CC BY
74
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ ЭНТРОПИИ А.В. Чащин
Комплекс «Эниотрон-3» обеспечивает автоматизированный сбор и обработку данных в исследованиях, отражающих психофизиологическое состояние организма человека. Область применения комплекса -научные исследования состояния организма и регистрация его изменений при функциональных пробах.
1. Описание аппаратно-программного комплекса
В Центре знергоинформационных технологий СПбГУ ИТМО разработан аппаратно-программный комплекс «ЭНИОТРОН-3» (далее АПК), предназначенный для проведения исследований энтропийных оценок состояния организма по энергоинформационным показателям. Комплекс обеспечивает съем аналоговых сигналов тепловых потоков и температуры с определенных участков тела пациента, их аналого-цифровое преобразование, ввод информации в персональный компьютер, запись и хранение данных о зарегистрированных событиях в файлах запоминающего устройства компьютера, а также обработку результатов измерений профессиональным пакетом средств программного обеспечения и составление итоговых документов для представления отчетной документации.
АПК состоит из аппаратной и программной частей.
Рис. 1. Схема АПК: датчики ПЭИП - измерительные преобразователи теплового потока в напряжение; АЦП Ы!-йАО - многофункциональная плата сбора данных на основе аналого-цифрового преобразователя; У!-Ьоддег - блок согласования сигналов; ПК - персональный компьютер
Блок-схема АПК приведена на рис. 1. Она включает блок датчиков преобразователей тепловых потоков, блок согласования и сопряжения сигналов, аналого-цифровой преобразователь и персональный компьютер. Ниже приводится описание основных узлов комплекса.
Преобразователи энергоинформационного потока (ПЭИП) в блоке датчиков используются в качестве преобразователей энергоинформационного потока на основе датчика Геращенко [1]. Кроме измерения энергоинформационных потоков датчиком регистрируется с помощью термопары температура кожной поверхности тела на участках исследования. Такой комбинированный датчик позволяет регистрировать удельный энергоинформационный поток q и температуру Т поверхности А части тела. Вычисления удельного потока энтропии исследуемого участка тела проводятся по формуле
_ д(т) Вт Ас1т _ Т ' м2 К .
В блоке датчиков ПЭИП используется 5 датчиков, обеспечивающих одновременный съем 10 измерительных процессов (5 энергоинформационных потоков и 5 температур).
Конструкция ПЭИП составлена из батареи термоэлементов и двух потенциало-съемных выводов, помещенных в общий металлический экран. Описание прибора приведено в [4].
В качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) комплекса «Эниотрон-3» используется многофункциональную плата сбора данных NI-DAQCard-6036E, производимая фирмой National Instruments (США). Она обеспечивает мультиплексирование 16-ти каналов входных аналоговых сигналов, подключенных униполярно, или 8-ми дифференциальных каналов.
В организации работы компьютеризированного комплекса «Эниотрон-3» используются профессиональные программные продукты Microsoft Windows XP, 2000 или выше, поддерживающие работу управляющих программ автоматизации сбора данных (NI-DAQmx-8.0, VI-Logger), обработки результатов (MATLAB 6.5) и хранение регистрируемых и обработанных данных.
Сбор данных обеспечивается под управлением программных продуктов Measurement and Automation Explorer и VI-Logger (фирмы National Instruments) по заданному протоколу исследований. Протокол задает оператор после инициации программ перед началом исследований. Программное обеспечение обработки данных построено в среде MATLAB 6.5.
Процедура проведения исследований строится на выполнении алгоритма однотипных действий, включающих:
• оснащение пациента датчиками;
• регистрацию сигналов и передачу информационных данных в персональный компьютер;
• обработку зарегистрированной информации;
• формирование заключительного документа.
2. Расположение преобразователей энергоинформационного потока
на теле человека
Одна из проблем при регистрации потоков удельной энтропии тела человека связана с выбором участков расположения датчиков на теле. Если нет особых ограничений, то датчик может быть помещен в любую область тела. Однако можно представить тело человека совокупностью нейтральных и биологически активных зон, зон Захарьина-Геда или биологически активных точек - точек акупунктуры, а также участков, называемых в восточной медицине чакрами. Экспериментальные данные позволяют рекомендовать располагать датчики в биологически активных точках БАТ [5].
Датчики ПЭИП фиксируются на теле пациента контактирующими поверхностями медицинским пластырем. Для улучшения качества записи рекомендуется после фиксации датчиков на теле попросить пациента подвигаться и скорректировать их положение в местах наименьшего смещения.
3. Проведение исследований
Запускается программа «Measurement and Automation Explorer». Выбирается задача Tusk, если она создана ранее; в противном случае создается задача в соответствии с используемой инструкцией.
