Современные задачи многомерного анализа в энцефалографии

Современные задачи многомерного анализа в электроэнцефалографии

И. О. Жаринов (ФГУП СПб ОКБ "Электроавтоматика")

Обработка информационных процессов от датчиков электрофизиологического контроля в медико-биологическом эксперименте является основой инструментальных средств современных медицинских систем.

Известно, что процессы жизнедеятельности организма человека сопровождаются на поверхности кожного покрова соответствующими колебаниями электрического потенциала. Методика регистрации и последующего анализа таких потенциалов составляет основу большинства существующих неинвазивных средств диагностики: метода электрокардиографии, метода электромиографии, метода электроокулографии и т.д.

Особое место в группе электрографических методов анализа информационных процессов занимают работы в предметной области метода электроэнцефалографии объективного средства тестирования функций нервной системы человека.

Метод электроэнцефалографии заключается в визуальном, автоматизированном или автоматическом анализе реализаций, отводимых от различных точек поверхности головы по специальным стандартизованным системам отведений (см. рис. 1). Изменчивость и сложность характера траектории регистрируемого процесса определяет информационную составляющую, однозначно характеризующую функциональное состояние человека.

Рис. 1. Система отведений электроэнцефалографического процесса.

В соответствии с обобщенным феноменологическим описанием электроэнцефалографический информационный процесс во временной области характеризуется следующими свойствами:

− мгновенные значения реализации процесса распределены по нормальному закону:

{y[n*]}...n,,...n −N = ..., y[n-N], y[n-N+1], ..., y[n], ... ~ Nor(my ,σ2y );

− реализация процесса состоит из последовательности квазистационарных участков

234

сегментов различной длительности:
{y[n*]}n,...	−N	≡ ..., segment (i)			(i) , segment (i +1)			(i+1) , ... ;
...,n				t =T			t =T

− статистические характеристики реализации процесса скачкообразно изменяются от одного сегмента к другому:

..., y[n − N], y[n − N +1], ..., y[n − N + k], y[n − N + k +1], ..., y[n], ... ;
14444444244444443 14444244443
segment (i)	segment (i+1)

− на квазистационарные участки ЭЭГ могут накладываться кратковременные нестационарные компоненты:

spike

6444447444448

..., y[n − N],..., y[n − N +s1],..., y[n − N +s2 ],..., y[n − N + k], y[n − N + k +1],..., y[n],... ;

1444444444442444444444443 14444244443

segment (i)

segment (i+1)

− для каждого конкретного индивидуума существует конечное число М отличающихся по статистическим свойствам процесса физиологических состояний, каждое из которых на реализации ЭЭГ сопровождается своим типом сегмента электроэнцефалографическим классом i=1, 2, ..., M.

Данная феноменологическая модель успешно используется при построении математических моделей ЭЭГ (см. рис. 2). Такую ЭЭГ можно разделить на взаимоисключающую последовательность сменяющих друг друга во времени электрографических феноменов сегментов с моментами изменения свойств процесса, отражающими процессы перехода функционального состояния головного мозга от одного микросостояния к другому в каждой точке отведения (см. рис. 3).

Распределение моментов изменения свойств ЭЭГ в различных отведениях формирует пространственно-временное "изображение", индицирующее направленный нестационарный характер распространения потенциалов с учетом свойства электрической проводимости коры и клеток головного мозга, а также индивидуальных физиологических особенностей и возможных органических поражений.

Учитывая, что методика регистрации ЭЭГ позволяет получать одновременно реализации с поверхности головы по целой системе отведений, перспективным оказывается развитие существующих подходов в исследовании показателей качества многомерных методов анализа. Специальные экспериментальные исследования “одновременности” моментов перехода ЭЭГ из класса в класс при параллельном одномерном анализе многоканальных записей на повышенной частоте дискретизации, показали, что “разладка” по каналам регистрации электроэнцефалографических процессов происходит не одновременно.

235

Формирующий фильтр

W(i)(z), i=1

Формирующий фильтр

W(i)(z), i=2

Формирующий фильтр

W(i)(z), i=М

Генератор случайного процесса x[n] типа : гауссовский белый шум

Медико-биологический формирователь процессов

Σ Процесс y[n],

подлежащий обработке

взаимоисключающий закон управления

Медико-биологический формирователь потока событий

Рис. 2. Эквивалентная схема формирования информационного процесса, подлежащего сегментному анализу в медико-биологическом эксперименте.

