Структурное проектирование информационно-измерительных систем для исследования биопотенциалов
Аннотация
Рассмотрены математические особенности построения информационно-измерительных медицинских систем (ИИС). Поскольку биологические системы имеют сложную, не всегда четко определенную структуру, то для их корректного описания и осуществления метрологического анализа требуется ее навязывание. Соответственно, описано биоинструментальное представление ИИС. В рамках теории метрологического синтеза сформулирована концепция ядра ИИС. С использованием математической теории категорий и объектно-ориентированного моделирования описаны базовые отношения между элементами ядра ИИС. Сформулированы основные положения касаемо сложности построения ИИС в зависимости от ее структуры. Представлена схема разработанной системы экологического мониторинга водной среды на основе метода интегральной оценки показателей качества воды. Рассмотрены основные блоки системы. Особенностью разработанной системы является учет нефиксированных источников загрязнений, который стал возможен, благодаря разработанному методу интегральной оценки.
Ключевые слова: Измерительная медицинская система, объектно-ориентированное моделирование, метод интегральной оценки
05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Общей современной тенденцией развития биомедицинской техники и инструментария для поддержки ЭЭГ-исследований, в частности, является усложнение алгоритмов обработки полученной информации как на этапе сбора, так и на этапе анализа и интерпретации. Возникает огромный, все время возрастающий в объемах, массив методов и средств для поддержки биомедицинских исследований. Ориентация в этом массиве затруднена в силу слабой структурированности его элементов, четко не определены законы их добавления, корректировки и удаления.
Необходима выработка единого подхода к синтезу информационно-измерительных систем (ИИС) для исследования биопотенциалов мозга. Для решения задачи предлагается концепция ядра измерительной системы ЭЭГ-исследований с описанием её основных структурных элементов с целью унификации процессов синтеза методов и средств, упрощения использования существующими методами и средствами, как их разработчиками, так и пользователями. Это позволит формализовать и упростить процесс усовершенствования существующих ЭЭГ ИИС, являющихся сложными системами (требующими для их синтеза и анализа предварительной декомпозиции на составляющие).
На основе биоинструментального подхода разработаны детальные описания модулей для каналов разрабатываемого ядра ЭЭГ ИИС. Осуществлен синтез основных функций в составе модели ядра. С позиций физической и физиологической сущностей сигнала были рассмотрены основные тракты, которые их формируют и трансформируют. Описание трактов доведено до конкретных функций и описаний типов величин ими преобразуемых (как на входе, так и на выходе). Функции и соответствующие им типы значений (на выходе) были распределены по модулям разработанного ядра ЭЭГ ИИС.
Алгоритм межблочного взаимодействия показан на рисунке 1.
Рисунок 1. – Иллюстрация порядка передачи информации от входного измерительного блока X последующим блокам A и B.
При изучении такого сложного многоуровневого и многосвязного динамического объекта, каким является организм человека, при исследовании его как системы «черный ящик», во многих прикладных задачах медицины на современном этапе является неприемлемым. Построение аналитической модели при оценке функционального состояния человека без использования системного подхода, в принципе невозможно, поскольку многоуровневые обратные связи имеют сложное аналитическое представление. Во многих работах по физиологии организм рассматривается как сложная динамическая система, взаимодействующая с внешней средой, поэтому необходимо изучение связи элементов внешней среды, биологического объекта и измерительной системы в рамках единого системного похода. Исследование и построение измерительных систем в рамках такого направления является актуальным при изучении сложных биологических систем, поскольку устанавливает однозначную связь объекта и инструмента измерения, обеспечивает необходимую точность и достоверность при анализе и принятии решения.
В зависимости от характера и интенсивности многопараметрического входного воздействия 
на организм пациента, включается один из трех рассмотренных ранее контуров адаптации. Воздействие обрабатывается одним из уровней управления, который в зависимости от интенсивности воздействия формирует управляющий сигнал и осуществляет выбор пути управления, то есть выполняет также и коммутативную функцию. Управляющее воздействие распространяется по ранее представленным подконтурам адаптации и преобразуется в множество состояний периферической крови в соответствии с определенными ранее структурными зависимостями [8].
Состав ядра ИИС, формализованного UML диаграммой взаимодействия компонентов показан на рисунке 2.
Рисунок 2. – UML диаграмма модулей ИИС и порядка взаимодействия между ними
Для демонстрации работоспособности предложенного метода построения ИИС сформируем таковую средствами языка программирования высокого уровня (ЯВУ). Базовым языком ЯВУ выступает современная реализация Pascal с поддержкой современных стандартов программирования «.NET». В качестве оболочки воспользуемся популярным учебным модулем PascalABC.NET 1.7, разработанным сотрудниками Южного федерального университета. Достоинством системы программирования PascalABC.NET является бесплатность использования, а также относительная простота при написании базовых программных конструкций. Полная поддержка стандартов «.NET» позволяет создавать полноценные программные приложения, как правило, не уступающие дорогостоящим коммерческим продуктам.
