Концепция построения компьютерных стабилоанализаторов типа КСК-4

В ОКБ «Ритм» в настоящее время заканчивается разработка новой версии ПМО StabMed. В отличие от предыдущих версий StabMed 1, новая будет обладать рядом преимуществ:

• существенно упрощается процесс подготовки программы к предстоящему обследованию в зависимости от требований врача или исследователя, а также расширяются возможности по выбору количества проб (этапов) обследования, варианта видео- и аудиостимуляции, а также по реализации обратной связи (визуальной, по слуху и др.);

• реализуется возможность построения стабилографического комплекса с двумя мониторами (один - для пациента, другой для врача);

• обеспечивается возможность использования как известных, так и вновь разработанных методов обработки стабилографического сигнала для любых исследований, записанных по любым методикам (требованием является лишь наличие сигнала), а также последующего сопоставления результатов обработки;

• предусматривается возможность оперативного создания новых методик исследований (связанных не только со стабилографией), упрощенной реализации новых алгоритмов обработки и встраивания их в программное обеспечение даже силами пользователей, имеющих небольшой опыт программирования;

• реализуется синхронная регистрация стабилографического и физиологических сигналов, дополнительно встроенных в стабилоанализатор, в любом проводимом исследовании или сеансе тренинга;

• обеспечивается возможность простой и быстрой «навигации» в базе данных, выдачи разнообразных отчетов в ответ на различные запросы.

Таким образом, новое ПМО StabMed 2.0, как оно будет теперь называться, является совершенно другой, отличной от StabMed 1.0, программой, не говоря уже о том, что оно создается в другой среде, будет работать под управлением операционной системы Windows со всеми вытекающими ее преимуществами и недостатками.

После доведения в 2000 году технического уровня компьютерных стабилоанализаторов типа КСК-4 до логического завершения (то есть до сертификации) разработка нового программного обеспечения StabMed 2.0 явится следующим шагом к широкому продвижению методов компьютерной стабилографии как новых видов технологий в медико-биологических исследованиях при диагностике и реабилитации нарушений опорно-двигательного аппарата.

УДК 612.76

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СТАБИЛОАНАЛИЗАТОРОВ ТИПА КСК-4

С.С. Слива, И.В. Кондратьев, Д.В. Кривец

Закрытое акционерное общество Особое конструкторское бюро "Ритм ", Россия, 347900, г. Таганрог, ул. Петровская, 99,тел. (86344) 2-32-55.

E-mail: perejaslov@ritm.infotecstt.ru, E-mail: sliva ko@pbox.ttn.ru

Ростовский государственный университет, НИИ нейрокибернетики имени А.Б.

Когана,

Россия, 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/1, тел. (8632) 28-00-88. E-mail: krivets@krinc.rnd.runnet.ru

Методика комфортного и эргономичного исследования процесса поддержания человеком ортоградной позы, названная стабилографией, была разработана Гурфинкелем В.С. совместно с Бабским Е.Б., Ромелем Э.Л. и Якобсоном

Я.С. еще в 1952 году, то есть почти 50 лет назад. Только спустя 40 лет это направление в биомеханике вышло на качественно новый уровень развития в связи с появившейся возможностью компьютерной обработки результатов стабилограмм. К разработке технических средств и методов исследований на основе компьютерной стабилографии подключились несколько организаций. Подводя некоторый итог десятилетнего развития отечественной компьютерной стабилографии, этого многообещающего и перспективного направления, можно констатировать, что до уровня тиражируемой медицинской техники свои разработки довели всего три организации:

- ЗАО ОКБ “Ритм“ (г. Таганрог);

- Научно-медицинская фирма “МБН” (г. Москва);

- ЗАО “ВНИИМП-ВИТА“ (г. Москва).

У каждой из указанных организаций был свой путь. Между разработчиками этих предприятий, как это сейчас принято, не было профессиональных контактов. Тем интереснее сопоставить специфику подходов и решений уже завершенных разработок. Ниже в таблице сделана попытка привести основные технические характеристики в сопоставимых показателях.

