Алгоритм обработки мозговой активности человека на основне виртуального прибора LabVIEV

УДК 681.3: 61

АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ МОЗГОВОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО ПРИБОРА LABVIEW

И.Г. СЕВАСТЬЯНОВ, А.М. ГАТАУЛЛИН, В.Л. МАТУХИН Казанский государственный энергетический университет

В работе представлен виртуальный прибор на основе LabView для фиксации мозговой активности человека. Определены основные параметры этого прибора, представлена блок-схема. Сделаны предположения о возможности применения нашего прибора для определения функционального состояния человека.

Ключевые слова: мозговая активность, LabView, электроэнцефалография, электроды, виртуальный прибор.

Анализ крупнейших аварий на электрических станциях показывает на следующие недостатки, из-за которых эти аварии произошли [1]:

• отсутствие или недостаток обучения;

• отсутствие опыта;

• повышенная усталость или ухудшенное состояние здоровья, его психофизиологические показатели;

• отсутствие систем контроля, которые учитывали бы возможности отдельных ошибок;

• отсутствие систем контроля за психофизиологическими данными состояния работников и их работоспособностью или неучитывание объективных сигналов о выявленных отклонениях в состоянии человека.

Если первые два пункта относятся скорее к ухудшению качества образования, на них мы заострять внимание в этой статье не будем. Остальные пункты свидетельствую о том, что на производстве просто необходимо быстро и точно определить, на сколько человек способен выполнять свою работу, не устал ли он. Физиологически усталость заключается в изменении мозговой деятельности, ее активности. Таким образом, встает вопрос о создании прибора для определения мозговой активности человека.

Цель нашей работы состояла в создании алгоритма обработки мозговой активности человека с последующей регистрацией сигнала виртуальным прибором. На данный момент рабочее место очень часто оснащается компьютером.

Как показано в некоторых зарубежных научных работах [2, 3], электрический сигнал, получаемый от мозга, можно использовать для определения состояния мозга человека. Одним из способов зарегистрировать этот сигнал является электроэнцефалография.

© И.Г. Севастьянов, А.М. Гатауллин, В.Л. Матухин Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

161

Электроэнцефалография (ЭЭГ) - это метод регистрации биопотенциалов головного мозга (через кожный покров головы или полости), позволяющий оценивать его функциональное состояние, наличие поражений и расстройств. Основоположником клинической электроэнцефалографии был психиатр Ганс Бергер (1928 г.).

Электроэнцефалограмма представляет собой запись изменяющихся во времени биопотенциалов работающего мозга.

Поскольку к регистрирующему электроду электрические сигналы поступают из различных областей головного мозга, результирующий потенциал на измерительном электроде отражает суммарную активность корковых нейронов.

Величина колебаний электрических потенциалов, продуцируемых мозгом, очень мала. Они имеют амплитуду от нескольких микровольт до нескольких сот микровольт (до 500-600 мкВ). Для того, чтобы они могли быть записаны, их необходимо предварительно усилить и избавить от помех. Типичные схемы регистрации (для одного канала записи сигнала) показаны на рис. 1. Применяют два способа отведения: монополярный, когда один из двух электродов активный, а другой индифферентный (рис. 1, а) и биполярный, когда оба электрода являются

Рис. 1. Два способа регистрации одноканального сигнала от головного мозга: а) монополярный -один из двух электродов - активный, другой - индифферентный, б) биполярный - оба электрода являются активными и последовательно связаны друг с другом

Индифферентные электроды часто помещают на мочке уха (на одной или на обеих), на сосцевидном отростке, спинке носа, подбородке и скуле.

Каналом регистрации называют систему, состоящую из двух отводящих электродов 1, блока усиления 2 и регистрирующего блока 3 (блок 4 на рис. 1, б представляет собой усилитель референтного сигнала). При электроэнцефалографических исследованиях используется одновременно большое количество каналов, что позволяет полнее оценить протекающие в мозге процессы. Обязательным элементом установки являются раздражающие устройства, которые должны быть надлежащим образом согласованы с регистрирующей системой (подача отметок, ликвидация помех и т. п.).

Чувствительность - это характеристика всего тракта усиления, включая собственно усилитель и регистратор сигнала. В современных усилителях вызванных потенциалов эта величина достигает 1 мкВ/мм и меньше, что связано с малыми величинами сигнала вызванных потенциалов. Чувствительность усилителя ограничивается его собственными шумами. Существенной особенностью этого показателя является то, в какой полосе частот обеспечивается величина шума. При описании характеристик шума используют

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

162

среднеквадратичное значение и величину размаха (так называемое значение «от пика до пика»).

Полоса частот регулируется как снизу, так и сверху. Снизу полоса частот регулируется изменением постоянной времени усилителя. В стандартных ЭЭГ-усилителях используется постоянная времени со значениями 1; 0,3; 0,1 и 0,05 с, что соответствует пропусканию низкочастотных сигналов: 0,16; 0,5; 1,5 и 2 Гц. В усилителях для регистрации вызванных потенциалов могут использоваться и меньшие постоянные времени, кривая калибровочного сигнала для которых носит более дифференцированный вид, что соответствует ограничению полосы частот снизу до 5, 10, 20 и даже 100 Гц. Сверху полоса частот регулируется достаточно широко при выделении как длиннолатентных, так и коротколатентных сигналов вызванных потенциалов. Обычно ограничение частотной полосы составляет для длиннолатентных вызванных потенциалов 100 Гц, для коротколатентных - 1-3 кГц.