разработана система мониторинга тяжелых металлов в водной среде, представленная на рисунке 3. Данная система позволяет собрать и систематизировать данные по загрязнению водной среды, хранить в себе данные о заболеваниях и рекомендовать меры предосторожности или профилактические меры, чтобы предотвратить появление заболеваний, вызванных повышением концентрации тяжелых металлов в организме человека.
Рисунок 3. – Система мониторинга тяжелых металлов в водной среде
Центральным блоком является система сбора и обработки данных, в которую поступает информация от других блоков. В качестве центрального блока может выступать сервер базы данных, который с помощью специализированного программного обеспечения, например, системы управления базами данных (СУБД), осуществляет сбор, накопление, первичную обработку и хранение данных.
Накопленная информация в системе сбора и обработки данных оформляется в блок База данных, например, MicrosoftOfficeAccess 2007, используемая в данной магистерской диссертации, которая хранится на файл-сервере базы данных. Из этой структуры можно осуществлять выборки необходимых данных по запросу, которые отвечают тем или иным критериям.
MicrosoftOfficeAccess или просто MicrosoftAccess – реляционная СУБД корпорации Microsoft. Имеет широкий спектр функций, включая связанные запросы, связь с внешними таблицами и базами данных. Благодаря встроенному языку VBA, в самомAccess можно писать приложения, работающие с базами данных.
MicrosoftOfficeAccess 2007 позволяет быстро начать работу со встроенными базами данных, чтобы внести в них изменения и адаптировать эти базы к меняющимся деловым потребностям пользователя. Пользователь может собирать данные с помощью форм электронной почты или импортировать данные из внешних приложений. Реализована возможность создания и редактирования подробных отчетов, содержащих отсортированные, отфильтрованные и сгруппированные данные, которые позволяют принимать более обоснованные решения. Совместный доступ к данным обеспечивается путем перемещения файлов OfficeAccess 2007 на веб-узел MicrosoftWindowsSharePointServices, где можно проверять журнал исправлений, восстанавливать удаленные данные, настраивать разрешения доступа к данным и периодически выполнять резервное копирование.
OfficeAccess 2007 содержит библиотеку встроенных баз данных, облегчающую начало работы.
Блок ГИС (Геоинформационная система) включает в себя блок ввода гидрологической информации и блок ввода географической информации.
Геоинформационная система (ГИС) предназначена для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Термин также используется в более узком смысле – ГИС как инструмент (программный продукт), позволяющий пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.
ГИС включают в себя возможности систем управления базами данных (СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях.
С помощью ГИС возможно анализировать и изучать следующие задачи:
• оценка качества водных объектов;
• анализ деятельности пользователей водных ресурсов;
• ранжирование водопользователей по степени воздействия;
• нормирование экологической нагрузки на водный объект с учетом бассейнового подхода;
• создание форм отчетности.
ГИС MapInfo – высокоэффективное средство для визуализации и анализа пространственных данных. Сферы применения ГИС MapInfo: бизнес и наука, образование и управление, социологические, демографические и политические исследования, промышленность и экология, транспорт и нефтегазовая индустрия, землепользование и кадастр, службы коммунального хозяйства и быстрого реагирования, армия и органы правопорядка, а также многие другие отрасли хозяйства.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг., мероприятие 1.4, соглашение от 14.11.2012 г. № 14.A18.21.2081.
Литература:
- Биотехнические системы: Теория и проектирование. Учеб.пособие / АхутинВ.М. и др. Л.:Изд-во ЛГУ, 1981, 220 с.
- Попечителев Е. П., Кореневский Н. А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. Теория и проектирование: Учеб.пособие/ под ред. Е. П. Попечителева. – М.: Высш. шк., 2002. – 470 с.
- Муха Ю.П., Бугров А.В. Биоинструментальные адаптивные системы в медицине // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2009. - № 4. - C. 25-34.
- Муха, Ю.П. Принцип системной организации эксперимента для исследования динамики функциональных систем в биологии и медицине / Ю.П. Муха, Л.Г. Акулов, В.Ю. Наумов // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010. - № 6. - C. 43-52.
- Вишневецкий В.Ю., Ледяева В.С., Старченко И.Б. Принципы построения системы экологического мониторинга водной среды //Известия ЮФУ. Технические науки. – Ростов-на-Дону: Изд. ЮФУ, 2012. № 9 (134). С. 195-200.