В ОКБ “Ритм” (г. Таганрог) компьютерная стабилография развивается с 1990 года в условиях самофинансирования и жесткого хозрасчета как самостоятельное научно-техническое направление. Отсчет ведется с создания первых четырех опытных образцов компьютерных стабилографов, названных тогда СТ-01 и отнесенных впоследствии к первому поколению. В 2000 году завершается сертификация компьютерных стабилоанализаторов КСК-4, отнесенных разработчиками к четвертому поколению. К концептуально значимым показателям стабилоанализаторов КСК-4, прежде всего, следует отнести реализацию возможности статических стабилографических исследований (то есть когда стабилоплатформа неподвижна), а также регистрацию с последующей обработкой траектории центра давления (ЦД), оказываемого испытуемым на опорную поверхность стабилоплатформы, в двух координатах: X (фронтальном)- и У (сагиттальном)- направлениях. По этому пути пошли разработчики и двух других предприятий, дошедших до выпуска стабилографических комплексов. Отказ от измерения моментов силы, возникающих в силовоспринимающей поверхности стабилоплатформы, можно оправдать тем, что их оценка не позволяет однозначно перейти к измерению координат центра масс человека. Это достаточно убедительно показано в результатах исследований, проведенных группой ученых Института Машиноведения РАН под руководством Потемкина Б. А.

В разработках стабилоплатформ, проводимых в ОКБ “Ритм”, было обращено внимание на подвижность опорной поверхности стабилоплатформы в вертикальном направлении в процессе обследования человека. Этот показатель обычно нигде не оговаривается, зависит от специфики используемых датчиков и конструкции стабилоплатформы. Однако человек оказывается весьма чувствительным к этому показателю. В стабилографах типа КСК-2 (то есть второго поколения) подвижность опорной поверхности стабилоплатформы достигала значения 2 мм, на что обращали внимание большинство испытуемых. В стабилографах же четвертого поколения (КСК-4) удалось снизить этот показатель на порядок, но и в этом случае находятся иногда испытуемые, которые ощущают вертикальные смещения. Снижение указанного показателя, достигнутое разработчиками ЗАО ОКБ “Ритм”, позволяет сохранить естественность поведения человека при стабилографическом обследовании и исключает внешние возмущающие воздействия со стороны измерительного устройства.

Технические показатели компьютерных стабилографов, разработанных в России

Фирма (город), Модель (год) Диапазон оценки координат ЦД, м Разреш. Способ- ность, мм Точн. Оценки коорд., % Масса пациента, Кг Разр. АЦП, Бит Потр. мощ- ность, ВА Кол.дат- чи-ков Масса, кг; Габаритные Размеры, мм

Х,У ± 50 0,15...0,01 ± 2 до 150 10-12 5 4 3;

«ВНИИМП-Вита» 400х370х50

Стабилотест-К

Х,У ± 150 0,2 2 О 2 о 11 12 80;

НМФ «МБН» 600x400x120

Биомеханика (1996) Х,У ± 150 0,2 2 о 2 о 11 4 15;

Биомеханика (1998) 500x400x50

Стабилометрический Х,У ± 125 0,2 0 2 о 11 3 8;

Комплекс (1999) 400x400x50

Х,У ± 160 0,1...0,005 ± 5 30...150 12 5 4 7;

ЗАО ОКБ “Ритм” 400x350x80

КСК-123-3 (1997) Х,У ± 150 ~ 0,006 ± 2 2 О 5 о 16 5 4 6;

КСК-4.2 (1999) 400x350x70

Х,У ± 200 ~ 0,006 ± 1,5 2 о 5 о 16 20 4 8;

КСК-4.3 (1999) 480x480x70

Принципиальным при проектировании стабилоплатформы, как чувствительной части компьютерного стабилоанализатора, является выбор метода преобразования силы в электрический сигнал для оценки реакций опор, по которым вычисляются т равнодействующая, называемая обычно центром давления (ЦД), и ее координаты. Существует несколько методов преобразования силы в электрический сигнал: контактный, реостатный, тензометрический, емкостной, пьезоэлектрический, электромагнитный, меxанотронный, струйный, оптоэлектронный и др. В общей сложности такт методов насчитывается порядка двадцати. В ОКБ “Ритм” использован тензометрический метод. Сначала это было сделано интуитивно, с учетом доступности, затем с полным пониманием получаемый преимуществ. Не менее важным и ответственным является выбор конструкции упругого элемента для реализации тензорезистивного датчика силы. За десять лет развития стабилографов типа КСК в ОКБ “Ритм” были опробованы тензометрические чувствительные элементы, выполненные в несколькж вариант:

- в виде полого цилиндра с усеченными боковыми поверxностями по авторскому свидетельству Сафронова О.И.;

- в виде тонкостенный трубок в серийныи датчикаx Краснодарского завода тензорезистивнык приборов типа ЛХ-143 и ЛХ-144;

- в виде разрезанный колец оригинальной конструкции.

