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

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вінницький державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

«Розробка способів та засобів підвищення точності медичних інформаційно-діагностичних систем для неврологічних і нейрохірургічних клінік»

Савінов Ігор Михайлович

Вінниця - 1999

Вступ

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 схемотехнічної 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 багато параметричної 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 стропування живлення елементів.

Відхід вiд класичного статистично-ймовірнісного подання шумових процесів вхідних каскадів, при якому джерело шуму розглядалося відокремлено вiд ідеального чотириполюсника (підсилювача), та застосування моделі генератора шуму, за допомогою якої традиційно виконувався опис даного виду явищ в генераторах з метою пояснення природи шумів в підсилювачах, дозволило ближче пiдiйти до розуміння природи фізичних процесів, які відбуваються у вхідних колах реальних чотириполюсників, врахувавши при цьому прояви нелiнiйності R, L, C - елементів. Такий пiдхiд пояснює шумові сигнали як результат одночасної модуляції гармонічного коливання за декількома параметрами: амплітудою, фазою, частотою і ті., що раніше зводилося переважно до розгляду лише одного з видів модуляції. В такому випадку підсилювач розглядається як генератор шуму з очікуванням.

Раніше через недоліки традиційного статистично-ймовiрнiсного опису природи виникнення шумів вхідних каскадів використання активних систем для їх пригнічення виглядало практично нездійсненим, 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 всіх етапів створення такого типу пристроїв; разом з тим отриманi теоретичні і практичні результати можуть бути використані не лише в апаратурі медичного призначення, але й інших пристроях при реєстрації наднизьких електричних сигналів низькочастотного діапазону, 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, які викладені в дисертації.

1. Подання моделі вхідного "шумлячого" підсилювача як генератора шуму, реалізованого на нелiнiйних R, L, C-елементах, які забезпечують процес одночасної модуляції за амплітудою, фазою, частотою і т. д.

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

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

Апробація результатів дисертації.

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 конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (16-19 червня 1998р., м. Хмельницький) міжнародному симпозіумі “Наука и предпринимательство” (Вінниця-Львів, 25-28 лютого 1997р.), на 13-й мiжнароднiй конференцiї "Аналiз бiомедичних сигналiв та зображень" "BIENNIAL International conference biosignal" (Словакiя).

1. Основні концепції 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 над низькочастотного діапазонів. Вказано на необхідність пошуку нових методів підвищення співвідношення сигнал/шум, і особливо для реєстрації біологічних сигналів людського організму.

2. Класифікація 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).

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

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

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

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

3. Можливі варіанти структурної реалізації приймального каналу з РІШ та його оптимізації

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.

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.

Питання можливої оптимізації приймальної частини створюваних систем.

Серед них важливе місце займають три способи оптимізації:

1) оптимізація структури;

2) оптимізація внутрішньо системних 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 ().

Оскільки залежність між коефіцієнтом пригнічення шуму (Кпш) 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.

Оптимізація внутрішньо системних 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, 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 одно-полярними імпульсними сигналами.

Проведений аналіз підвищення точності електрографічних МІС з РІШ в залежності від частотного діапазону, виявив наступну закономірність, яка ілюструється графіками.

5. Практична перевірка 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. 1).

Таблиця 1 - 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 ґрунтуються 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.

інформаційний медичний діагностичний підсилювач

Література

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

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.

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

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