Цифровая обработка сигналов в мед приборно — компьютерных системах?

Некоторые элементы вычислительной техники.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). В аппаратуре для снятия медико-биологической информации осуществляется преобразование физических характеристик состояния пациента в аналоговые электрические сигналы. Под аналоговым сигналом понимают непрерывный электрический сигнал, один из параметров которого (например, напряжение) отвечает интенсивности биофизических характеристик (например, температуре тела, органа, ткани).

В одно и то же время компьютер может обрабатывать информацию, представленную лишь в числовой форме. Вся другая информация для обработки на компьютере должна быть превращена в числовую форму. Поэтому аналоговые сигналы, полученные аппаратурой для снятия медико-биологической информации, для ввода в компьютер должны быть превращены в цифровую форму.

Одним из стандартных устройств преобразования беспрерывного сигнала в последовательность отдельных цифровых сигналов для ввода информации в компьютер или микропроцессорное устройство служит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Под цифровой формой здесь понимается представления сигнала в двоичной системе исчисление, где наличие электрического сигнала отвечает цифре 1, а его отсутствие – цифре 0. На вход АЦП подается аналоговый сигнал, на выходе получаем цифровой.

Наиболее важными характеристиками АЦП есть разрядность и быстродействие. С разрядностью связанная точность преобразования сигнала. С быстродействием связанная возможность передачи сигналов, которые быстро изменяются. Известно, что любой сигнал может быть представлен набором определенного количества гармоник (синусоидальных сигналов). И чем быстрее изменяется сигнал, там больше гармоник необходимо для адекватного представления сигнала. Представление сигнала в виде набора синусоид называется спектром сигнала. Принято говорить о максимальной частоте спектрального участка, который занимает сигнал. Для удовлетворительной передачи сигнала АЦП должен работать с частотой, что в два раза превышает максимальную частоту спектра сигнала.

В качестве вычислительного средства в МПКС используют как специализированные микропроцессорные устройства, так и универсальные ЭВМ. В обеих случаях принципы построения аппаратного обеспечения аналогичные. Включения компьютеров в состав аппаратной части разрешает использовать стандартные программные продукты и стандартные средства сохранения информации, такие как лазерные диски, накопители на жестких магнитных дисках, гибкие диски и др.

Для ввода в компьютер аналоговых сигналов от медицинской аппаратуры их необходимо не только превращать в цифровую форму, но и привести в соответствие с некоторыми интерфейсами. Для этого необходимое устройство связи . Таким образом, в простейшем случае аппаратная часть системы включает медицинское диагностическое устройство, устройство связи и компьютер.

Программное обеспечение МПКС.

Программное обеспечение (ПЗ) МПКС не менее важное чем аппаратное, т.е техническое. К программному обеспечению относятся математические методы обработки медико-биологической информации, алгоритмы и собственно программы, которые обеспечивают функционирование всей системы. Медицинское обеспечение разрабатывается постановщиками задач – врачами соответствующих специальностей, аппаратное – инженерами, специалистами из медицинской и вычислительной техники. Разработка специализированных микропроцессорных устройств ложится на специалистов из микроэлектроники. Программное обеспечение создается программистами или специалистами из компьютерных технологий.

Наиболее совершенные устройства оснащены так называемым «интегрированным» ПО, благодаря которому врач получает целостную систему, которая охватывать весь процесс исследования, который включает этап подготовки, исследования и обработки данных. В таком ПО выделяют 6 основных функциональных модулей:

1. Подготовки исследования

Осуществляется выбор методики исследования пациента. Далее выбирают количество каналов поступления информации, которая регистрируется в данном исследовании. Устанавливают характеристики каналов, коэффициенты их усиления, частоты дискретизации и др. Проводят установку датчиков на пациенте и их подключения к системе. Устанавливают режимы выполнения исследования, характеристики функциональных проб, режимы записи в буфер, отображения данных на экране мониторуа Кроме того, заполняется паспортный бланк исследуемого. Все эти отладки запоминаются в файле и в дальнейшем выполняются автоматически.

2. Проведения исследования.

Отладка снятия биоэлектрических сигналов и запись с параллельным отображением их на экране монитора для визуального наблюдения и контроля. Кроме того, много такие системы содержат средства ручного управления как записью, так и стимуляторами. Также системы содержат также средства экспресс-анализа и визуализации их результатов в режиме реального времени, которое разрешает врачу выделять уникальные, стационарные или конституциональные сегменты изменений сигнала для записи их в буфер или на диск, а также при необходимости реализовать терапевтические методы биологической обратной связи.

3. Просмотра и редактирования записей.

По окончании исследования необходимо просмотреть полученные записи, чтобы выделить сегменты, необходимые для дальнейшего анализа, и удалить артефакты. Более совершенные системы предлагают дополнительные средства: автоматический поиск артефактов, фильтрацию сигнала, вычитания или добавления сигналов за двумя выбранными каналами, оценку площади на характерных участках и др.

4. Вычислительного анализа.

Методы анализа записей и графического представления результатов. Так, например, одним из довольно динамических показателей есть електроенцефалограма (ЕЕГ). В качестве базового математического метода здесь используется Фурье – анализ с вычислением разнообразных частотных характеристик (амплитуда, мощность, когерентность, фаза) и обобщенных параметров в выделенных частотных диапазонах (альфа, бета, дельта, тета) с изучением их временной и пространственной эволюции. Традиционным способом представления результатов есть построение разнообразных диаграмм и цветных карт (топограм) распределения тех или других характеристик ЕЕГ . В данное время получила распространение ЭЭГ - томография, которая состоит в вычислении трехмерных дипольных моделей локализации источников ЭЭГ-сигнала. Такие модели полезные для определения морфологических нарушений, связанных с пароксизмальной активностью мозга.

При анализе таких физиологических показателей как реограма (РГ), (ЕМГ), кожно-гальваническая реакция , спирограмма и др. врача главным образом интересуют показатели разнообразных структурных отношений, латентности, диапазона измения сигнала, скорости возрастания и уменьшения, интегральной характеристики т др.

5. Оформления вывода.

Словесные выводы, которые делаются по результатам анализа и сопровождается конкретной записью биосигналов, необходимым для документального завершения проведенного исследования. Однако, автоматизация процесса оформления выводов встречает значительные трудност, характерные для разработки экспертных систем. Поэтому в большей части МПКС генерация вывода осуществляется самым врачом без использования каких-нибудь «экспертных оболочек», путем выбора соответствующих полей из раньше времени созданной и предложенной нему так называемой «деревовидной классификации» возможных отклонений от нормы, симптомов, синдромов и нозологических форм.

6. Работы с архивом.

Структурированное сохранение результатов физиологических исследований дает возможность оперативно анализировать их динамику, зарегистрированную в разное время, а также разрешает быстро генерировать статистические и отчетные материалы. Эта довольно актуальная проблема, поскольку объем данных, которые сохраняются врачом функциональной диагностики, возрастает лавиноподобно. Поэтому наиболее важной функцией этого модуля есть организация поиска записей. В этот же модуль нередко включают специальный интерфейс для создания банка нормативных записей (как индивидуальных, так и опосредствованных), а также справочника записей, характерных для разнообразных патологий.