Разработка виртуальных измерительных генераторов для функциональной диагностики

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

УДК 681.3

А. Ю. Тычков, П. П. Чураков

РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ

A. Yu. Tychkov, P. P. Churakov

DEVELOPMENT OF VIRTUAL MEASURING GENERATOR FOR FUNCTIONAL DIAGNOSTICS

Аннотация. Актуальность и цели. Актуальность приведенных исследований обусловлена необходимостью разработки нового поколения устройств функциональной диагностики, для контроля за состоянием слухового аппарата человека. В результате проведенных работ разработаны генераторы акустических сигналов, позволяющие диагностировать и контролировать состояние слуха человека в условиях дополнительных внешних шумов и при воздействии акустических импульсов разной частоты. Материалы и методы. В качестве методов проектирования виртуальных приборов генерации акустических сигналов для функциональной диагностики использовались методы графического проектирования в среде LabVIEW, позволяющие разработать виртуальный прибор и провести его натурные испытания. Результаты. Результатами проведенных исследований являются спроектированные устройства генерации акустических сигналов. Выводы. В работе приведены решения по проектированию виртуальных приборов и систем для функциональной диагностики человека, в частности слухового аппарата. Использование современной элементной микропроцессорной базы позволит на основе спроектированных устройств разработать полноценный медицинский диагностический комплекс.

Abstract. Relevance and purpose. The relevance of the research is driven by the need to develop a new generation of functional diagnostics devices for human hearing monitoring. As a result of the carried out work the generators of acoustic signals to diagnose and monitor the status of human hearing under the conditions of additional external noise and the effects of acoustic pulses of different frequency are developed. Materials and methods. As virtual fixture design techniques to generate acoustic signals for functional diagnostics, the methods of graphic design in LabVIEW to develop virtual appliance and full-scale tests were used. Results. The results of the research are the designed devices for generating acoustic signals. Conclusions. The solutions for design of virtual devices and systems for functional diagnostics of a person, in particular a hearing aid, are provided in the paper. The use of modern element microprocessor base will allow developing a full-fledged medical diagnostic complex on the basis of the designed devices.

Ключевые слова: виртуальное устройство, генератор акустических сигналов, функциональная диагностика.

K e y words: virtual device, the generator of acoustic signals, functional diagnostics.

Введение

В настоящее время для исследования состояния слуха широко применяются устройства воздействия акустическими сигналами на различных слышимых частотных диапазонах, называемые аудиометрами. Применение данных видов устройств обусловлено анатомическими

67

2015,№2(12J

особенностями человека, связанными с меньшими временными затратами пропускания звука через кости, к примеру, по сравнению с исследованиями камертонами.

Для проведения функциональной диагностики человека - исследования состояния слуха -используются дорогостоящие приборы и устройства, позволяющие с высокой точностью диагностировать патологические отклонения у пациента. Однако в связи с дороговизной и необходимостью постоянного контроля и поверки работоспособности таких устройств предлагается разработать его виртуальный аналог, позволяющий диагностировать отклонения в состоянии слуха, ставить предварительное заключение и оказывать помощь врачу-специалисту при использовании различных режимов воздействия и их визуализации, увеличивающих потенциальные возможности применяемого устройства [1, 2].

Для разработки виртуального аудиометра предлагается использовать среду графического моделирования LabVIEW. LabVIEW - это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G». Среда разработки включает все необходимые средства для автоматизации измерений, обработки и визуализации данных и позволяет создавать контрольно-измерительные системы на базе различных аппаратных платформ и приборов [3-5].

Генератор акустических сигналов

Для целей аудиометрии в данной работе разработан виртуальный генератор акустических сигналов, который может быть описан следующей блок-схемой (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема генератора акустических сигналов

Генератор акустических сигналов содержит источник синусоидального сигнала, устройство управления частотой и амплитудой колебаний. Источником акустического сигнала могут быть наушники, подключенные к выходу генератора.

На основе представленной схемы в среде графического программирования разработан виртуальный прибор (ВП) генератора акустических сигналов, приведенный на рис. 2. ВП состоит из двух основных субприборов: осциллографа с синусоидальными колебаниями («sine waveform») и числовых элементов управления («frequency») типа Dial.

Рис. 2. ВП генератора акустических сигналов

68

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Начальный (минимальный) уровень громкости ВП генератора акустических сигналов определяется значением на одном из входов сумматора. Скорость роста уровня громкости определяется путем контроля конфигурационных параметров устройства вывода звука. Для контроля тонального сигнала к выходу генератора осциллограммы подключается графический индикатор. Текущее значение уровня громкости сигнала (на момент остановки работы прибора оператором) отображается с помощью индикатора, имитирующего работу самописца («waveform chart») [4].

На внешнюю, управляющую панель ВП генератора акустических сигналов (рис. 3) выносятся графические средства управления начальным уровнем сигнала («начальный уровень»), текущим уровнем сигнала («уровень»), частотой генерации («частота тона»), осциллограф тонального сигнала («тональный сигнал») и самописец аудиограммы («аудиограмма»).

Рис. 3. Внешняя, управляющая панель ВП Генератор шума для аудиометрии

В результате работы генератора акустических сигналов при условии внешних помех и возмущений образуются помехи, искажающие распознавание акустических сигналов [6, 7]. Для уменьшения влияния помех на аудиометры предлагается спроектировать и реализовать ВП генератора шума. Схема ВП генератора шума для аудиометрии представлена на рис. 4.

