CC BY
30
УДК 681.518.5:681.5.08
АЛГОРИТМ РАСПОЗНАВАНИЯ НАЧАЛА ВДОХА/ВЫДОХА
В СТРУКТУРЕ КОМПЛЕКСОВ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ ЧЕЛОВЕКА
Н.В. Ивахно, С.С. Федоров, А.Н. Чуков
Рассмотрена структура автоматизированных комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека, в которой осуществляется подстройка нагрузки к изменяющемуся состоянию дыхательной системы человека. Обосновано применение метода обнаружения начала инспираторной/экспираторной активности на базе теории статистических решений.
Ключевые слова: характеристика давления, регулируемое сопротивление, корректировка нагрузки, обнаружение вдоха, статистические параметры.
Создание автоматизированных адаптивных тренажерных комплексов представляет собой достаточно сложную теоретическую проблему [1]. Это, в первую очередь, связано со сложностью и изменчивостью обрабатываемых сигналов. Так как аппаратура оказывает управляющее воздействие, то одновременно должны осуществляться диагностирование состояния дыхательной системы человека, обработка результатов в реальном масштабе времени и корректировка нагрузки. Решение указанной проблемы заключается в создании научно обоснованной методологической базы, определении технических параметров аппаратуры корректирующего воздействия адаптивного типа, обладающей новыми качественными характеристиками, для обеспечения всего разнообразия областей применения в лечебной, восстановительной и спортивной медицине [2].
Обобщенная структурно-функциональная схема комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему (ККВДС), обеспечивающая широкий спектр применения и возможности автоматической настройки для конкретного человека, приведена на рис. 1.
Для выбора нагрузки на дыхательную мускулатуру пациент дышит через комплекс (рис. 1), работающий в различных режимах [1].
В процессе дыхания через регулируемое сопротивление в дыхательной трубке, соединенной с загубником, датчиками, измеряется давление в полости дыхательной трубки Р^), которое через блок аналоговой обработки сигналов передается в устройство контроля и управления. В результате анализа кривой давления происходит настройка входных параметров обнаружения (амплитуда полезного сигнала а8, дисперсия о2 и среднее значения шума а0) для реализации модели обработки сигнала с целью своевременного распознавания дыхательной активности и обеспечения высокой степени синхронизации дыхания и комплекса.
Рис. 1. Обобщенная структурно-функциональная схема комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему:
ЗГ - загубник, ДД - система датчиков давления; РС - регулируемое сопротивление, задаваемое изменением площади сечения; ДТР - дыхательная трубка; БАО - блок аналоговой обработки сигнала; ИСПУ - исполнительное устройство; ТС - блок технического самодиагностирования
С использованием блока диагностирования состояния дыхательной системы [2], использующего методы параметрического анализа, происходит формирование сигнала управления на исполнительное устройство, осуществляющее изменение и адаптацию нагрузки (сопротивление/давления переключения) в дыхательном контуре по заданному закону с учетом индивидуального состояния пациента и его изменения. Также для длительного прогнозирования и формирования ограничений на воздействие производится математическое моделирование процессов в дыхательной системе.
В ККВДС должен обязательно включаться контур технического самодиагностирования, который необходим для обеспечения своевременной оценки и корректировки работы основных составляющих блоков комплекса
[3].
В данной структуре контур самодиагностики реализует защиту исполнительного устройства от перегрузки, анализируя температуру ? и ток I электродвигателя в его составе, и позволяет экстраполировать отказ, осуществляя корректировку управляющего воздействия. Одновременно происходит анализ давления в дыхательной трубке при функционировании как в дроссельном режиме, так и в пиковом, что предотвращает возможность появления баротравмы [4,5]. Блок оценки питания опережающего оповещения позволяет спрогнозировать снижение или сбой уровня питающего напряжения, своевременно сохранить текущие данные и обеспечить перезапуск и восстановление системы [3].
Одной из проблем создания адаптивных комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека для проведения лечебно-профилактических, физкультурно-оздоровительных и реабилитационных мероприятий является обнаружение начала/окончания инспиратор-ной активности, от своевременности которого зависит как правильность параметрического анализа функциональной характеристики давления, так и задание управляющего воздействия [1, 2].
Адаптация в ККВДС проводится по двум контурам: 1-й контур обеспечивает работу обнаружителя вдоха-выдоха и основан на поиске параметров полезного сигнала и шума при ожидании начала инспиратор-ной/экспираторной активности (рис.2), 2-й контур обеспечивает задание начальной нагрузки и выбор значения, при котором достигается наименьшее отклонение от эталонной характеристики [2, 3].
