СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ПРОВЕДЕНИЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ ЧЕЛОВЕКА
SYSTEM FOR SIMULTANEOUS CONTROL AND EVALUATION OF THE DYNAMICS OF PHYSIOLOGICAL PROCESSES UNDER CONDITIONS OF HUMAN MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHY

Область техники
Изобретение относится к классу систем медико-биологического назначения, предназначено для регистрации и оценки динамики физиологических показателей (дыхательной, сердечно-сосудистой, электрокожной и двигательной активности) человека, наблюдаемой у него в состоянии покоя или в ответ на предъявляемые аудио- либо видео-стимулы в условиях действия сильных электромагнитных помех и может найти применение в экспериментальных исследованиях, медицине, психофизиологии, криминалистике при изучении и диагностике психических процессов и состояний.
Уровень техники
В 1930-е годы было создано устройство, названное полиграфом, позволявшее осуществлять одновременную регистрацию кожно-гальванической реакции (КГР) человека и реакции, наблюдаемые в его дыхании и сердечно-сосудистой активности (ССА). Появление полиграфа завершило формирование метода совместной регистрации вегетативных реакций (СРВР) и создало новые возможности в изучении психофизиологии человека.
Большим достоинством метода СРВР, реализуемого с помощью полиграфа, является получение информации о субъективной значимости для человека воспринимаемых им стимулов в реальном масштабе времени, а также - что немаловажно - очевидная дешевизна в сравнении с иными используемыми психофизиологией наукоемкими методами исследований, такими как магнитно-резонансная томография (МРТ), включая функциональную MPT (фМРТ); магнитоэнцефалография (МЭГ); позитронно-эмиссионная томография и другие методы нейровизуализации. Вместе с тем, используя чувствительный и дорогостоящий метод, исследователь, практически, был лишен возможности контролировать восприятие и оценку исследуемым человеком субъективной для него значимости воспринимаемых стимулов, а также наличие артефактов физиологической природы независимым методом, отличным от анализа исследуемых нейровизуали-зиационных данных, используемых для проверки экспериментальной гипотезы. Наличие такого контроля весьма важно при изучении нейрокогнитивных процессов с помощью нейровизуализиационных методов, и этот контроль может быть осуществлен при помощи метода СРВР.
В настоящее время имеется ряд устройств (компьютерных полиграфов), применяемых для реализации метода СРВР в обычных условиях. Однако техническая реализация метода СРВР в полном объеме в условиях проведения МРТ человека сталкивалась с рядом трудностей в силу комплекса специфических и в определенной степени взаимно противоречивых требований к оборудованию, которые должны быть выполнены одновременно:
а) защита чувствительных элементов регистрирующих модулей от сильных переменных электромагнитных полей, создаваемых магнитно-резонансным томографом на частоте ядерно-магнитного резонанса исследуемых тканей (порядка 120 МГц для томографов с напряженностью поля 3 Тл), а также переменных электромагнитных полей системы создания градиентов магнитного поля томографа на частоте порядка нескольких килогерц (зависит от типа томографа и применяемого протокола исследования);
б) отсутствие в конструкции регистрирующих модулей элементов, чувствительных к сильному постоянному магнитному полю, таких как датчики различных физических величин, имеющие в основе магниточувствительные элементы;
в) отсутствие паразитных электромагнитных излучений со стороны регистрирующих модулей на частоте ядерного магнитного резонанса, которые могут влиять на чувствительные входные цепи магнитно-резонансного томографа и вызывать ухудшение соотношения сигнал-шум томографического сигнала (основной источник таких излучений - цифровые компоненты, включая микропроцессор, создающие электромагнитный шум в широкой полосе частот, который распространяется, в том числе, по цепям питания и элементам экранировки в случае их недостаточной эффективности, и достигает приемных цепей магнитно-резонансного томографа);
г) минимизация или полное устранение ферромагнитных материалов в конструкции регистрирующих модулей до величины, когда сила притяжения этих материалов магнитным полем томографа будет много меньше массы элементов конструкции регистрирующих модулей и сил трения о поверхность, на которой они располагаются;
