимента. Однако разработка и рассмотрение датчиков не входит в рамки данного проекта.

Программный модуль

Модуль можно в свою очередь разделить на графической пользовательский интерфейс и ядро системы. Упрощенная структура программного модуля приведена на рис. 6.

Рисунок 6 Упрощенная структура программного модуля

Функции графического пользовательского интерфейса:

- отображение данных поступающих с датчиков, как в реальном режиме, так и в режиме просмотра ранее сохраненных данных;

- отображение результатов обработки данных;

- обеспечивает возможность пользователю управлять системой.

Функции ядра системы:

- сбор и сохранение данных с одного или нескольких источников;

- обеспечение доступа пользователя к данным;

- обработка сохраненных данных и конвертация данных в другие форматы представления.

Взаимодействие программного модуля с аппаратным модулем NI USB-6008 осуществляется с помощью библиотек от фирмы NI, поставляющихся вместе с устройством.

Особенности программного модуля. Для сохранения экспериментальных данных, и всей информации связанной с проводимым исследованием будет использоваться структурированное хранилище. Структурированное хранилище - технология, разработанная фирмой Microsoft, представляет собой иерархическую систему хранения данных, которая имитирует файловую систему внутри файла. Это простой и эффективный метод размещения объектов и составных файлов. Механизм позволяет увеличить производительность и снизить накладные расходы, характерные для хранения отдельных объектов в обычных файлах.

В целях экономии дискового пространства система может использовать сжатие данных по алгоритму Zip, которое будет реализовано с использованием открытой и бесплатной библиотеки zlib. Это даст возможность уменьшить объем занимаемый экспериментальными данными на диске в 5-10 раз.

Без возможности применения обработки к экспериментальным данным система такого рода представляет малый интерес для исследователя. Под обработками понимаются различные виды фильтрации, сглаживания, подавления шумов, и т.п. Разрабатываемая система дает пользователю возможность иметь расширяемый список обработок, причем обработки могут быть предназначены как для физиологических сигналов, так и любых других. Обработки применяются к любым уже записанным данным, а их результаты сохраняются в рамках того же эксперимента.

Особенностью данной системы при реализации алгоритмов обработок является использование функций и средств пакета Mathlab. Следует заметить, что дополнительная установка всего пакета Mathlab не нужна, все компоненты, реализующие обработки будут входить в состав программного модуля.

Предполагается создание возможности сбора данных по сети по протоколу TCP/IP, с удаленных машин со своими аппаратными устройствами сбора данных, участвующих в одном и том же эксперименте, и расположенных как в локальной сети, так и соединенных через Интернет.

Гибкость и универсальность системы

Основным компонентом системы является программный модуль. Программный модуль вместе с современным персональным компьютером (не «топовой» моделью, а моделью среднего класса, с частотой процессора порядка 2 ГГц) имеет достаточный запас мощности, чтобы обеспечить обработку (прием, сохранение, мониторинг) экспериментальных данных с большего, чем в данном проекте, числа каналов, и с большей частотой дискретизации - порядка 10 КГц на канал. Ограничение на возможности системы накладывает используемое устройство, оно определяет количество каналов сбора данных, частоту отсчетов и другие важные параметры, определяющие способ проведения исследования. Архитектура программного модуля разрабатывается с учетом возможности применения другого аппаратного модуля. Программный модуль может быть использован совместно как с проводными, так и с беспроводными устройствами, подключаемыми к ПК как по шинам USB, FireWire, СОМ порту.

Проект находится на этапе завершения написания ядра программного модуля, частично проработан интерфейс пользователя. Ближайшими целями являются доработка ядра и создание расширенного списка форматов экспорта. Большим недостатком устройства сбора данных (аппаратного модуля) в этом проекте помимо ограничения на частоту дискретизации и неудобства интерфейса для подключения датчиков, является отсутствие гальванической развязки, что исключает возможность использования устройства с живыми объектами в реальном эксперименте. Планируется заменить устройство аналогичным устройством со схожими характеристиками, удовлетворяющими всем требованиям проведения физиологических экспериментов.

5 Робот с фотодатчиком для следования по линии

Наш робот сможет бегать по линии, нарисованной на поверхности, и даже принять участие в соревнованиях по отслеживанию линии.

Кроме того, для него можно написать программу, которая будет удерживать робота в пределах области, ограниченной линией, что позволит принять участие в соревнованиях "Кегельринг". Также стоит отметить, что датчик границы, описываемый в этой части статьи, является необходимой частью при создании сумо-роботов.

Конструкция ходовой части робота будет идентична роботу из первой части статьи. Поэтому мы подробно рассмотрим только устройства датчика и его подключение.

Принцип работы датчика границы основан на свойстве поверхностей по-разному отражать падающий на них свет. Черные или темные поверхности отражают свет намного хуже, чем белые или светлые. Улавливая отраженный свет, мы сможем определить тип поверхности, находящейся под датчиком. Для изготовления датчика границы нам понадобятся фототранзистор и яркий светодиод. На приведенном рисунке изображена конструкция датчика. Светодиод и фототранзистор направлены в сторону исследуемой поверхности. Расстояние до поверхности зависит от силы свечения светодиода и чувствительности фототранзистора. Обычно оптимальное расстояние равно 1-1,5 см.

Расстояние между светодиодом и фототранзистором не следует делать слишком большим: хорошим выбором может стать зазор в 0,5-1 см. В некоторых случаях, чтобы предотвратить срабатывание фототранзистора от прямого света, излучаемого светодиодом, между ними располагают непрозрачную шторку.

