ГЕНЕРАТОР ФРАКТАЛЬНЫХ МЕЛЬКАНИЙ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
FRACTAL FLICKER GENERATOR FOR BIOMEDICAL INVESTIGATIONS

Изобретение относится к области медицинского приборостроения и может быть использовано в биомедицинских исследованиях.
Устройство предназначено для генерации неоднородно мелькающего фона - динамического светового фрактала, в котором инвариантными во времени являются флуктуации интервалов между вспышками.
Известны генераторы случайных сигналов, основанные на преобразовании естественных флуктуаций внешнего или внутреннего источника в электрический сигнал [Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. М.: Энергия, 1971], недостатком которых является то, что случайный сигнал не является фрактальным.
Известен генератор фрактального сигнала [Кузнецов А.П., Кузнецов В.П. Генератор фрактального сигнала. Письма в ЖТФ, 1992, т.18, N24, с.19], содержащий последовательную цепочку счетчиков, связанных со своим двухполюсником, принцип действия которого основан на пересчете итерационной последовательности определенного типа, в результате чего на его выходе появляется сигнал с дробной размерностью Хаусдорфа. Недостатком данного генератора фрактального сигнала является тот факт, что в нем нельзя получить сигналы с размерностью Хаусдорфа (D) больше 1.
Известен генератор фрактального сигнала, отличающийся тем, что в него введены генератор сигнала типа "меандр" с коэффициентом заполнения 0,5, N полосовых фильтров, N усилителей с регулируемым коэффициентом усиления и аналоговый сумматор сигналов [Кудасов Ю.Б.; Макарова Н.Н.; Дубинов А.Е. Генератор фрактального сигнала. Патент RU 2168848, 10.06.2001]. В этом генераторе решена техническая задача по созданию генератора фрактального сигнала с D>1, который можно использовать для генерирования тестовых сигналов, моделирующих фрактальные сигналы природного происхождения, например сигналы с ленгмюровских зондов в плазме со структурной турбулентностью.
Техническим результатом этого известного генератора фрактального сигнала является возможность получения с его помощью фрактальных сигналов с заданной размерностью Хаусдорфа из диапазона 1<D<2. Данное устройство предназначено для разработки тестовых генераторов в метрологии фрактальных сигналов в области прикладной физики.
Существующие генераторы фрактальных сигналов не предназначены для генерации фрактальных световых сигналов (мельканий), в частности, для биомедицинских исследований.
В то же время отсутствие подобных устройств является основной причиной того, что до настоящего времени остается неисследованной роль динамических световых фракталов в биомедицине, в том числе в физиологии зрения и офтальмологии, что ограничивает получение знаний о динамике физиологических процессов, определяющих зрительные функции.
М.В. Зуевой выдвинута гипотеза о зависимости функциональной активности сетчатки и зрительной коры от воздействия фрактальной световой среды в норме и патологии, и впервые предложено использовать для изучения динамики зрительной системы мелькающего светового фона со строго заданной нелинейной динамикой флуктуации межстимульного интервала (динамический световой фрактал) [Zueva M.V. The dynamic fractal flickering as a tool in research of nonlinear dynamics of the evoked responses of a visual system and as the possible basis for new diagnostics and treatment of neurodegenerative disorders of the retina and brain. World Applied Sciences Journal (WASJ) 2013; 27 (4): 462-468].
Задачей предлагаемого изобретения является создание генератора фрактальных мельканий (ГФМ) для биомедицинских исследований.
Техническим результатом предлагаемого устройства является возможность изучения воздействия на параметры живого организма (и любого биообъекта), в том числе на зрительные функции, неоднородной световой среды, имеющей свойство масштабной инвариантности во времени.