В стабилоанализатораx типа КСК-4 в итоге используются двуxконсольные изгибные датчики параллелограммного типа оригинальной конструкции, предложенной старшим научным сотрудником НИИ нейрокибернетики имени А.Б. Когана Ростовского Государственного Университета Кривцом Д.В. В сочетании с последними достижениями в области интегральной микросxемотеxники, ориентированными на съем и преобразование сигналов с тензорезистивныx мостовыи сxем, удалось достичь уникального динамического диапазона (более 65000 дискрет на диапазон измерения координат центра давления) как в сагиттальном, так и во фронтальном направленияx. Это позволило довести разрешающую способность в оценке координат до значения менее 0.01 мм по всему полю измерения (400x400 мм) и отказаться от выбора масштаба преобразования вxодныx сигналов. Такое теxническое решение существенно упростило методики проведения стабилографическиx исследований без риска потери информации или необxодимости повторный исследований. Использование современный достижений в интегральной сxемотеxнике для реализации электронный узлов позволило также исключить подстроечные элементы, автоматизировать процесс подготовки

стабилоплатформы к работе, решив программно-аппаратным способом такие задачи, как компенсация начальный меxаническиx напряжений, совмещение ЦД испытуемого с началом координат и учет индивидуальны« показателей датчиков опорный реакций. Выбор тензометрическт датчиков опорный реакций, позволяющиx, в отличие от пьезокерамическж, измерять постоянную составляющую реакций опор, решил по xоду дела и проблему весоизмерения. Хотя этот показатель у человека меняется медленно, тем не менее, выявление тенденции его изменения в сочетании с некоторыми стабилографическими показателями приобретает особую значимость, например, в прогнозаx динамики процесса лечения.

Достигнутая в стабилоанализатораx КСК-4 высокая избыточность в динамическом диапазоне позволяет с достаточно высоким разрешением (до 7-9 двоичныи разрядов) оценивать динамику веса испытуемого, что превращает стабилоплатформу в баллистодатчик. Изучение информативной значимости этого дополнительного канала только начинается, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что в этом канале надежно проявляется меxаническая работа сердца и процесс дынаи^ (особенно в положении “сидя на стабилоплатформе”), а спектр баллистограмм в диапазоне до 0.2 Гц достаточно близко совпадает со спектром стабилограмм, что требует специального изучения.

С необxодимостью встраивания дополнительный каналов для си^ронного съема со стабилограммами некоторыx физиологически сигналов пришлось столкнуться еще в 1993 году. Сначала это был канал пульсометрии с использованием фотоплетизмографического пальцевого датчика. В настоящее время для реализации пульсометрии используется съем электрокардиограммы с одного отведения, что повысило точность вариационного анализа. На основе тензометрическиx датчиков освоены дополнительно встраиваемые в КСК-4 каналы для съема периметрического дыкания, кистевой и становой силы. Повышенный интерес в последнее время проявляют пользователи компьютерный стабилоанализаторов типа КСК-4 к встраиванию каналов для съема огибающж миограмм. Реализация четыреx такт каналов практически всеx устраивает. В процессе разработки наxодятся акселерометрические каналы на основе двуx- и треxкоординатныx датчиков, а также гониометрические каналы. При реализации дополнительный каналов съема физиологически сигналов, кроме си^ронного съема со стабилограммами, всегда предусматривается возможность визуализации всеx исследуемыx сигналов и простая организация обработки данный, а также возможность относительно простого подбора необxодимыx пользователю для встраивания дополнительный каналов. По данным, которыми мы располагаем на текущий момент (август 2000 г.), такой подxод реализован только разработчиками ОКБ “Ритм”. Это позволяет существенно расширить возможности эффективного использования компьютерной стабилографии в следующиx областяx:

- фундаментальные исследования в биомеxанике и медицине;

- предрейсовый контроль водителей транспортный средств;

- профотбор и профориентация;

- отработка методик овладения требуемыми стереотипами для достижения высшт спортивный результатов;

- реабилитация нарушений устойчивости человека за счет широкого использования методов биологической обратной связи (БОС) и т.д.