Рис. 4. ВП генератора шума

69

2015,№2(12J

На внешнюю, управляющую панель ВП (рис. 3) генератора шума выносятся регулятор уровня шума и осциллограф (рис. 5).

Громкость 100-.* 95-Г 90- | 85- ! 80757065605550454035302520151050-

Генератор для фоностимуляции

Для воздействия на слуховые анализаторы и определения уровня слышимости человека используются фоностимуляторы - генераторы звуковых акустических колебаний.

Основными характеристиками фоностимуляторов являются [8]:

- уровень стимуляции: 0-110 дБ;

- частота импульсов: 100-2000 Гц;

- длительность импульсов: 0,5-500 мс;

- период импульсов: 20-1000 мс;

- длительность импульсов: 100-5000 мкс;

- частота стимуляции: 0,5-50 Гц.

Генератор для фоностимуляции (рис. 6) содержит источник синусоидального сигнала (устройства управления частотой, интенсивностью и длительностью звучания сигнала). Для преобразования электрического сигнала в акустический можно использовать головные телефоны или активные акустические колонки.

Рис. 5. Внешняя, управляющая панель ВП генератора шума

Рис. 6. Блок-схема генератора для фоностимуляции

Блок-диаграмма ВП генератора для фоностимуляции (рис. 7) содержит генератор осциллограммы синусоидального колебания («sine waveform»), период работы которого регулируется с помощью инструмента задержки («wait util nextms multiple»). На выходе генератора синусоидального колебания подключено весовое окно Хемминга («hamming») из палитры функций обработки весовыми окнами. Наличие окна позволяет устранить характерный резкий

70

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

акустический щелчок, возникающий при резком увеличении амплитуды сигнала в начале сигнала (независимо от частоты сигнала) [9, 10].

На внешнюю, управляющую панель ВП (рис. 8) генератора для фоностимуляции выносятся осциллограмма звукового импульса и графические средства управления параметрами звука (частотой, интенсивностью, длительностью пачки, периодом следования).

Формат звука sample rate

fJuLQO .......

num1xr.pl channels

Рис. 8. Внешняя, управляющая панель ВП генератора для фоностимуляции

Заключение

Результатами проведенных исследований являются спроектированные ВП генерации акустических сигналов для функциональной диагностики слуха человека. В качестве методов проектирования ВП генерации акустических сигналов использовались методы графического проектирования в среде LabVIEW, позволяющие разработать виртуальный прибор и провести

71

2015,№2(12J

его испытания [4]. Разработанные ВП позволяют диагностировать отклонения в состоянии слуха, ставить предварительное заключение и оказывать помощь врачу-специалисту при использовании различных режимов воздействия и их визуализации.

Список литературы

1. Королева, И. В. Введение в аудиологию и слухопротезирование / И. В. Королева. -СПб. : КАРО, 2012. - 343 с.

2. IBM embedded ViaVoice Enterprise Edition. - URL: http://www.ibm.com/software/speech.

3. Суранов, А. Я. LabVIEW : справочник по функциям / А. Я. Суранов. - М., 2000. - 535 с.

4. Voice Recognition - URL: https://instmct1.cit.cornell.edu/courses/ee476/FinalProjects/ s2006/avh8_css34/avh8_css34/index.html

5. Трэвис, Дж. LabVIEW для всех / Дж. Трэвис, Дж. Кринг. - М. : ДМК Пресс, 2011. - 320 с.

6. Алимурадов, А. К. Адаптивная компенсация помех речевых сигналов с использованием комплементарной множественной декомпозиции на эмпирические моды / А. К. Алимурадов // Молодежь и XXI век - 2015 : материалы V Междунар. молодежной науч. конф. (26-27 февраля 2015 г.) : в 3 т. / Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск : Университетская книга, 2015. - Т. 2. - С. 96-99.

7. Динамическое программирование в алгоритмах распознавания речи. - URL: http://habrahabr.ru/post/135087

8. Tychkov, A. Yu. The software solutions of the problems of the biomedical information processing / A. Yu. Tychkov // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № (5). - С. 114-116.

9. Ostanin, S. L. National Instruments Russia / S. L. Ostanin. - CIS & Baltic. Labview in biomedicine, 2013. - 620 p.

10. Beckoned, L. A. Biomedical signal processing using the software package LabVIEW: guidelines to carry out laboratory and practical work / L. A. Beckoned, A. N. Kalinichenko. -St. Petersburg : ETU, 1998. - 38 p.

Тычков Александр Юрьевич

кандидат технических наук,

директор студенческого научно-производственного бизнес-инкубатора,

Пензенский государственный университет E-mail: tychkov_a@pnzga.ru

Чураков Петр Павлович

доктор технических наук, профессор,

кафедра информационно-измерительной техники

и метрологии,

Пензенский государственный университет E-mail: iit@pnzgu.ru

УДК 681.3 Тычков, А. Ю.

Разработка виртуальных измерительных генераторов для функциональной диагностики /

А. Ю. Тычков, П. П. Чураков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2015. - № 2 (12). -С. 66-71.

Tychkov Aleksander Yur’evich

candidate of technical sciences, director of student research and production business incubator,

Penza State University

Churakov Petr Pavlovich

doctor oftechnical sciences, professor, sub-department of information and measuring equipment and metrology, Penza State University