Технический результат достигается за счет генерации фрактальной последовательности вспышек заданной структуры с помощью устройства, состоящего из внешнего источника питания с подключенным к нему микроконтроллером, к двум ножкам которого через соединенные Г-образно токоограничивающие заземляющие резисторы подключены два n-канальных полевых транзистора, к которым последовательно подключены два и три светодиода и ограничительные резисторы, цепи стока транзисторов заземлены, генератор подключен напрямую к персональному компьютеру, через который ШИМ-ножки входящего в генератор микроконтроллера программируются с возможностью изменения напряжения посредством включения и выключения диодов с обеспечением необходимой средней яркости для получения динамического фрактального "sweep" паттерна или дихотомического паттерна сдвоенных пачек мельканий при заданных параметрах вспышек, их количестве в одном вложении и количестве вложений.
Биомедицинское задание
В соответствии положениями гипотезы М.В. Зуевой [Zueva M.V. The dynamic fractal flickering as a tool in research of nonlinear dynamics of the evoked responses of a visual system and as the possible basis for new diagnostics and treatment of neurodegenerative disorders of the retina and brain. World Applied Sciences Journal (WASJ) 2013; 27(4):462-468] ГФМ должен обеспечивать фрактальную последовательность мельканий. Простейшим примером динамического светового фрактала, по аналогии с дихотомическим ветвлением в геометрическом древовидном фрактале, будут сдвоенные пачки импульсов, каждая из которых состоит в своей очереди из сдвоенной пачки импульсов и т.д. (Фиг.1). Для нелинейных анатомических структур и динамики физиологических процессов биологических объектов, как правило, фрактальная размерность находится в диапазоне 1.2-3.
Учитывая, что ранее воздействие фрактального светового фона на зрительную систему и активность головного мозга не изучали, в динамической структуре мельканий, создаваемых ГФМ, следует предусмотреть диапазон количества вложений от 2 до 4-6.
Кроме принципиальной возможности получения с помощью предлагаемого ГФМ дихотомической структуры фрактальных мельканий, для реализации в ГФМ нами предложен более сложный динамический фрактал, в котором последовательность событий подчиняется известному в физике принципу «качания частоты» - его можно назвать динамическим "sweep" фракталом (Фиг.2). Как отмечено на Фиг.2, в первом шаге имеется n вспышек, длительность каждой вспышки есть Tflash, интервал между вспышками последовательно сокращается по линейному закону y=(a-i)*x до минимального значения tmin, где у - величина интервала между вспышками, a - количество вспышек в первом шаге, i - номер интервала, x - минимальное значение интервала (Фиг.3).
2
2
Последующие шаги повторяют данную последовательность в других масштабах времени, вместо каждой вспышки размещаем последовательность предыдущего шага. Для соответствия оптимальным физиологическим параметрам световой адаптации, применяемым в исследованиях физиологии зрительной системы [Brigell М., Bach М., Barber С, Moskowitz A., Robson J. Guidelines for calibration of stimulus and recording parameters used in clinical electrophysiology of vision. Doc Ophthalmol. 2003; 107:185-193; Holder G.E., Brigell M.G., Hawlina M., Meigen Т., Vaegan, Bach M. ISCEV standard for clinical pattern electroretinography - 2007 update. Doc. Ophthalmol. 2007; 114:111-116], блок как минимум должен обеспечивать усредненную яркость мелькающего фона 30 кд/м±10% и иметь возможность в соответствии с задачами исследования изменять ее в любом заданном диапазоне (для биомедицинских исследований - от 0,1 до 100 кд/м). Однако при этом должна существовать возможность создания также любой другой яркости, последовательности импульсов и управления заданной исследователем средней яркостью мельканий.
Значение минимального интервала Tmin рассчитывается, исходя из длительности вспышки Tflash, отношения m=Tflash/Tmin, количества вложений n и максимального времени Tmin+2Δt. Примем за максимальное время t=1/25 с=40 мс, где ν=25 Гц (частота киносъемки). Этой частоты достаточно, чтобы создать эффект движения без заметных глазу остановок.
Длительность вспышки Tflash для начала зададим произвольно равной 1 мс. Изменяя число n, вычисляем значение минимального интервала Tmin для данных параметров. В ходе биомедицинских исследований минимальный интервал Tmin можно варьировать в пределах [0,1; 1] мс (Табл.1). Должна быть заложена возможность изменять длительность и количество вспышек в одном вложении и количество вложений. Блок должен исключать возможность поражения электрическим током биообъекта исследований и персонала в установленном порядке.