д) минимизация или полное устранение ферромагнитных материалов в конструкции регистрирующих модулей с целью предотвращения искажения магнитного поля в зоне однородности поля томографа выше допустимой величины, определяемой характеристиками томографа, в случае необходимости наличия таких модулей вблизи области однородности поля томографа;
е) минимизация или полное устранение ферромагнитных материалов в конструкции регистрирующих модулей с целью предотвращения перегрева этих материалов под действием переменных магнитных полей томографа в результате перемагничивания этих материалов в случае, если рассеиваемая ими теплота меньше поглощаемой в результате перемагничивания;
ж) минимизация токопроводящих неферромагнитных элементов в датчиках, прикрепляемых на тело испытуемого, с целью уменьшения механических вибраций, вызванных взаимодействием индуцированных в них градиентными магнитными полями переменных электрических токов с постоянным магнитным полем томографа;
з) радиопрозрачность элементов конструкции регистрирующих модулей для радиочастотных электромагнитных полей томографа, предназначенных для возбуждения атомов исследуемых тканей в области регистрации сигналов томографа, в случае необходимости наличия таких элементов вблизи области регистрации сигнала;
и) защита обследуемого лица от переменных индукционных токов, образующихся в системе, состоящей из элементов конструкции и телом человека в силу емкостных и омических связей между ними и образуемой ими паразитной индуктивности с учетом возможных резонансных эффектов. При реализации этого требования необходимо учитывать, что в имеющихся магнитно-резонансных томографах применяется как минимум два разных способа создания радиочастотного электромагнитного поля для резонансного возбуждения атомов исследуемых тканей: при помощи излучающих индукционных катушек, встроенных в приемные головные катушки, и при помощи излучающих индукционных катушек, встроенных непосредственно в корпус томографа. В первом случае создаваемое электромагнитное поле локализовано в значительно меньшем объеме, преимущественно вблизи головы человека, а во втором охватывает большую часть тела. Томографы первого типа предъявляют существенно меньшие требования к электромагнитной совместимости токопроводящих датчиков для регистрации физиологических показателей, размещаемых обычно на руке обследуемого лица, вдали от области генерации радиочастотного электромагнитного поля. Однако томографы второго типа позволяют проводить более качественную регистрацию МРТ, и потому актуальной является задача создания устройства для регистрации физиологических параметров, совместимого именно с томографами второго типа. Для этого требуется минимизация паразитных индуктивностей и применение средств ограничения индукционного тока до допустимых величин;
к) наличие средств временной синхронизации регистрируемых физиологических данных с данными магнитно-резонансного томографа;
л) для реализации метода СРВР система должна обеспечивать одновременнную регистрацию как минимум следующих параметров: рекурсии грудной клетки и брюшной полости при дыхании, кожно-гальванической реакции и фотоплетизмограммы, регистрируемых как минимум с одной из рук исследуемого лица, речевые ответы исследуемого лица;
м) система должна обеспечивать отображение указанных физиологических параметров в режиме реального времени в представлении, удобном для проведения экспертной оценки, а также возможность сохранения данных для дальнейшего экспертного и автоматического анализа.
В настоящее время разработано большое число устройств для реализации метода СРВР. Например, известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, описанное в патенте РФ №2010326, которое позволяет контролировать объективные параметры жизнедеятельности человека - частоту сердечных сокращений, частоту дыхания, кожно-гальваническую реакцию и на основе этого судить о состоянии пациента в каждый момент времени и осуществлять это при малом объеме оборудования. Устройство содержит микропроцессор, блок приема информации, дешифратор, аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, датчик частоты дыхания, датчик частоты сердечных сокращений, датчик кожно-гальванической реакции, формирователь сигнала частоты дыхания, формирователь сигнала частоты сердечных сокращений, формирователь сигнала кожно-гальванической реакции, согласующий блок, блок питания. Недостатком устройства является отсутствие электромагнитной совместимости и синхронизации данных с магнитно-резонансными томографами.
