Перспективы аппаратно-методического обеспечения медико-биологических и экологических исследований на основе параметрических систем

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010.

-\-

УДК 615.47.

Д.А. Магомедов, С.З. Магомедсаидова, Г.М. Пирбудагов

ПЕРСПЕКТИВЫ АППАРАТНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В данной работе приведены результаты исследований перспектив активного внедрения параметрических систем (ПС) в практику медико-биологических исследований (МБИ). Хорошо известные в различных технических приложениях из-за их ряда замечательных свойств, ПС имеют перспективу широкого применения в медико-биологическую практику. Этому способствует, во-первых, то, что биологический объект и процессы, протекающие в них, являются нестационарными, во-вторых, уже разработаны общие принципы построения медико-биологических исследований с позиций параметрических систем. В работе приводятся примеры перспективных направлений их внедрения.

Ключевые слова: параметрическая система, биосистема, медико-биологические и экологические исследования; параметрические усилители, фильтры, биомедицинская аппаратура, обобщенный резонанс, спектральный анализ, преобразование Фурье, электромагнитная терапия.

Внедрение цепей с переменными параметрами в область медико-биологических исследований (МБИ) происходит по мере развития теории и практики этих цепей. Началом их практического использования явилось достаточно широкое применение параметрических усилителей в электрофизиологическом эксперименте для усиления и приема слабых биосигналов. Основными их преимуществами при этом являются: а) низкий уровень собственных шумов, связанное отсутствием в них дробовых флуктуаций тока; б) большое входное сопротивление. Для получения минимального уровня собственных шумов в параметрических усилителях используются параметрические реактивные элементы.

Для параметрических усилителей практически достижимы следующие технические характеристики [1]:

Явх> 109 ом; Свх< 10-3 пф; Кус=(20-40)дБ; 5< 10 мкВ/град; Еш1< 510-6 В.

Одновременно нашли применение и модели нейронных механизмов анализа изображений в зрительной системе человека с параметрическим управлением [2]; параметрические преобразователи частоты для преобразования электрофизиологического сигнала в системах передачи физиологической информации по каналу связи [3]; датчики температуры с параметрическим возбуждением пьезоэлектрического резонатора, не требующие автономного источника питания [4]; схемы автоматического регулирования усиления и автоматической калибровки медицинских приборов [5] и др.

Дальнейшее внедрение систем с переменными параметрами в биомедицинскую аппаратуру может быть связано с применением модулированных (или следящих) фильтров [6] для частотномодулированных сложных колебаний, являющихся системами с переменными во времени параметрами. Они, в отличие от параметрических усилителей, для которых характерна соразмерность частоты изменения параметрического элемента усилителя и частоты усиливаемого сигнала, характеризуются медленным, по сравнению с высокочастотным заполнением сигнала, изменением их параметров. Следящие фильтры получили дальнейшее развитие, связанное с разработкой структурно-сигнальных параметрических фильтров (ССПФ) [7], которые позволили освободиться от ограничения

-\-

медленности изменения параметров и охватить более широкий класс колебаний сложной

формы. Следящие фильтры и ССПФ с успехом могут быть применены в приемных устройствах, например, в биотелеметрии, для повышения помехоустойчивости, выделения сигналов физиологических ритмов из ЭЭГ и т.д.

Следует отметить, что внедрение в биомедицинскую практику параметрических устройств и систем ещё только начинается. Этому способствовало и то, что к настоящему времени уже разработаны общие принципы построения исследований с позиций параметрических систем, что в значительной мере снимает трудности принципиального характера к их внедрению в МБИ [12]. Характерные для таких систем новые возможности далеко не полностью еще выявлены и в еще меньшей мере использованы в практических разработках. Поэтому основой традиционного подхода к разработке и созданию современной биомедицинской аппаратуры (БМА) все еще остается ориентация на линейные цепи с постоянными параметрами.

Приведем результаты проведенного в работе анализа перспектив дальнейшего внедрения структур с переменными во времени параметрами в практику медико-биологических исследований используя, примеры различных областей исследований.