Рис. 3. Пример автоматической детекции моментов резких изменений мощности альфа−активности (вертикальные линии) в 8 стандартных отведениях ЭЭГ. Показана ЭЭГ после фильтрации в диапазоне 7.5-12.5 Гц.

236

Поэтому применение известных методов многомерного анализа стохастических процессов, иногда применяемых для анализа ЭЭГ, оказывается не всегда корректным. При этом в решающее правило необходимо вводить параметр “задержки” по каждому каналу и принимать решение о разделении во времени (сегментации) ЭЭГ отдельно. В известном смысле, такой подход, основанный на многоканальном последовательном анализе (с зависимыми или независимыми решениями) произвольного, но конечного числа М классов информационных процессов, позволяет подходить математически строго к решению “обратной задачи электроэнцефалографии” по времени запаздывания в каждом канале, соответствующем определенному пространственному положению электродов на поверхности головы, судить о происхождении отдельных классов, направленности характера их распространения и т. д. Такую задачу необходимо решать в рамках специального исследования в тесном сотрудничестве с экспертами: специалистами−электрофизиологами.

Литература

1. Воробьев С. А. Моделирование и структурный анализ сигналов с повторяющимися признаками формы в медико-биологическом эксперименте: Автореф. дисс. ... д-ра техн. наук: 05.13.09. Тула: ТулГУ, 2000.

2. Жаринов И. О. Авторегрессионный анализ в электроэнцефалографии. // Актуальные проблемы анализа и синтеза сложных технических систем. / 32-ая научная конференция профессорско-преподавательского состава СПбГУИТМО: Сб. докл., СПб.: ГУИТМО, 2003, вып.11 (научно-технический вестник), с. 187-193.

3. Жаринов И. О. Математико-статистические методы в задаче параметризации описания классов ЭЭГ-сигнала // Информационные, вычислительные и управляющие системы. / 31-ая научная конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО: Сб. докл., — СПб: ГИТМО, 2002, вып. 6 (научно-технический вестник), с. 207-209.

4. Шишкин С. Л. Исследование синхронности резких изменений альфа−ритма ЭЭГ человека: Автореф. дисс. ... к-та биол. наук: 03.00.13. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 1997.

237

Многофункциональные индикаторы на плоских жидкокристаллических панелях: наукоемкие аппаратно-программные решения

П.П. Парамонов, Н.С. Копорский, Б.В. Видин, И. О. Жаринов (ФГУП СПб ОКБ "Электроавтоматика")

Введение

Конструирование современных систем бортового радиоэлектронного оборудования основано на отображении в реальном времени полетной информации на специализированных средствах индикации. Широкое распространение для визуализации пилотажно-навигационной информации получили многофункциональные цветные индикаторы МФЦИ.

Рис. 1. Многофункциональный цветной индикатор МФЦИ.

Благодаря введению больших жидкокристаллических (ЖК) экранов, а также кнопочного наборного поля качественно изменился подход к созданию систем индикации. Необходимую информацию (рабочий кадр) пилот получает нажатием определенной кнопки, функциональное назначение которой иллюстрируется на экране соответствующей подписью (транспарантом) и зависит от режима работы изделия и индикационной программы.

Многофункциональный цветной индикатор МФЦИ (см. рис. 1) представляет собой электронный блок индикации, в состав которого входят: вычислитель на базе производительного процессора; устройства ввода/вывода данных, обеспечивающее информационный обмен в составе комплекса по выбранным видам стандартизованных интерфейсов; интеллектуальный графический контроллер с библиотекой графических примитивов; устройство питания; устройство коммутации; ЖК-экран с системой подсвета и узлом подогревателя, обеспечивающие отображение полетной информации в суровых условиях наличия внешних воздействующих факторов.

МФЦИ решает на борту индикационные задачи и, в зависимости от реализованных аппаратно-программных средств, в состоянии обеспечивать индикацию не только вторичных параметров (после обработки сигналов в специализированных блоках преобразования), но и, при необходимости, первичных параметров полета летательного аппарата.

238

Рис. 2. Структурная схема типового индикатора МФЦИ.

Состав и назначение.

Структурная схема индикатора МФЦИ выполняется по модульному принципу. Состав, номенклатура и количество модулей, входящих в аппаратуру, как правило, стандартизированы и определяются назначением и решаемыми задачами блока индикации в

239

составе каждой конкретной системы БРЭО. Типовая структурная схема бортового блока МФЦИ приведена на рис.2.

Модули, входящие в аппаратуру МФЦИ, по принципу работы с магистралью интерфейса разделяются на активные и пассивные. Активным модулем является модуль вычислителя МВ, выполняющий функции центрального процессора (ЦП), который в соответствии с рабочей индикационной программой или встроенными тестами контроля осуществляет запрос данных из магистрали, их прием, а также выдачу данных в магистральную шину.