Известен детектор лжи по патенту РФ №105819 включающий управляющую ЭВМ и соединенные с ней через интерфейсную линию связи блок психостимулирования и анализатор ответных реакций на психостимулирование, причем блок психостимулирования содержит установленные на активной шине сопряжения модуль генерации тестовых сигналов в осознаваемой форме и модуль генерации тестовых сигналов в неосознаваемой форме, а анализатор ответных реакций на психостимулирование содержит последовательно соединенные измеритель задержки времени реакции на психостимулы, пороговое устройство, блок статистической обработки сигналов, блок принятия решения о наличии лжи и индикаторное устройство, при этом блок психостимулирования дополнительно содержит генератор подсветки тестовых сигналов, сопряженный с генераторами визуальных тестовых сигналов и управляющей ЭВМ, модуль генерации визуальных тестовых сигналов в осознаваемой форме выполнен в виде генератора слов и символов на национальных языках, знание которых подтверждает испытуемый, а модуль генерации визуальных тестовых сигналов в неосознаваемой форме выполнен в виде генератора слов и символов на национальных языках, знание которых испытуемый не подтверждает. Данное устройство не имеет электромагнитной совместимости и синхронизации данных с магнитно-резонансными томографами.
Известно устройство УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, патент РФ №2378984. Устройство содержит микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый коммутатор, датчики грудного дыхания, брюшного дыхания, кожно-гальванической реакции, артериального давления, сердечно-сосудистой активности, датчик двигательной активности, блок питания, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, первый и второй цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой. Датчики через усилители и фильтры соединены с соответствующими входами коммутатора, управляющий вход которого связан с первой шиной микроконтроллера, а выход - с первым входом инструментального усилителя. Второй вход инструментального усилителя подключен к выходу первого ЦАП, третий вход - к выходу второго ЦАП, а выход - к входу АЦП. Входы первого и второго ЦАП и группа входов-выходов АЦП связаны со второй шиной микроконтроллера, третья шина которого связана с блоком сопряжения с персональным компьютером. Дополнительный канал имеет возможность подключения к его входу датчика мимики лица, пьезоплетизмограммы или переменной составляющей кожно-гальванической реакции и включает второй электронный коммутатор, к выходам которого подключены подканалы обработки сигналов с соответствующего датчика. Первый подканал включает соединенные последовательно предварительный усилитель и фильтр, второй - предварительный усилитель, фильтр, усилитель сигналов и дополнительный фильтр, а выходы подканалов через третий электронный коммутатор подключены ко входу первого коммутатора. Управляющий вход третьего коммутатора связан с микроконтроллером. У данного устройства также отсутствует электромагнитная совместимость и синхронизация данных с магнитно-резонансными томографами.
Известно устройство УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, патент РФ №2203614. Устройство содержит микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, датчики контроля дыхания, сердечно-сосудистой активности, кожно-гальванических реакций, а также датчик артериального давления, датчик двигательной активности, микрофон, предварительные усилители, усилители сигналов, фильтры, два цифроаналоговых преобразователя, инструментальный усилитель и блок сопряжения с персональным компьютером, снабженный гальванической развязкой. Блок питания обеспечивает блоки устройства соответствующим направлением. Датчик дыхания включает датчик грудного дыхания и датчик брюшного дыхания. Как и у предыдущих устройств, у данного устройства также отсутствует электромагнитная совместимость и синхронизация данных с магнитно-резонансными томографами.
Несмотря на определенность технических условий совместимости устройств с оборудованием для магнитно-резонансной томографии (описанных выше), в мире до сих пор не было разработано устройство регистрации физиологических параметров, пригодное для полноценной реализации метода СРВР в режиме реального времени в условиях проведения МРТ.
Так, производители магнитно-резонансных томографов и ряд независимых компаний предлагают устройства, способные регистрировать отдельные физиологические параметры человека в условиях проведения процедуры МРТ. Однако эти устройства по ряду причин непригодны для реализации метода СРВР в полном объеме.
До сих пор задача сбора физиологических данных в условиях регистрации МРТ проводилась в основном в следующих целях:
а) для контроля динамики дыхания и ССА человека в интересах повышения качества сканирования при выполнении структурной МРТ посредством привязки сканирующих последовательностей к фазе физиологических процессов дыхания и сердцебиения;
б) для анализа реакций, проявлявшихся в избранных физиологических показателях - в частности, в ССА, в дыхании или электро-кожной активности (ЭКА) в виде кожно-гальванической реакции (КГР) - в ответ на предъявляемые аудио- и (или) видеостимулы, а также для построения регрессионных моделей по отдельным показателям, таким как дыхание, с целью автоматизированного уменьшения физиологического шума в МРТ-данных.