Автоматический выбор
метода воздействия
Рис. 2. Схема работы алгоритма адаптации (1-й контур)
Для получения математической модели обработки сигнала при ожидании инспираторной/экспираторной активности проведены экспериментальные исследования дыхания различных пациентов с целью определения закона распределения шума (рис.3). На основе полученных эмпирических данных построены гистограммы, выдвинута гипотеза о нормальном законе распределения шума при ожидании вдоха/выдоха, которая получила подтверждение при проверке правдоподобия по критерию согласия Пирсона.
Согласно исследованиям, проведенным в [1], установлена математическая модель процесса обнаружения, при которой на каждом шаге наблюдения составляется отношение правдоподобия:
1п л(т)=р0(! ь, - т), (1)
а,=1 2
где Ро = —2— соотношение сигнал/шум, т - номер отсчета, 2, = у, - а0, о 2
2
а = —б - а0, аБ - амплитуда входного сигнала, о , —0 - дисперсия и среднее значение аддитивной некоррелированной помехи, у, -измеренное
значение давления в дыхательном контуре [2]. Величина 1п Л(т) сравни-
вается с двумя постоянными пороговыми значениями А и В (А>В), которые находятся, исходя из заданных условных вероятностей а и р обнаружения раньше времени (ложная тревога) и запаздывания регистрации вдоха/выдоха (пропуск сигнала) [1,2].
а б
Рис. 3. Примеры гистограмм распределения шума при ожидании начала инспираторной активности (а), экспираторной активности (б)
При принятии решения об отсутствии сигнала проводится повторный анализ до регистрации начала вдоха/выдоха в соответствии с интервалом ограничения.
Для имитационного моделирования, а затем и реализации разработанной модели регистрации начала инспираторной/экспираторной активности вероятность пропуска сигнала была получена, исходя из анализа частоты дыхания и эффективности проведения процедуры корректирую* * —6 щего воздействия а = 0.01, вероятность ложной тревоги задана р = 10 .
В таком случае 1п А = 4,605, 1п В = —13,805 [1].
Согласно полученной формуле (1) в комплекс корректирующего воздействия, содержащий блок измерения давления (на основе датчика дифференциального или относительного давления), введены дополнительные элементы, позволяющие реализовать адаптивный метод обнаружения начала вдоха/выдоха с учетом сторонних случайных возмущений, характерных для каждого пациента [4,5].
Учитывая данные, полученные при проведении экспериментальных исследований, установлено время настройки параметров, которое составляет 1 - 1,5 минуты, определяемое исходя из заданной доверительной вероятности, величины дисперсии [2,3], необходимой точности определения дисперсии.
Автоматическая настройка параметров позволяет обеспечить работу математической модели обработки сигнала при регистрации начала вдоха/выдоха. При этом работу алгоритма можно представить в виде структурной схемы (приведена для нулевого среднего значения шума, а = аз) (рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема системы обнаружения начала вдоха/выдоха
Исходными параметрами для работы этой схемы являются: величины 1пА и 1пВ, являющиеся постоянными для различных категорий пациентов.
О - среднее квадратичное отклонение гауссовой аддитивной некоррелированной помехи (находится во время автоматической настройки параметров при самостоятельном дыхании пациента);
а = ш1 - значение полезного сигнала (находится во время автоматической настройки параметров и составляет 0.1 от максимального значения сигнала при вдохе/выдохе).
Устройство для регистрации начала вдоха/выдоха пациента работает следующим образом.
Дискретный сигнал У поступает с датчика давления на накапливающий сумматор 1, выход которого соединен с умножителем 2, на другой его вход подана величина с выхода делителя 4. В тоже время происходит подсчет количества наблюдений с помощью счетчика 5. Сигнал с выхода
I поступает одновременно с величиной 1 (сформированной делителем 4)
а
на двухвходовый умножитель, выход которого соединен с сумматором 3,
т
на другой вход которого подается величина (——), сформированная счетчиком наблюдений 5 и преобразователем 6. Умножитель 7 и умножитель
II служат для формирования квадрата значения полезного сигнала а и
331
2 1 дисперсии шума о . Делитель 12 формирует величину —, выход которо-
о2
го соединен со входом двухвходового умножителя 8, на другой вход кото-
2
рого подана величина а с выхода умножителя 7. Сигнал с выхода 8 поступает на двухвходовый умножитель 9, на который подается величина с выхода сумматора 3. Полученный сигнал поступает на устройства сравнения 10 и 13, на другие входы которых поступают пороговые значения 1пА и 1пВ. В результате, с выхода устройств сравнения формируются сигналы, поступающие на устройство, осуществляющее логическое сложение этих сигналов. При получении на одном из входов логической единицы, формируется сигнал с выхода 14 либо продолжения наблюдения, либо его остановка [1,3].
Результаты экспериментальных исследований по вычислению значения отношения правдоподобия представлены на рис. 5.