1. Известно, что принцип работы многих диагностических приборов (ЭКГ,ЭЭГ,ЭМГ, реографов, реоэнцефалографов, реоплетизмографов и т.д.) основан на регистрации изменений во времени электрического состояния живых тканей, органов или участков тела пациента. Например, реограф позволяет регистрировать меняющиеся величины электрического сопротивления участка ткани исследуемого организма при изменении кровенаполнения сосудов этого участка, т.е. здесь фактически речь идет о регистрации закона изменения параметрического импеданса, в качестве которого в данном случае выступает участок ткани пациента и, очевидно, к данному импедансу могут быть применимы методы исследования параметрических цепей.

2. Методы анализа сигнала пульсовой волны (ПВ), основанные на спектральных представлениях сигнала. В традиционном подходе заранее подразумевают, что сигнал относится к классу разложимых в ряд Фурье, а электрическая модель канала распространения пульсовой волны представляется системой с постоянными во времени параметрами: собственной частотой, затуханием, коэффициентом передачи [4]. Однако сигнал ПВ является импульсным сигналом со сложной огибающей, а радиус одного и того же участка сосудистого русла, имея сложную структуру и разные значения по своей длине, изменяется во времени под воздействием механизмов регуляции организма при изменении, как внешней окружающей среды, так и от внутреннего состояния самого организма. Длительное время стенка сосуда (аорты) рассматривалась как упругое твердое тело, подчиняющееся закону Гука. Однако впоследствии стало очевидным, что упругие свойства сосуда сложнее и поведение его стенок скорее следует сравнивать с поведением резиноподобных (эластомерных) материалов с переменным во времени размером просвета сосуда, а не линейно упругих твердых тел [8]. Кроме того, стенка сосуда не обладает однородной структурой. Она состоит из трех слоев: мышечных, эластических и коллагеновых волокон, что еще более усложняет ситуацию. Типичная зависимость изменения радиуса АЯ сосуда здорового человека, полученная в работе [9], имеет вид, представленный на рис. 1.

Кроме того, движение жидкости по сосудам следует рассматривать как движение двухфазной жидкости (кровь+газ), причем, газовый состав также изменяется под влиянием гуморальных реакций сосудистого русла [8].

Таким образом, для определения наиболее близких к реальным временных или частотных характеристик различных участков сосудистого русла и описания импульсных сигналов пульсовой волны необходим переход к сигналам и моделям на основе линейных устройств более общего класса - устройств с переменными во времени параметрами, т.е. параметрических устройств.

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010. -\-

АЯ,%________

0

мс

Рис. 1. Зависимость приращения радиуса бедренной артерии от текущего времени кровенаполнения

3. Анализ электроэнцефалограмм также основывается на спектральном его разложении с помощью быстрого преобразования Фурье с использованием персонального компьютера. При таком разложении в каждом результате неизбежна избыточность информации из-за наличия в каждом измерении составляющих, присутствующих во всех измерениях и тем самым маскирующих полезную информацию. Использование преобразования Фурье в приведённых отсчётах времени [12], возможно, позволит существенно снизить избыточность информации и тем самым повысить информативность электроэнцефалограмм.

4. Системы с переменными параметрами должны находить широкое применение и при решении задач моделирования биообъектов. Так, например, согласно мембранной теории возникновения биопотенциалов, мембрана клетки является сложной, слаженно работающей системой с переменной проницаемостью для ионов различных веществ. Проницаемость является функцией от количества, выделяемого в синаптическую щель медиатора или от состояния возбуждения клетки.

5. Исследования слуховой системы человека показывают, что наружный слуховой проход имеет собственную (резонансную) частоту не одного тона (около 3 кГц), а обладает сложным (обобщенным) резонансом с основной частотой около 3 кГц. Кроме того, восприимчивость звуковых частот перепончатого канала улитки изменяется в пространстве от высоких в его основании, до низких - в вершине [9].

6. В зрительной же системе человека кривизна оптической среды (в основном хрусталика) является функцией расстояния между глазом и объектом, а размеры зрачка изменяются в зависимости от освещенности.

7. Исходя из современных представлений о механизмах анализа информации в нервных структурах (как о внутренней среде организма, так и об окружающей среде), есть основания также полагать, что здесь речь идет о параметрическом управлении.

8. Теория и практика систем с переменными параметрами оказывается весьма полезной и при моделировании электрофизиологических полей и процессов, происходящих в живом организме, а также для моделирования его физиологических систем. Так, понятие обобщенного резонанса [10], на котором основывается вся теоретическая база систем с переменными параметрами, позволяет объяснить эффект возникновения "третьего" переходного режима движения крови в сердечно-сосудистой системе [11], отличающегося от двух других (ламинарного и турбулентного) существенно

\

100 200 300 400 500

-\-

меньшими потерями энергии на трение, и составить математическую модель данной

системы.