Известно, что для реализации первой задачи комплектом устройств стандартно оборудуется ряд томографов фирмы Siemens, Германия, например, модель Siemens Magnetom Verio 3Т содержит блок физиологических измерений (БФИ), позволяющий регистрировать физиологическую электрокардиограмму, дыхание и пульс человека (см. «Magnetom Verio, инструкция по эксплуатации - MP система», www.siemens.com/healthcare). Недостатком этих устройств является отсутствие возможности регистрации кожно-гальванической реакции, ограничение регистрации параметров дыхания только одним каналом, а также неподходящие для реализации метода СРВР параметры регистрации и визуализации сигнала (слишком сильное ограничение полосы пропускания, что приводит к искажению формы сигнала, а также недостаточный динамический диапазон, приводящий к срезу пиковых значений сигнала), обусловленные узкой спецификой задачи.
Известно, что для реализации второй задачи рядом организаций выпускаются модульные устройства, имеющие электромагнитную совместимость и синхронизацию с магнитно-резонансными томографами, позволяющие регистрировать и отображать на экране компьютера ряд физиологических показателей по выбору. Однако эти устройства также имеют программные и аппаратные ограничения, не позволяющие использовать их для полноценной реализации метода СРВР.
Например, известна система, состоящая из модульных устройств компании ВЮРАС Systems, Inc., США (www.biopac.com), содержащая компоненты для регистрации необходимых физиологических показателей в условиях МРТ. Например, устройства EDA100C-MRI и PPG100C-MRI с набором датчиков позволяют регистрировать электрокожную активность и фотоплетизмограмму ссоответственно. Однако эти устройства предполагают размещение регистрирующих модулей за пределами экранированного помещения МРТ и подключение датчиков отдельными проводами, проходящими через радиочастотный развязывающий фильтр, встраиваемый в экран помещения МРТ. Такая конфигурация подключения датчиков создает проблему влияния переменных электромагнитных полей томографа на сигнал датчиков в силу большой индуктивности проводов датчиков, особенно в случае применения в томографе встроенного в корпус источника радиочастотной накачки. Эта ситуация требует программной фильтрации сигнала при помощи вычитания паттерна помехи. Такой способ имеет свои недостатки, так как вычитание паттерна требует условия повторяемости паттерна помехи, а он в свою очередь зависит от положения провода в пространстве, что делает метод подверженным влиянию вибрации, а также делает его неприменимым для изменяющихся во времени протоколов МРТ-сканирования. Кроме прочего, большая индуктивность проводов датчиков в этих устройствах создает потенциальную опасность для исследуемых лиц в виде возможного превышения допустимого индукционного тока в месте контакта датчиков, которая может проявляться как нагрев кожного покрова. Этот фактор имеет особенное значение в случае применения в томографе встроенного в корпус источника радиочастотного электромагнитного поля, создающего поле в большом объеме пространства.
Известна также линейка устройств BrainAmp MR Plus компании Brain Products, GmbH, Германия (www.brainproducts.com), содержащая среди прочего 16-канальный усилитель BrainAmp ExG для регистрации психофизиологических показателей, включая дыхание и КГР, внутри томографа. Данная система имеет автономный блок регистрации сигналов, расположенный внутри экранированного помещения МРТ, соединяемый с внешними цепями при помощи волоконно-оптической линии связи. Подключение датчика КГР к блоку регистрации сигналов осуществляется короткими проводами с учетом требований электромагнитной совместимости с магнитно-резонансными томографами. Недостатками данного устройства является те же аспекты, что и у предыдущего решения и то, что оно не обеспечивает регистрацию фотоплетизмограммы, что не позволяет его использовать для полноценного применения метода СРВР.