Для подавления сетевой помехи частотой 50 Гц применяется специальный режекторный фильтр. Количественной характеристикой фильтра является коэффициент режекции (отношение коэффициента передачи фильтра в полосе пропускания к коэффициенту передачи на частоте режекции), выражаемый в дБ. Обычно электроэнцефалографы обеспечивают подавление синфазной помехи на входах усилителей до 100 дБ (100-кратное подавление соответствует 40 дБ).

Измеряемые физические величины и их параметры:

• Сигналы ЭЭГ имеют амплитуду от единиц микровольт.

• Амплитуда синфазной помехи (50Гц) может достигать десятков вольт.

• Выходное сопротивление источника ЭЭГ сигнала - сотни килоом.

• ЭЭГ сигнал занимает полосу частот до 100 Гц.

Требования к приборам и оборудованию:

• Высокий коэффициент общего усиления (до 1000).

• Наличие средств подавления синфазной помехи (уровень подавления помехи не менее 100 Дб).

• Высокое входное сопротивление усилителя - десятки мегаом.

• Частотный диапазон усилителя от 0 Гц до 100 Гц.

• Наличие гальванической изоляции пациента от сети переменного тока и цепей с высокими потенциалами.

Рис. 2. Блок-схема ПАК: БД -блок датчиков; УС - усилитель сигнала; АЦП - аналого-цифровой преобразователь National Instruments; ПК - персональный компьютер; ПАС - программный анализатор сигнала, реализованный в среде LabView 8.5.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

163

Исходя из параметров измеряемых величин и требований к аппаратуре, нами построен виртуальный прибор, позволяющий детектировать колебания альфа-, бета-, и тета-ритма, определять амплитудные характеристики колебаний: размах, амплитуду, среднеквадратичное значение. Виртуальная часть прибора реализована на основе LabView 8.2 [4, 5]. Для ввода аналоговых сигналов через АЦП используется встроенный виртуальный прибор DAQ Assistant.

В качестве предварительного усилителя мы воспользовались схемой, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема усилителя

В схеме для усиления низкоамплитудного сигнала использован недорогой инструментальный усилитель ЛБ620 с высоким входным сопротивлением, низким собственным шумом (0,28 мкВ от пика до пика в полосе сигнала от 0,1 Гц до 10 Гц) и высоким уровнем подавления синфазного сигнала (100 Дб при коэффициенте усиления 10). Для ограничения полосы сигнала на каждом входе усилителя установлена ИС-цепочка из резистора сопротивлением 22 кОм и конденсатора емкостью 100 пикофарад. Для уменьшения влияния емкостной составляющей кабеля к его экранирующей части (Э) подключен выход усилителя ЛБ705, который получает сигнал от делителя напряжения из резисторов высокой точности сопротивлением 22кОм. Коэффициент усиления 10 устанавливается многооборотным резистором сопротивлением 100 Ом. В нижней части рисунка содержится усилитель сигнала ЛБ705 для референтного («заземляющего») электрода, подключаемого к носу или ушам пациента.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

164

Для детектирования колебаний мы установили на блок-диаграмме (рис. 4) три полосовых фильтра и установим нижнюю и верхнюю границу каждого фильтра: 8-13 Гц (альфа-ритм), 14 - 30 Гц (бета-ритм), 4 - 8 Гц (тета-ритм).

Рис. 4. Блок-диаграмма прибора

На основе анализа отфильтрованных сигналов можно сделать определенные выводы. Например известно, что альфа-ритм характерен для взрослого бодрствующего человека. Волны альфа-ритма заменяются более медленными ритмами на различных стадиях сна: тета-волны появляются на начальной стадии сна, бета-волны - на стадии глубокого сна. Наш виртуальный прибор позволит фиксировать мозговую активность персонала электрических станций и предупреждать человека за управляющим пультом или центральный компьютер о нарушениях.

Summary

The considered problem of virtual device in terms of LabView for adjectives brain activity of the human. Define general quantities of this device, present block-diagram. Made an assumption of possibility of application of our device for definition of a functional condition of the human.

Key words: brain activity, LabView, electroencephalography, electrodes, virtual

device

Литература

1. http://www.asouelektro.ru/press/articles/01 (дата обращения 27.09.2010).

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

165

2. Lorist M.M, Bezdan E, ten Caat M, Span M.M, Roerdink J.B, Maurits N.M. The influence of mental fatigue and motivation on neural network dynamics; an EEG coherence study. // Brain Res. 2009. V. 1270. P. 95-106.

3. Ossandon J.P, Helo A.V, Montefusco-Siegmund R, Maldonado P.E. Superposition model predicts EEG occipital activity during free viewing of natural scenes. // J Neurosci. 2010. V. 30(13). P. 4787-95.

4. Гатауллин А.М., Севастьянов И.Г., Матухин В.Л. Параметры регистратора биопотенциалов мозга для управления компьютером с помощью мысли. Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Сборник материалов XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. К.: «Отечество», 2010. Т. 1 С. 92-94.

5. Севастьянов И.Г. Усилитель нейронного сигнала для нейро-компьютерного интерфейса: «XVIII Туполевские чтения» Международная молодежная научная конференция. Казань, 2010. Т. 5. С.261-262.

Поступила в редакцию 06 мая 2011 г.

Матухин Вадим Леонидович - д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой физики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Е-mail: matukhinvl@mail.ru.

Гатауллин Айрат Мухаметович - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры физики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Е-mail: gataullinam@mail.ru

Севастьянов Илья Германович - ассистент кафедры физики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-81, 8 (843) 523-49-29. Е-mail: sevilya1985@mail.ru

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

166