9. В электромагнитной терапии все большее предпочтение отдается обеспечению адекватности внешнего воздействия. Адекватными при этом считаются, например, воздействия возбуждающие в биотканях пациента такие токи, законы изменения которых были бы наиболее близки к естественным, имеющим место в тканях нормально функционирующего здорового организма при одних и тех же условиях. Исследования, проведенные рядом авторов [8], показывают, что в различных тканях здорового живого организма текут низкочастотные токи различной интенсивности, с разнообразными устойчивыми законами изменения во времени как амплитуды, так и частоты, или же одновременно и те, и другие. Иными словами, колебания, имеющие место в биотканях организма, являются сложными модулированными по амплитуде и частоте колебаниями. Традиционно технические средства (генераторы) адекватных воздействий сложной формы строят на основе цепей с постоянными во времени параметрами. Однако для любого линейного устройства с постоянными параметрами простейшим может быть единственный вид колебаний - гармонический [10]. Для генерации сигналов заданной сложной формы необходим также переход к более широкому классу линейных устройств - к цепям с переменными во времени параметрами.

Здесь можно привести множество других примеров физиологических показателей организма, изменяющихся во времени, но не по синусоидальным законам. Это и потенциалы биологически активных точек (БАТ), и электрические потенциалы, возникающие при работе органов и систем, и токи, циркулирующие в тканях организма, внутренние ритмические процессы организма и т.д.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать предположение о целесообразности более профессионального и направленного изучения биопроцессов и биосистем с целью последующей разработки биомедицинской аппаратуры нового поколения на основе систем с переменными во времени параметрами, сочетающих преимущества линейных и нелинейных цепей.

В соответствии с новым подходом к проведению МБИ, основанного на представлении трех основных составляющих исследований: биологического объекта, технических средств и методического обеспечения как систем с переменными во времени параметрами, в работе [12] разработаны обобщённые схемы параметрической биомедицинской аппаратуры (ПБМА), которых условно можно подразделить на два типа (рис. 2,а):

1) Обобщенная схема ПБМА измерения медико-биологических показателей для решения задач диагностики (ПБМА-Д) (рис.5,б).

2) Обобщенная схема ПБМА воздействия на биообъект и управления его состоянием (лечебные процедуры) (ПБМА-Т) (рис.5,а).

Аппаратура отличается от традиционной тем, что в нее входят один или несколько параметрических базовых блоков (ПББ) различного назначения.

Рассмотрим их обобщенные схемы.

Обобщенная схема ПБМА-Д. Схема содержит параметрический измерительный преобразователь ПИП, параметрический усилитель с преобразованием спектра ПУПС, параметрическая система обработки сигналов ПСО, блок модуляции параметра БМП, а также блок регистрации и обработки БРиО.

Процесс передвижения информации от БО можно отобразить с помощью операторного уравнения:

у = Ей" = ЕВп = ЕВСп = ЕВСБу

где операторы: В - преобразует множество проявлений физиологических функций V в первичный электрический сигнал и; С - реализует малошумящее усиление первичного сигнала и; Б - оператор оптимальной обработки сигнала в соответствии с заданным

-\-

критерием оптимальности; Е - оператор, осуществляющий регистрацию и обработку

поступающей информации.

В уравнении не учтены формирователи законов управления параметрических базовых блоков, источники различного рода помех: физиологических ФП, артефактов АФ, внешних помех ВнП, а также внутренних шумов и искажений ВШиИ.

а)

б)

Рис. 2.Обобщенные структурные схемы ПБМА-Т

Обобщенная схема ПБМА-Т. Обобщенная схема (рис.2,а) включает в себя параметрический измерительный преобразователь ПИП, блок модуляции параметров (одного или нескольких) генератора БМП1 , параметрический генератор физических воздействий ПГФВ, устройство воздействия УВ на биообъект БО.

Процесс формирования адекватного воздействия можно представить в виде:

Y = Ки", и' = Gu = GBv,

где операторы: В - преобразует множество проявлений физиологических функций V в первичные электрические сигналы и, G - реализует преобразования сигнала и в напряжение модуляции параметрами генератора, К - преобразует напряжение с генератора ПГФВ - и" в адекватное воздействие в соответствии с заданной программой.