Раскрытие сущности изобретения Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение электромагнитной совместимости регистрирующих модулей системы с промышленно выпускаемыми магнитно-резонансными томографами, предназначенными для проведения, в частности, функциональной магнитно-резонансной томографии человека при напряженности магнитного поля не менее 1,5 Тл и катушками радиочастотного возбуждения атомов исследуемой ткани, расположенными в корпусе томографа, при одновременной регистрации и визуализации в режиме реального времени комплекса психофизиологических параметров: рекурсии грудной клетки и брюшной полости человека при дыхании, кожно-гальванической реакции, фотоплетизмограммы и движения головы исследуемого лица, а также речевых ответов и других показателей, в формате, пригодном для экспертной и автоматической оценки при помощи метода СРВР во время проведения процедуры МРТ (включая фМРТ) в целях нейрокогнитивных исследований с применением аудио-, видео- и других стимулов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в подавлении электромагнитных помех, создаваемых радиочастотными и градиентными катушками магнитно-резонансного томографа, до уровня, достаточного для одновременной регистрации дополнительных физиологических параметров человека (в частности, кожно-гальванической реакции и фотоплетизмограммы) во время процедуры проведения магнитно-резонансной томографии человека, не создавая помех процедуре проведения магнитно-резонансной томографии человека в формате, пригодном для экспертной и автоматической оценки при помощи метода СРВР.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что предложена система одновременного контроля и оценки динамики физиологических процессов в условиях проведения магнитно-резонансной томографии включающая содержащиеся в экранированном помещении магнитно-резонансного томографа экранированный блок регистрации физиологических сигналов, датчики кожно-гальванической реакции, фотоплетизмограммы, рекурсии грудной клетки, рекурсии брюшной полости, двигательной активности, наушники испытуемого, микрофон испытуемого и магнитно-резонансный томограф, при этом экранированный блок регистрации физиологических сигналов содержит фильтр электромагнитных помех, датчики давления, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, аккумулятор, оптический трансивер, датчик кожно-гальванической реакции, фотоплетизмограммы соединены с разветвителем, который соединен с кабелем датчиков подключенному к фильтру электромагнитных помех, магнитно-резонансный томограф последовательно соединен с блоком синхронизации, с блоком согласования с ПК и персональным компьютером, датчик рекурсии грудной клетки, датчик рекурсии брюшной полости и датчик двигательной активности пневматически соединены с датчиками давления, система содержит оптико-электрический модуль соединенный с наушниками и микрофоном испытуемого, блоком синхронизации и последовательно соединенный с микшером аудиосигналов, подключенному к персональному компьютеру и микрофону экспериментатора, оптический трансивер оптически соединен с блоком согласования с персональным компьютером, кабель датчиков, содержит сигнальные провода датчика кожно-гальванической реакции, экранирующую оплетку проводов датчика фотоплетизмограммы, общий провод датчика фотоплетизмограммы, провод питания излучателя инфракрасной подсветки датчика фотоплетизмограммы, провод питания фотоприемника датчика фотоплетизмограммы, сигнальный провод датчика фотоплетизмограммы и общую изоляционную оболочку.
Вышеуказанная совокупность существенных признаков приводит к тому, что появляется возможность применения метода СРВР в полном объеме во время проведения процедуры МРТ (включая фМРТ), что в свою очередь позволяет расширить метод СРВР функциональной магнитно-резонансной томографией человека, а также применить метод СРВР для более детального анализа функциональной магнитно-резонансной томографии человека.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена блок-схема системы одновременного контроля и оценки динамики физиологических процессов в условиях проведения магнитно-резонансной томографии человека (далее - Система), где цифрами обозначены:
1. Наушники испытуемого.
2. Микрофон испытуемого.
3. Датчик кожно-гальванической реакции (КГР).
4. Датчик фотоплетизмограммы (ФПГ).
5. Датчик рекурсии грудной клетки (датчик грудного дыхания).
6. Датчик рекурсии брюшной полости (датчик брюшного дыхания).
7. Датчик двигательной активности.
8. Магнитно-резонансный томограф (МРТ).
9. Разветвитель.
10. Кабель датчиков ФПГ и КГР.
11. Фильтр электромагнитных помех.
12. Датчики давления.
13. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
14. Микроконтроллер.
15. Аккумулятор.
16. Оптический трансивер.
17. Экранированное помещение магнитно-резонансного томографа.
18. Оптико-электрический модуль МРТ-совместимых микрофона и наушников.
19. Блок согласования с ПК.
20. Блок синхронизации.
21. Микшер аудиосигналов.
22. Персональный компьютер (ПК) для сбора и обработки данных.
23. Микрофон экспериментатора.
24. Экранированный блок регистрации физиологических сигналов.
На фиг. 2 приведена схема выполнения общего кабеля датчиков ФПГ и КГР 10, где цифрами обозначены:
25. Сигнальные провода датчика КГР.
26. Экранирующая оплетка проводов датчика ФПГ.
27. Провода питания и передачи сигнала датчика ФПГ.
28. Общая изоляционная оболочка.