Модули дискретного обмена МД, МО, а также модуль графический МГ являются пассивными и способны принять запрос от ЦП и выдать требуемые данные в магистраль, а также принять из магистрали данные, предоставленные процессором.

Обмен информацией с комплексом осуществляется через оконечные модули МД, МО. В модуле МВ формируется интегральный сигнал Исправность (с учетом исправности источника питания МН) как результат выполнения теста встроенного контроля.

Общие сведения о работе модулей.

Модуль МВ основной модуль-вычислитель индикационного оборудования. Предназначен для общей синхронизации работы индикатора в соответствии с рабочей индикационной программой или при выполнении тестов встроенного контроля. Модуль МВ содержит в перепрограммируемом ПЗУ рабочую индикационную программу взаимодействия индикатора с комплексом БРЭО и программу тестов встроенного контроля.

Модули МД предназначены для приема, преобразования и выдачи по межмодульному параллельному интерфейсу информации, поступающей по последовательным входным/выходным каналам связи. Модули МД необходимы для организации приёма и передачи сигналов в виде последовательного кода и разовых команд по ГОСТ 18977-79. Как правило, число каналов ввода/вывода достаточно велико и для их “наращивания” используются однотипные универсальные модули, адресное пространство которых на шине обмена разделено ключами битовыми сигналами, участвующими в формировании их адресного пространства.

Модули мультиплексного обмена МО предназначены для организации интерфейсов по ГОСТ 26765.52-87 и обеспечивают реализацию функций Контроллера мультиплексного канала и Оконечного устройства канала, а также приема и выдачи разовых команд (РК) по ГОСТ 18977-79.

Модуль графический МГ предназначен для приема (в том числе цифровых сигналов интерфейса метеолокатора по ARINC 708, аналоговых RGB-сигналов ГОСТ 7845-92), преобразования и выдачи (в том числе на бортовую систему видеорегистрации аналоговых RGB-сигналов ГОСТ 7845-92) на экран графического изображения, вид, объем и параметры которого определяются протоколами взаимодействия системы и рабочим программным обеспечением, размещенным в модуле МВ.

Модуль вторичных напряжений питания МН предназначен для преобразования первичного бортового напряжения питания +27В с качеством по ГОСТ 19705-89 во вторичные напряжения питания, номенклатура которых определяется применяемыми модулями и особенностью их схем питания и начального пуска.

Модуль управления МУ представляет собой кнопочное табло, размещенное, как правило, по периметру конструктива индикатора, осуществляющее преобразование механического нажатия кнопок в электрические сигналы.

Устройство коммутации УК осуществляет функции коммутации электрических сигналов и организации межмодульного параллельного интерфейса. Межмодульный интерфейс, как уже уточнялось, необходим для организации информационного обмена между модулями МВ, МД, МО, МГ.

Экран представляет собой современное средство отображения информации и в индикаторе МФЦИ выполнен в виде плоской жидкокристаллической панели.

240

Организация интерфейсного и внутриблочного взаимодействия в устройствах индикации на жидкокристаллических панелях

В основу построения изделий бортовой индикации заложены принципы модульности и магистральности. Составляющие модули являются функционально-законченными устройствами, что позволяет реализовать информационный обмен между ними через коммутационное устройство по единой магистрали межмодульного параллельного интерфейса.

Обмен информацией МФЦИ с внешними потребителями и комплексом БРЭО производится через интерфейсные каналы устройства ввода-вывода, где цифровая информация в виде последовательных цифровых кодов, аналоговых сигналов и битовая информация в виде отдельных разовых сигналов и команд поступает на специализированные входные/выходные цепи аппаратуры комплекса БРЭО.

Индикационное бортовое оборудование МФЦИ представляет собой совокупность аппаратно - программных средств, обеспечивающих комплексный обмен информацией.

В состав аппаратной части интерфейса аппаратуры МФЦИ входят:

-линии связи, кабели, фидеры;

-входные и выходные каскады оконечных модулей, включая элементы, формирующие необходимые временные протоколы взаимодействия и диаграммы;

-усилители, шинные формирователи и буферные элементы, обеспечивающие требуемую нагрузочную способность.

Программная часть интерфейса МФЦИ представляет собой набор рабочих индикационных программ и тестового программного обеспечения, в соответствии с которыми происходит желаемый обмен информацией.