веркняя граница 1 __
_ 1 —I 1 1 —1 г—. 1 Н 1 || 1
нижняя граница
Рис. 5. Значения отношения правдоподобия на каждом шаге наблюдения по отношению к границам принятия решений (регистрация начала появления выдоха на 28-м отсчете)
Экспериментальные исследования работы пациента с ККВДС показывают, что при соотношении «сигнал/шум» = 0,8 регистрация начала выдоха с помощью разработанной математической модели и алгоритма обработки сигнала происходит в среднем на 31-м отсчете, что составляет 0,062 секунды (при частоте дискретизации 500 Гц), вдоха - на 23-м отсчете - 0,046 с.
Разработанный метод и алгоритм распознавания инспиратор-ной/экспираторной активности на базе математической модели процесса обработки сигналов, отличающиеся учетом статистических параметров дыхательной системы, определяемых при предварительной настройке функционирования комплекса для каждого человека, с вычислением зна-
чения правдоподобия на каждом этапе наблюдения, уменьшает время обнаружения в 2 - 3 раза, что позволяет обеспечить высокую степень синхронизации с дыханием.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Тульской области в рамках научного проекта № 15-48-03247 « р_центр_а».
Список литературы
1. Ивахно Н.В., Федоров С.С. Принцип построения математической модели процесса обработки сигналов при распознавании дыхательной активности в системах интеллектуального тренажерного воздействия. // Биотехносфера. 2014. №5 (35). С.19-22.
2. Ивахно Н.В. Формирование общей совокупности информативных признаков для идентификации состояния дыхательной системы. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 1. С. 106-111.
3. Ивахно Н.В. Оптимальный информационный алгоритм поиска места отказа в интеллектуальных тренажерах дыхательной мускулатуры // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2015. Вып. 2. С. 5-15
4. Ивахно Н.В., Чуков А.Н. Структурно-алгоритмический метод повышения надежности комплексов тренажерного воздействия на дыхательную систему // Труды международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. Т. 2. Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета, 2015. С. 254-256
5. Ивахно Н. В. Структура и алгоритм контура самодиагностики интеллектуальных тренажеров дыхательной мускулатуры // Биотехносфера, 2015. № 3 (39). С. 40 - 44.
Ивахно Наталия Валериевна, канд. техн. наук, доц., natalia_iv@Mst.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Федоров Сергей Сергеевич, ассист., fedoro vpiilmaramhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чуков Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, chu-kov. aleksandrarambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RECOGNITION ALGORITHM INHALA TION/EXHALA TION START IN THE STRUCTURE OF THE COMPLEX CORRECTIVE ACTION ON THE RESPIRA TORY SYSTEM OF HUMAN
N.V. Ivakhno, S.S. Fedorov, A.N. Chukov 333
The structure of the automated systems of corrective action on the respiratory system of a person, in which the adjustment of the load to the changing of the human respiratory system. The application of the method of detecting the start of the inspiratory / expiratory activity on the basis of statistical decision theory.
Key words: characteristics of pressure, adjustable resistance, load adjustment, detection of inspiration, the statistical parameters.
Ivakhno Natalia Valerievna, candidate of technical sciences, docent, nata-lia_iv@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fedorov Sergey Sergeevich, assistant, fedorovpulmarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chukov Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, chukov. aleksandrarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 541.64:539.2:532.64
ЦВЕТ И ПРОЗРАЧНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК ПОЛИЭТИЛЕНА В ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ
И.Н. Ермакова
Дублированные пленочные материалы из прозрачных полимеров используются в упаковке продуктов питания, лекарственных средств и косметике, нуждающихся в защитной маркировке. Дублированные и многослойные пленки полиэтилена имеют в поляризованном свете различную окраску определяющуюся числом и толщиной слоев. Координаты цвета в цветовом пространстве (окраска в проходящем и отраженном поляризованном свете) существенно изменяются при термообработке. Показано влияние способа и температуры термообработки на цвет и прозрачность многослойной пленки полиэтилена низкой плотности.
Ключевые слова: пленочные упаковочные материалы, дублирование пленок, окраска, поляризация света, оптическая термомаркировка.
Упаковка товаров массового спроса выбираемых потребителями в торговых залах не редко определяется окраской и яркостью цвета, используемых материалов. Применяемые для изготовления гибкой упаковки товаров массового спроса пленки полиолефинов окрашиваются и маркируются на полиграфическом оборудовании с одновременной печатью текста и иных информационных символов (товарных знаков, логотипов и т.п.). Для защиты товаров от подделки используют различные способы печати и упаковочные материалы с особыми оптическими и механическими свойствами [1]. Для придания особых свойств пленкам из крупнотоннажных полимеров без существенного повышения их стоимости пленки модифицируют локальной термообработкой [2] или воздействием растворителей
334