На фиг. 3 приведен общий вид компонентов Системы, размещаемых в пределах экранированного помещения магнитно-резонансного томографа цифровые обозначения, где позициями обозначены: 8. Магнитно-резонансный томограф (МРТ) 10. Кабель датчиков ФПГ и КГР.
24. Экранированный блок регистрации физиологических сигналов.
На фиг. 4 приведен пример выполнения датчиков КГР и ФПГ вместе с общим кабелем и разветвителем.
На фиг. 5 приведен пример выполнения пневматического датчика движения головы человека.
На фиг. 6 приведен пример выполнения пневматического датчика рекурсии грудной клетки и брюшной полости (датчика дыхания).
Осуществление изобретения
Для достижения указанного результата предложен пример конкретного выполнения Системы, который не ограничивает варианты ее выполнения.
Компоненты Системы, приведенные на фиг. 1 и фиг. 2, соединены следующим образом.
Экранированный блок регистрации физиологических сигналов 24 содержит фильтр электромагнитных помех 11, датчики давления 12, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, микроконтроллер 14, аккумулятор 15, оптический трансивер 16. При этом фильтр электромагнитных помех 11 подключается к АЦП 13, датчики давления 12 подключаются к АЦП 13. Микроконтроллер 14 соединен с АЦП 13 и трансивером 16. Аккумулятор 15 соединен со всеми компонентами экранированного блока регистрации физиологических сигналов 24 для обеспечения автономного питания (на схеме фиг. 1 соединения не показаны). Экранированный блок регистрации физиологических сигналов 24 вместе с содержащимися в нем компонентами размещается внутри экранированного помещения магнитно-резонансного томографа 17 на расстоянии примерно 2 метров от области однородности поля томографа.
Датчик КГР 3 и датчик ФПГ 4 соединены с разветвителем 9, который соединен с кабелем 10. Кабель 10 подключен к фильтру электромагнитных помех 11 блока регистрации физиологических сигналов 24. Датчик КГР 3 и датчик ФПГ 4 закрепляются на пальцах руки испытуемого, а кабель 10 прокладывается вдоль тела испытуемого до блока регистрации сигналов 24, располагаемого вдали от области однородности поля МРТ 8 фиг. 3.
Датчик рекурсии грудной клетки (датчик грудного дыхания) 5, датчик рекурсии брюшной полости (датчик брюшного дыхания) 6 и датчик двигательной активности 7 пневматически соединены с датчиками давления 12. Датчики 5 и 6 закрепляются на груди и животе испытуемого. Датчик 7 размещается под головой испытуемого в качестве подушки.
Оптический трансивер 16, размещенный в составе блока 24 внутри экранированного помещения 17 оптически соединен с блоком согласования с ПК 19, размещенным за пределами экранированного помещения 17, фиг. 1.
Блок согласования с ПК 19 подключен к блоку синхронизации 20 и персональному компьютеру 22. Эти компоненты размещаются за пределами экранированного помещения 17 обычно рядом с экспериментатором, проводящим исследование.
Блок синхронизации 20 подключен к магнитно-резонансному томографу 8. Варианты подключения и возможные промежуточные устройства подготовки синхросигнала не уточняются, так как зависят от типа томографа. (Например, в томографах фирмы Siemens, Германия, синхросигнал выводится оптическим способом и преобразуется в электрические логические уровни при помощи комплектного преобразователя. В томографах других производителей синхросигнал может выводиться сразу в виде электрических уровней. Задачу согласования уровней и типов синхросигналов решает блок синхронизации 20.
МРТ-совместимые наушники испытуемого 1 и микрофон испытуемого 2 размещаются вблизи испытуемого в экранированном помещении томографа 17. Наушники испытуемого 1 и микрофон испытуемого 2 оптически подключены к оптико-электрическому модулю 18, расположенному вне экранированного помещения 17. Модуль 18 может быть выполнен в виде отдельных блоков в зависимости от модели (на схеме фиг. 1 не уточняется). Оптико-электрический модуль 18 соединен с блоком синхронизации 20.
Микшер аудиосигналов 21 соединен с оптико-электрическим модулем 18, микрофоном экспериментатора 23 и персональным компьютером 22. Эти компоненты находятся за пределами экранированного помещения 17 и располагаются обычно рядом с экспериментатором, проводящим исследование.