Перед проведением измерительного исследования необходимо убедиться в работоспособности всех звеньев аппаратуры, участвующих в регистрации сигналов. Для этого нужно перейти в режим «Test», после чего убедиться в реагировании датчиков тепловых потоков, возникающих при прикосновении пальцами их поверхностей; затем выйти из режима «Test» и уточнить параметры установок управления выборкой сигна-
лов при дискретизации. В текущей версии программы для исследований энтропийных процессов установлено значение частоты выборки 1 кГц.
Для проведения регистрирующих записей при исследованиях необходимо подать команду «RUN». На экране монитора появится диаграммная дорожка с отображением в реальном времени процессов регистрируемых сигналов. При необходимости остановки регистрации следует подать команду «Stop».
При необходимости просмотра ранее проведенных регистрирующих процессов выбирается необходимая регистрация «TASK» и проводится масштабирование.
Запись зарегистрированной информации в файловую систему осуществляется с использованием подпрограммы «Export». Для этого необходимо курсором мыши навести на требуемую регистрацию «TASK», левой кнопкой вызвать список опций, из которых выбрать опцию «Export». Выводится окно, в котором указать наименование файла хранения и подтвердить выполнение опции нажатием «OK».
4. Обработка результатов
Обработка данных проводится с целью получения информации о степени порядка (П) и хаоса (Х) в сознании человека, о чем можно судить по величине и изменению энтропии. Она равна разнице между максимальным AeSmax и текущим AeS значением энтропии обмена с внешней средой, а степень хаоса Х - разнице между текущим AeS и минимальным AeSmin значениями [3, 5]
П — AeSmax - AeS:, Х — AeS - AeSmin. (1)
Обработка данных предусматривает использование относительных нормированных оценок хаоса Кх и порядка Кп. Это нормирование достигается делением значений потоков хаоса dX/dt и порядка dn/dt в формуле (1) на общий знаменатель, равный диапазону изменения потоков энтропийных оценок между их максимальным (AeSmax)/dt и минимальным (AeSmin)/dt значениями:
K = d(S - Smm)/dT K = d(S min - S ) / dT (2)
X d(S max - Smin)/dT ' " d( AS max - Smrn)/dT'
Результатом процедуры нормировки является то, что Кх и Кп изменяется в пределах от 0 до 1, что важно при сопоставлении результатов исследований между собой.
Основным экспериментально получаемым параметром является относительная величина изменения локального удельного потока энтропии обмена человека с внешней средой в различные моменты времени.
Расчеты проводятся в среде программы Matlab, функционирующей независимо от регистрирующей программы Vi-Logger. В представлении результатов следует выделять три этапа исследования, соответствующих состоянию организма до воздействия (фон), в процессе воздействия и после воздействия (последействие). Обработка результатов проводится в относительных единицах, что позволяет сопоставлять разнородные данные опытов: потоки энтропии обмена снимаются с разных участков тела человека; воздействие может осуществляться различными раздражителями экзогенной (внешнего воздействия) и эндогенной (внутри организменных процессов) природы; в опыте могут принимать участие одно или несколько лиц и т. д. При обработке результатов используются относительные нормированные оценки хаоса Кх и порядка Кп по формуле (2).
Для проведения автоматизированного расчета запускается программа Matlab, в исполняемом поле которой запускается специально разработанная программа расчета на языке Matlab. По требованию запущенной программы вносится адресное наименования файла обработки и анкетные данные. В результате выполнения программы графически представляются расчетные показатели изменений коэффициента Кх во времени.
Принципы исследования функции диссипации информационного обмена освещены в [3, 5].
5. Основные технические характеристики комплекса
• Тип датчиков информационных сигналов - преобразователи энергоинформационных потоков (ПЭИП), производство Института теплофизики НАН Украины.
• Максимальное число точек съема информационных сигналов, регистрируемых одновременно комплексом «Эниотрон-3» - 5.
• Число информационных каналов регистрации данных - 10.
• Диапазон допустимых изменений регистрируемых сигналов ±10В.
• Разрядность АЦП (NI-DAQCard-6036E) - 16.
• Частота дискретизации биосигналов при регистрации тепловых процессов на теле человека - не более 1 кГц.
• Расстояние между точками съема биосигналов и блоком сопряжения - не более 2 м.
• Расстояние между блоком сопряжения и персональным компьютером - не более 2 м.
Литература
1. Геращенко О.А. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971.
2. Дульнев Г.Н. Энергоинформационный обмен в природе. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2000. - 135 с.
3. Патент на изобретение № 2290058 от 27.12.2006. Способ определения локального удельного потока энтропии человека.
4. Дульнев Г.Н., Чащин А.В., Меткин Н.П. Регистрация энергоинформационных потоков // Наст. сб. - С. 35-40.
5. Агеев И.Л., Дульнев Г.Н., Кокин А.В., Колмаков С.И., Стражмейстер И.Б. Метод регистрации функции диссипации человека // Наст. сб. - С. 17- 21.