Предлагаемое устройство, генерирующее фрактальные мелькания и обеспечивающее управление структурой динамического светового фрактала, состоит из программной и аппаратной части ГФМ. На Фиг.4 приведена электрическая схема ГФМ, динамикой мельканий в которой управляет компьютерная программа.
Аппаратная часть ГФМ состоит из микроконтроллера (1), токоограничивающих и заземляющих резисторов (2, 3, 4, 5), двух n-канальных полевых транзисторов (6, 7), пяти светодиодов (8, 9, 10, 11, 12), токоограничивающих резисторов (13, 14) и внешнего источника питания, не указанного на схеме. Детали ГФМ фиксируют на паяльной плате в соответствии со схемой. Микроконтроллер, подключенный к внешнему источнику питания, устанавливают на плате, n-канальные полевые транзисторы подключены к двум ШИМ-ножкам микроконтроллера через соединенные Г-образно токоограничивающие и заземляющие резисторы. В цепи стока транзистора 6 последовательно подключены три светодиода (10, 11, 12). Для ограничения тока и мощности последовательно с диодами установлен ограничительный резистор (13). Два светодиода (8, 9) и ограничивающий резистор (14) подключены последовательно в цепь стока транзистора 7. Обе рабочие ножки микроконтроллера со светодиодами подключены к внешнему источнику питания. Цепи истока транзисторов заземлены. Разрабатываемый блок подключают напрямую к персональному компьютеру (ПК). Встроенный в блок микроконтроллер (МК) программируется через ПК таким образом, чтобы на выходных ножках МК, подключенных к транзисторам, изменялось напряжение, включая и выключая диоды и создавая тем самым фрактальный паттерн. Напряжение на ножках микроконтроллера изменяем, используя генератор широтно-импульсных модуляций (ШИМ), который встроен в таймеры МК. Меняя скважность ШИМ (отношение длительности периода к длительности импульса), можно плавно менять напряжение на выходе, достигая высокого и низкого уровня освещенности заданного фрактала. У таймера есть особый регистр сравнения OCR. Когда значение в счетном регистре таймера достигает значения, находящегося в регистре сравнения, то изменяется состояние внешнего выхода сравнения МК.
Программная часть ГФМ состоит из двух блоков: основная программа (тело программы) и несколько подпрограмм: подпрограммы инициализации таймеров для их использования в ШИМ-режиме и подпрограмм, написанных в виде рекурсивных функций, описывающих вложения фрактала.
Общий принцип работы программы представлен на Фиг.5. Из основной программы в бесконечном цикле вызывается подпрограмма miganie4(), описывающая последнее максимальное вложение. Из этой подпрограммы вызывается подпрограмма miganie3(), так как каждая вспышка четвертой ступени представляет собой последовательность вспышек третьей ступени. Аналогично из подпрограммы miganie3() вызывается подпрограмма меньшего вложения miganie2(), которая ссылается на подпрограмму miganie1(). Поскольку каждое вложение состоит из четырех вспышек, в каждой подпрограмме предыдущее вложение вызывается четыре раза. В основной программе происходит вызов подпрограммы инициализации таймеров, предварительное обнуление счетчиков сравнения, настройка некоторых ножек МК на выход и вызов подпрограммы miganie4() в бесконечном цикле.
Устройство работает следующим образом.
Экспериментальный биообъект располагают на расчетном расстоянии перед ГФМ, вмонтированном в устройстве-держателе любой конструкции, соответствующей задачам конкретного исследования, подключают электроды или иные датчики для регистрации тех или иных физиологических параметров до и после включения ГФМ.