В экранированном помещении магнитно-резонансного томографа 17 находятся: наушники испытуемого 1, микрофон испытуемого 2, датчик КГР 3, датчик ФПГ 4, датчик рекурсии грудной клетки 5, датчик рекурсии брюшной полости 6, датчик двигательной активности 7, магнитно-резонансный томограф 8, разветвитель 9, кабель датчиков ФПГ и КГР 10, а также экранированный блок регистрации физиологических сигналов 24 с фильтром электромагнитных помех 11, датчиками давления 12, АЦП 13, микроконтроллером 14, аккумулятором 15 и оптическим трансивером 16.
Кабель датчиков ФПГ и КГР 10, показанный более детально на фиг. 2, содержит сигнальные провода датчика КГР 25, экранирующую оплетку проводов датчика ФПГ 26, провода питания и передачи сигнала датчика ФПГ 27, общую изоляционную оболочку 28. Этот кабель служит для соединения датчиков ФПГ и КГР с блоком регистрации сигналов 19 и укладывается вдоль тела испытуемого фиг. 3.
Система работает следующим образом.
Датчики рекурсии грудной клетки 5 и брюшной полости 6, проиллюстрированные на фиг. 6, выполняется в виде эластичного гофрированного шланга, и при дыхании испытуемого растягиваются или сжимаются, что приводит к изменению воздушного давления в них. Изменение давления регистрируется датчиками давления 12 например, МРХ2200АР, Texas Instruments, США.
Датчик двигательной активности 7, проиллюстрированный на фиг. 5, выполняется в виде пневматической подушки, заполненной воздухопроницаемым эластичным материалом (например, паролоном), и размещается под головой испытуемого во время процедуры регистрации МРТ. Движение головы испытуемого приводит к сжатию эластичного воздухопроницаемого материала в датчике, в результате чего изменяется воздушное давление в нем. Изменение давления регистрируется датчиками давления 12.
Датчики рекурсии грудной клетки 5 и брюшной полости 6, а также датчик двигательной активности 7, находящиеся во время работы вблизи области однородности магнитного поля магнитно-резонансного томографа, выполнены без использования металлических и других токопроводящих элементов.
Сигнал датчиков давления 12 оцифровывается многоканальным АЦП 13 например, ADS1299, Texas Instruments, США.
Для регистрации КГР применяется способ регистрации сопротивления на постоянном токе с применением неполяризующихся хлорсеребряных электродов. Датчик КГР 3 выполнен на основе, например, электродов MCScap-NT, «Медицинские компьютерные системы», Россия.
Для регистрации ФПГ применяется традиционный способ с использованием источника инфракрасного излучения и приемника рассеянного инфракрасного излучения. Датчик ФПГ 4 выполнен на основе, например, инфракрасного светодиода L-34F3C и фототранзистора L-3DP3C, Kingbright Electronic, Тайвань.
На руку испытуемого во время исследования устанавливаются датчики КГР 3 и ФПГ 4, которые передают сигнал через разветвитель 9 и общий кабель датчиков 10 на фильтр электромагнитных помех 11 выполненного на основе RC-цепей экранированного блока регистрации физиологических сигналов 24.
Применение объединенного кабеля КГР и ФПГ показанного подробнее на фиг. 2 и фиг. 3, а также разветвителя 9 фотография которого приведен на фиг. 4 позволяет решить проблему возникновения больших индукционных токов в контуре, образуемом отдельными кабелями и емкостными связями между ними и другими элементами конструкции. Особенность кабеля 10 заключается в вынесении сигнальных проводов датчика КГР 25 за пределы экранирующей оплетки 26 проводов питания и передачи сигнала датчика ФПГ 27. Это позволяет отделить более помехоустойчивые цепи датчика КГР (в силу его более низкого рабочего частотного диапазона порядка 0,1-1 Гц) от цепей датчика ФПГ (имеющего рабочий диапазон частот порядка 1-10 Гц), при этом сохраняя их близкое расположение при помощи общей изоляционной оболочки 28 для предотвращения образования большого индукционного контура.
Такая конструкция кабеля 10 позволяет сохранить гибкость кабеля и вынести основной электронный экранированный блок регистрации физиологических сигналов, содержащий в небольшом количестве ферромагнитные материалы, на достаточное расстояние от зоны однородности поля томографа (см. фиг. 6).
Кабель 10 может быть выполнен, например, на основе многожильного экранированного кабеля CCC-4G, Тайвань, проводов МГТФ-0,12, Россия.