Свет от светодиода отражается от поверхности и улавливается фототранзистором. Если поверхность светлая, то отраженного света достаточно для открытия фототранзистора, в противном случае фототранзистор будет закрыт (не будет пропускать ток).

Использование фототранзистора обусловлено тем, что скорость его срабатывания высока и достаточна даже при очень быстром движении робота. Использование фотодиодов также допустимо. Фоторезисторы имеют невысокую скорость срабатывания, и ее может быть недостаточно при высокой скорости движения робота.

Схема датчика очень проста, состоит непосредственно из фототранзистора, светодиода и ограничивающих резисторов.

При срабатывании фототранзистора на выходе формируется сигнал низкого уровня, который и подается на один из свободных входов микроконтроллера.

Схема робота с фотодатчиком представлена на рисунке 7.

Простого робота на микроконтроллере можно собрать на основе драйвера управления двигателями и непосредственно самого микроконтроллера.

В качестве драйвера двигателей используем микросхему L293D, входы которой подсоединим к выводам микроконтроллера так, как показано на схеме. В данном примере будет рассмотрен микроконтроллер ATmega8, хотя можно использовать практически любой микроконтроллер (например, ATtiny2313, ATtiny26 или любой микроконтроллер из семейства Mega). Схема робота на микроконтроллере AVR представлена на рисунке 8.

На схеме робота входы драйвера двигателей L293D подключены к выводам порта C микроконтроллера ATmega8, но их можно подключить к любому из портов микроконтроллера (при этом будет необходимо внести изменения в программную часть, указав порт и непосредственно его выводы в соответствующих строках программы, приводимой ниже).

Электролитический конденсатор C3 (1000 мкф, 10-25 в.) необходим для того, чтобы сгладить броски по питанию, вызванные работой моторов. Для того чтобы еще больше стабилизировать работу микроконтроллера, хорошим решением может служить керамический конденсатор емкостью около 0,33 мкф, подсоединенный между выводами питания VCC, GND (ножки 7 и 8) и располагающийся в непосредственной близости от них (на схеме не указан).

На рисунке 10 представлена схема простого робота. Он ездит на свет, а если нет источника света, тогда включается режим "Свободный поиск" т.е. робот будет ездить, а при столкновении отъезжать и разворачиваться.

Сердцем робота является микроконтроллер фирмы ATMEL: AT90S2313, но можно и любой другой этой фирмы, у этого микроконтроллера 2кб памяти для программы, 15 портов ввода/вывода, доступное питание - 4-6В. Двигателями будет управлять "драйвер двигателя" - микросхема L293D (отечественный аналог - КР1128КТ4А). В качестве датчика было решено взять фоторезисторы СФ3-1.

Сделать робота можно, используя лишь одну микросхему драйвера моторов и пару фотоэлементов. В зависимости от способа соединения моторов, микросхемы и фотоэлементов робот будет двигаться на свет или, наоборот, прятаться в темноту, бежать вперед в поисках света или пятиться, как крот, назад. Если добавить в схему робота пару ярких светодиодов, то можно добиться, чтобы он бегал за рукой и даже следовал по темной или светлой линии.

Принцип поведения робота основывается на "фоторецепции" и является типичным для целого класса BEAM-роботов. В живой природе, которой будет подражать наш робот, фоторецепция - одно из основных фотобиологических явлений, в котором свет выступает как источник информации.

Схемы приведены на рисунке 9

Заключение

Очевидно, что генная инженерия и другие биотехнологии имеют огромное положительное социальное значение. Однако, как и в случае с информационной техникой, возникает множество вопросов об этической приемлемости такого направления развития научно-технического прогресса. Прежде всего это касается генной инженерии и синтеза интеллектуальных биотехнических систем. До сих пор не утихают дискуссии на тему внедрения технологии клонирования (генного копирования) живых организмов, а полемика вокруг проблемы сосуществования человека и биоробота была начата на страницах научно-фантастических романов еще в прошло веке. Фактически здесь возникают те же вопросы, что и в случае глубокой интеграции информационных систем в жизнь общества. Но решение этих вопросов куда более сложная задача, нежели во втором случае. Дело в том, что, как отмечалось в предыдущей главе, чисто технические системы, как бы они не были сложны, остаются лишь техническими системами, которым не может быть вменена моральная ответственность за их действия. В случае же биотехнических систем такая ответственность может возникать в силу происхождения системы. Кроме того, в этом случае нельзя сбрасывать со счетов ответственность перед такой системой, поскольку моральные устои современного общества подразумевают ответственность человека перед биологическим существом. Таким образом, возникает реальная опасность создания членов общества, неподвластных самому этому обществу, а это уже прямой путь к нарушению социальной стабильности.

Список использованных источников

1. Введение в мехатронику: Учебное пособие: в 2кн. / Под ред. А.К. Тугенгольда. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2002. - 162с.

2. Введение в мехатронику: Учебное пособие: в 2кн. Кн. 2. / Под ред. А.К. Тугенгольда. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. - 249с.

3. Г.В. Саврасов. «Основные направления развития медицинской робототехники». Мехатроника, автоматизация, управление. 2000г. №4 с34-39.

4. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники: Введ. в спец.: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш. шк., 1990, 224с.

5. В.В. Сапожников, Б.Н. Елкин, И.М. Кокурин. Станционные системы автоматики и телемеханики: Москва, 2000 г, 223с