Начиная со второго поколения компьютерный стабилоанализаторов типа КСК, был принят монококовый вариант конструкции стабилоплатформы, позволяющий разместить внутри все электронные узлы комплекса. Кроме выигрыша в эргономичности комплекса, удалось существенно снизить требования к организации съема сигнала с тензорезистивныx датчиков (в частности, исключить необxодимость т шестипроводного подключения), что принципиально важно в решении задачи расширения динамического диапазона измерений. Разработчикам ОКБ “Ритм” удалось удержать массу стабилоплатформ всеx четыреx поколений в пределаx 4-8 кг, что обеспечивало иx высокую мобильность. В четвертом поколении стабилоанализаторов за счет оригинальны« конструкторски решений удалось даже исключить вспомогательную нижнюю силовую плиту, xарактерную для большинства известный разработок, у который масса платформы наxодится обычно в пределаx 1530 кг, но известны варианты с массой до 80 кг.

На примере десятилетнего развития компьютерной стабилографии в ОКБ “Ритм” можно констатировать, что по теxническому уровню в отечественной стабилографии ликвидирован разрыв с ведущими зарубежными фирмами, а по уровню программно-методического обеспечения в такт направленияx, как оценка псиxофизиологического состояния человека и предрейсовый контроль водителей транспортный средств, есть все основания считать, что наметилось явное опережение.

Теперь, когда создана теxническая база компьютерной стабилографии, дальнейшие усилия разработчиков и ученык должны быть направлены на поиск новый методов обработки. Общепринятые стабилографические показатели, основанные на традиционный статистическиx методаx обработки, давно не удовлетворяют специалистов. Из методов статистики перспективным представляется использование в полном объеме спектрально-корреляционного анализа и wavelet-

анализа, а также подxод, развиваемый профессором Финаевым В.И. (ТРТУ), согласно которому понятие “управляемого случайного процесса с независимыми приращениями в треxмерном пространстве” как нельзя лучше соответствует задачам аппроксимации движения центра тяжести тела человека, а также и центра давления стоп, но уже в двумерном пространстве.

Сегодня сложились предпосылки к решению вопросов обработки стабилограмм, основанные на новый принципаx с использованием базовый понятий и явлений современной нелинейной динамики и синергетики, к которым можно отнести xаос, странные аттракторы, параметры порядка, нелинейные колебания, размерности пространства и т.д. Освоение новый методов обработки позволяет выйти на качественно новый уровень в методическом обеспечении компьютерной стабилографии. Так, освоение анализа векторов скоростей и ускорений центра давления в каждой точке отсчета стабилограмм позволило разработать методики интегральной оценки псиxофизиологического состояния человека и методики предрейсового контроля водителей транспортный средств.

Синергетический подxод, развиваемый группой ученык кафедры систем автоматического управления (САУ) Таганрогского радиотеxнического университета под руководством заведующего кафедрой, профессора Колесникова А. А., базируется на фундаментальной предпосылке, что “...биомеxанические движения человека - это высокоскоординированные, когерентные процессы, которые возможны только в результате обмена информацией между различными частями тела и иерарxическими уровнями биотеxническиx систем”. В новом синергетическом подxоде биологические явления (в том числе и биомеxанические движения) представляют собой не что иное, как различные процессы самоорганизации. По мнению Колесникова А.А., “...именно самоорганизация играет определенную роль в процессаx обработки информации, протекающж в биосистемаx”. При этом возникает новый тип информации, связанный с коллективными переменными -параметрами порядка биосистем. № оценка и использование для

макроскопического описания биомеxаническиx движений позволит обеспечить колоссальное сжатие информации, так как при этом рассматриваются не индивидуальные микродвижения, а изучаются глобальные свойства биотеxнической системы в виде динамически связанный аттракторов.

УДК 615.471:616-073.97:616.831

ОБЗОР МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММ.

А.С. Андреенко

ТРТУ, пер. Некрасовский, 44, ph_anton@mail.ru, vadim@tsure.ru

Математические методы анализа ЭЭГ человека начали свое развитие, когда были сконструированы первые автоматические частотные анализаторы. В основе действия этих анализаторов лежит использование широкополосных и узкополосных фильтров в основном для выщеления из ЭЭГ отдельных частотных ритмов и дальнейшего их анализа.

Одними из основных методов математической обработки электроэнцефалограмм (ЭЭГ): ручной, спектральный и картирование ЭЭГ по амплитуде. При ручном методе производится визуальный анализ ЭЭГ и расчет числовых характеристик ЭЭГ. При спектральном анализе производится вычисление спектров мощности, что позволяет получить энергию каждой из частотных составляющих данной ЭЭГ. Это дает возможность сравнивать электрические