Разветвитель 9, кроме своей конструкционной функции, позволяет разместить внутри себя элементы защиты (токоограничивающие резисторы) и предварительной фильтрации сигнала, реализованные в виде RC-цепей (на схеме фиг. 1 не показаны).
В результате появляется возможность одновременной регистрации физиологических параметров КГР и ФПГ человека во время проведения МРТ-исследования. При этом сигнал КГР и ФПГ в полезной области частот может быть отделен от помех со стороны магнитно-резонансного томографа простой частотной фильтрацией без применения алгоритмов вычитания паттерна помехи (недостатком применения которых является подверженность временной нестабильности паттерна помехи).
Аналоговый сигнал датчиков после фильтра электромагнитных помех 11 оцифровывается многоканальным АЦП 13 например, ADS1299, Texas Instruments, США.
Микроконтроллер 14например, STM32F407, STMicroelectronics, США собирает данные с АЦП 13 и передает их оптическому трансиверу 16 (выполненному, например, на основе передатчика AFBR-1528CZ и приемника AFBR-2528CZ, Broadcom Corporation, США. Оптический трансивер 16 передает данные при помощи оптического волокна за пределы экранированного помещения магнитно-резонансного томографа 17 на блок согласования с ПК 19.
Питание компонентов экранированного блока регистрации физиологических сигналов 24 и датчиков осуществляется от встроенного аккумулятора 15 для исключения внешних питающих проводов с целью уменьшения источников паразитных индукционных токов.
Через наушники испытуемого 1 например, OptoACTIVE, Optoacous-tics, Израиль в процессе проведения МРТ испытуемому предъявляются звуковые стимулы. Звуковые стимулы передаются на наушники испытуемого 1 с персонального компьютера 22 или микрофона экспериментатора 23 через микшер аудиосигналов 21 и оптико-электрический модуль 18 входит в состав системы наушников OptoACTIVE, Optoacoustics, Израиль, в зависимости от комплектации может содержать дополнительные компоненты, не указанные на схеме фиг. 1.
Речевые ответы испытуемого регистрируются оптическим микрофоном испытуемого 2, например, FOMRI-III, Optoacoustics, Израиль и передаются через оптико-электрический модуль микрофона и наушников 18 и микшер аудиосигналов 21 на персональный компьютер 22 для записи и дальнейшего анализа.
При проведении фМРТ томограф 8 например, Magnetom Verio 3Т, Siemens, Германия выдает синхроимпульс при начале регистрации каждой томограммы. Этот синхроимпульс передается на блок синхронизации 20, который передает его на блок согласования с ПК 19. Далее синхроимпульс объединяется с цифровым сигналом блока регистрации физиологических параметров 24. Объединенные данные передаются на персональный компьютер 22. Такой механизм объединения синхроимпульсов с сигналом позволяет произвести обобщенную обработку различных типов сигналов (МРТ, аудио, физиологические параметры и т.д.), записанных разными устройствами, при помощи совмещения сигналов по общим синхрометкам выполняется программным обеспечением, размещенным на персональном компьютере 22.
Также синхроимпульс томографа 8 передается через блок синхронизации 20 на оптико-электрический модуль микрофона и наушников 18 и используется для целей активного шумоподавления звука томографа во время сканирования.
Персональный компьютер 22 получает данные с блока согласования с ПК 19 и аудиосигналы с микшера 21 для записи, обработки, хранения, отображения и вывода на печать.
Таким образом, данная система позволяет применять метод СРВР в полном объеме во время проведения процедуры МРТ (включая фМРТ). То есть регистрируется и отображается весь необходимый комплекс физиологических параметров (кожно-гальваническая реакция, частота сердечного ритма, фото-плетизмограмма, грудное и брюшное дыхание) совместно с регистрацией данных магнитно-резонансной томографии. Это позволяет реконструировать из данных магнитно-резонансной томографии дополнительные параметры для метода СРВР (например, величину активности заданных областей мозга человека во время выполнения тестовой задачи), что расширяет возможности метода СРВР. А также появляется возможность применить метод СРВР для более детального анализа функциональной магнитно-резонансной томографии человека (например, посредством использования комплекса физиологических параметров, регистрируемых системой, в качестве регрессоров общей линейной модели в процедуре анализа данных фМРТ).