Включают ГФМ, отрегулированный для получения нужной для каждого эксперимента последовательности интервалов между вспышками, длительности стимула, количества вспышек в одном вложении, количества итераций и заданной средней яркости фрактальных мельканий для создания динамического фрактального "sweep" паттерна или дихотомического паттерна сдвоенных пачек мельканий. Измеряют необходимые физиологические параметры на фоне фрактальных мельканий и/или после выключения ГФМ, анализируют полученные результаты, сравнивая с результатами, полученными в стандартных условиях исследований, по результатам анализа констатируют влияние на них инвариантных во времени фрактальных мельканий.
Например, в электрофизиологических (1), лабораторных (2), гистологических (3) исследованиях биомедицинские исследования выполняют следующим образом:
(1) При изучении электроретинограммы (ЭРГ) и зрительных вызванных корковых потенциалов (ЗВКП) у кролика, крысы и других экспериментальных животных активный записывающий электрод в форме петли из хлорсеребряной или золотой проволоки или в форме фитилька, пропитанного физиологическим раствором, помещают на роговице глаза, а референтный и заземляющий электроды в форме тонких игл фиксируют подкожно на скальпе, при регистрации ЭРГ и ЗВКП у человека активный электрод размещают на роговице или за нижним веком, референтный электрод помещают у внешнего края орбиты ипсилатерального глаза и заземляющий - на мочке уха, затем подключают записывающие электроды к стандартной регистрирующей электрофизиологической аппаратуре, ГФМ фиксируют в сфере ганцфельд фотостимулятора, включают ГФМ и адаптируют глаза к фону фрактальных мельканий нужной средней яркости, после чего выполняют запись различных видов ЭРГ и ЗВКП до включения, на фоне и после выключения ГФМ, анализируют латентность, амплитуду их компонентов, частотный спектр и другие параметры, выполняют математический анализ и статистическую обработку данных и сравнивают результаты с данными, полученными на фоне стандартной световой адаптации, по результатам сравнения судят о влиянии на функциональную активность сетчатки адаптации к фрактальным мельканиям.
2
Динамический фрактал должен иметь структуру "sweep" («качания частоты»), и при воздействии на сетчатку глаза в исследованиях биоэлектрической активности сетчатки и мозга все параметры фрактала, рассчитанные аналитически, и значения освещенности высокого и низкого уровня должны соответствовать стандартам ISCEV, предъявляемым к оптимальной (физиологически адекватной) освещенности фона для фотопической записи ЭРГ L=30 кд/м±10%. Согласно этому стандарту подбираются светодиоды для электрической схемы, и в программной части необходимо как можно более точно выдерживать заданные структурные параметры фрактала.
(2) При проведении биохимических, иммунологических и других лабораторных исследований забор крови, слезной жидкости и других биологических жидкостей у животного, человека или иного биообъекта производят до включения ГФМ, в процессе экспозиции биообъекта к фрактальным мельканиям и после выключения ГФМ. Результаты сравнивают с данными, полученными в стандартных условиях исследования и на фоне световой адаптации к однородному световому фону, и по результатам судят о влиянии фрактальных мельканий на изучаемые параметры.
(3) При проведении морфологических прижизненных исследований с помощью оптической когерентной томографии или других морфометрических методов визуализации, а также при использовании биопсии первые исследования выполняют до экспозиции к фрактальным мельканиям, затем биообъект фиксируют перед ГФМ, вмонтированном в устройстве-держателе конструкции, соответствующей задачам исследования, включают ГФМ и повторяют тесты в процессе фрактальной адаптации и после выключения ГФМ; при посмертных гистологических исследованиях забор тканей проводится у разных животных, последовательно выводимых из эксперимента в различные сроки до и после экспозиции к фрактальным мельканиям. Результаты сравнивают с данными, полученными в стандартных условиях исследования и на фоне световой адаптации к однородному световому фону, и по результатам судят о влиянии фрактальных мельканий на изучаемые параметры.
Таким образом, предложенное устройство дает возможность изучать воздействие на физиологические (морфофункциональные, биохимические, иммунологические и другие) параметры живого организма и динамику физиологических процессов неоднородной световой среды, имеющей свойство масштабной инвариантности во времени.