В качестве межмодульного внутриблочного интерфейса, как правило, используется интерфейс магистральный параллельный (МПИ) по ГОСТ 26765.51-86 с мультиплексированной во времени 16-ти разрядной шиной адрес/данные и с расширенным до 18 разрядов адресом.

МФЦИ как программно-управляемое изделие.

Программно-управляемыми средствами являются изделия, содержащие программируемые микросхемы памяти. Возможности функционального применения и назначения программно-управляемых изделий определяются занесенным в них ПО. Программно-управляемые средства бортового радиоэлектронного оборудования подразделяются на:

- целевые, предназначенные для выполнения заданных в техническом задании показателей качества;

- инструментальные, предназначенные для автоматизации процесса разработки, отладки, сопровождения и испытаний программно-управляемых средств и их ПО в процессе жизненного цикла продукции;

В качестве инструментальных программно-управляемых средств могут использоваться: стенды отладки и испытаний комплексов (систем), контрольнотехнологическая аппаратура, контрольно-технологические установки, рабочие места программистов. На рис. 3 показано взаимное вхождение (иерархию) терминов программноуправляемых средств.

241

Изделие

(программно-управляемое средство)

	Целевое				Инструментальное

Модуль		Блок		Комплекс		Персональная ЭВМ
				БРЭО

Рис. 3. Взаимное вхождение терминов программно-управляемых средств.

Состав программного обеспечения МФЦИ представлен на рис.4.

Состав ПО

блока 1, 2, 3, ...

Общее ПО					Целевое ПО
блока 1, 2, 3, ...					блока 1, 2, 3, ...

Технологи-		Функцио-		Операцион-			ПО
ческое ПО		нальное ПО		ная система			контроля			Драйверы
целевое

Технологи-		Тест-программа		Тест-программа		Программы
ческое ПО		встроенного контроля		начального включения		обеспечения
инструмент.

- ПО МФЦИ, рекомендуемое к сохранению для одних типов вычислителей

Рис. 4. Состав программного обеспечения блоков МФЦИ.

Требования к программному обеспечению.

242

Требования к целевому программному обеспечению. Программные комплексы

(компоненты) целевого ПО должны быть построены по модульному принципу с выделением логических функций отдельных модулей в виде алгоритмов частных задач. С целью идентификации параметров ПО на всех этапах жизненного цикла программно-управляемых изделий при разработке и документировании целевого ПО (программных комплексов и компонентов, входящих в его состав) требуется сохранять следующие условия:

-идентификацию загружаемых в изделие программ по контрольной сумме;

-идентификацию загружаемых в изделие программ по обозначению;

-идентификацию загружаемых в изделие программ по изменениям. Состав, назначение и требования к целевому ПО приведены в табл.1.

Состав, назначение и требования к целевому ПО МФЦИ

Таблица 1

Вид ПО

Назначение

Требования

программные

Реализация

заданных

Должны

удовлетворять

требованиям по

компоненты

алгоритмов

в

блоке

в

быстродействию,

объемам

памяти,

функционально

соответствии с их целевым

точности вычисления, составу решаемых

го ПО

назначением

задач, надежности, модифицируемости

Должны обеспечивать:

Организация

- возможность

использования

частных

программные

вычислительного

процесса

программных

алгоритмов в

различных

в

программно-

режимах;

компоненты

управляемом

изделии при

- возможность

подключения

любого

операционной

его функционировании

в

программного алгоритма в общую схему

системы

составе

комплекса

/

вычислительного процесса при доработке

системы

по результатам испытаний и в процессе

модернизации комплекса

программные

Обеспечение

аппаратной

Должны

обеспечиваться

унификация

компоненты

независимости

в работе

способа

обращения

к

аппаратным

драйверов

программ

ресурсам

программные

Обеспечение

контроля

Должны удовлетворять требованиям ТЗ по

компоненты

исправности

технического

надежности

контроля

состояния изделия

программные

компоненты

Обеспечение

контроля

Должны удовлетворять требованиям ТЗ по

тестов

технического

состояния

встроенного

блока при его эксплуатации

надежности

контроля

программные

компоненты

Обеспечение

контроля

Должны удовлетворять требованиям ТЗ по

тестов

технического

состояния

начального

блока при его изготовлении

надежности

включения

программные

Обеспечение

контроля

компоненты

технического

состояния

Должны удовлетворять требованиям ТЗ по

программ

блока при его производстве

надежности

обеспечения

на заводе-изготовителе

Состав, назначение и требования к общему ПО приведены в табл.2.

Состав, назначение и требования к общему ПО блока

Таблица 2

243