Вид операторов, входящих в уравнения, в зависимости от объекта измерений и воздействий, задач и программ эксперимента может быть различным. В реализации конкретных разработок по этим обобщенным схемам могут использоваться элементы и блоки из рассмотренного выше набора базовых элементов.

На основе анализа моделей БО, выбранных направлений и принципов синтеза ТС, а также обобщенных схем могут быть разработаны разнообразные параметрические технические средства медико-биологического и экологического назначений.

-\-

Библиографический список

1. Василевский П.И. Особенности построения предварительных усилителей, используемых в нейрохирургии. - В кн.: Вопросы медицинской электроники. - Таганрог: ТРТИ, 1982, вып. 4, С. 110-114.

2. Дудкин К.ЛН. Модели нейронных механизмов анализа изображений. В кн.: Средства автоматизации физиологических исследований. - Л.: Наука, 1988. - С. 134-149.

3. Бакалов В.П. Основы биотелеметрии. - Л.: Радио и связь, 2004. - 352 с.

4. Мухин В.Л., Кабаков М.Ф., Подгайский А.И. Датчик температуры для биомедицинских исследований. - В кн.: Вопросы медицинской электроники. - Таганрог: ТРТИ, 1982, вып. 4, с. 92-94.

5. Попечителев Е.П., Кореневский Н.А., электрофизиологическая и фотометрическая техника. - М.: Высшая школа, 2002. - 470 с.

6. Виницкий А.С. Автономные радиосистемы.- М.: Радио и связь, 1986.-335 с.

7. Заездный А.М., Зайцев В.А. Структурно-сигнальные параметрические фильтры и их использование для разделения сигналов.//Радиотехника, т. 26, N 1, 1971, С. 37-44.

8. Щукин С.И. Аппараты и системы для электромагнитной индивидуальной терапии и активной диагностики.//Вестник МГТУ, сер. Приборостроение. -М.: 1993, N 4, С. 9-23.

9. Воробьев А.Г., Щукин С.И., Прогонный Ю.А. Исследования колебательных процессов в сосудистой стенке.//. Тез. докл. II Всесоюзн. НТК. " Актуальные проблемы современного приборостроения" - М.: МГТУ, 1988, С. 146.

10. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. - М.: Наука, 1972. - 457 с.

11. Поединцев Г.М., Воронова О.К. Пределы нормальных колебаний параметров центральной гемодинамики человека./В сб.: Медицинские информационные системы. -Таганрог, 1993. - Вып. 4(XI). - С. 137-143.

12. Магомедов Д.А. Аппаратно-методическое обеспечение медико-биологических исследований на основе систем с переменными параметрами. - Махачкала: Изд. ДГТУ, 2004, 252 с.

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010.

-\-

D.A. Magomedov, S.Z. Magomedsaidova, G.M. Pirbudagov

Prospects of hardware - methodical maintenance of medicobiological and ecological researches on the basis of parametrical systems

In this work the results of researches of prospects of active introduction of parametrical systems (PS) in the practice of medico biological researches (MBR) are given. Well known various technical applications due of the number of their remarkable properties, the Parametric Systems have a prospect of wide application in medico biological practice. This is promoted, first, by that biological object and the processes proceeding in them, are non-stationary, secondly the, general principles of construction of medico biological researches from positions of parametrical systems are already developed. In this work are given the examples of perspective directions of their introduction.

Keywords: parametrical system, biosystem, medico biological and ecological researches; parametrical amplifiers, filters, biomedical equipment, generalized resonance, spectral analysis, Fure transformation, electromagnetic therapy.

Магомедов Давуд Ахмеднабиевич заведующий кафедрой БиМАС Дагестанского государственного технического университета. Доктор технических наук, профессор Область научных интересов: биомедицинская электроника, биотехнические системы, адекватные методы и технические средства физиотерапии.

Магомедсаидова Сарат Загидовна старший преподаватель кафедры БиМАС Дагестанского государственного технического университета.

Область научных интересов: биомедицинская электроника, биотехнические системы, адекватные методы и технические средства физиотерапии.

Пирбудагов Геннадий Муртузалиевич заместитель начальника Учебно-методического управления Дагестанского государственного технического университета. Область научных интересов: биомедицинская электроника, биотехнические системы, адекватные методы и технические средства физиотерапии.