CC BY
134
ВАРНАВСКИЙ1 Александр Николаевич,
кандидат технических наук КАПЛАН2 Михаил Борисович КРАХМАЛЬ3 Юлия Сергеевна
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СЪЕМА И АНАЛИЗА КОЖНО-ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
Статья, посвящена результатам разработки, и тестирования автоматизированной исследовательской системы, для. съема и. анализа кожно-гальванической реакции. Приведено описание аппаратной части и. программной части системы,, в качестве которой выступает, виртуальный прибор, построенный в LabVIEW. Описана работа виртуального прибора при. анализе снимаемого сигнала.
Ключевые слова: кожно-гальваническая реакция, виртуальный прибор, LabVIEW, электрокожное сопротивление.
In this paper, the authors report the results of development and. testing of automated, research system, for removal and. analysis of galvanic skin response. Description of the hardware and. software of the system, which is a virtual instrument built in LabVIEW is given. Virtual instrument operation in the analysis of the removable signal is described. Keywords: galvanic skin response, virtual instrument, LabVIEW, electrodermal resistance.
Для проведения многочисленных медицинских исследований необходима аппаратура для съема и анализа биоэлектрических сигналов, характеризующих состояние пациента. Определение рефлексов и эмоциональных реакций организма больного, связанных с работой симпатической нервной системы, может быть осуществлено путем анализа кожно-гальванической реакции.
Изменение электрокожного сопротивления выражает текущую электродер-мальную активность пациента и, как следствие, его психоэмоциональное состояние. Количество скачков величины электрокожного сопротивления в единицу времени определяет уровень психологического напряжения или активность нервной системы [1]. Можно отметить высокие затраты на построение любой измерительной системы, в частности медицинской. В то же время использование разрабаты-
ваемых виртуальных приборов способно снизить стоимость автоматизированной исследовательской системы (АИС), создаваемой на их основе. Для разработки АИС могут быть использованы технологии и средства компании National Instruments. Цель работы: разработка и тестирование автоматизированной исследовательской системы для съема и анализа кожно-гальванической реакции, состоящей из виртуального прибора LabView и платы NI PCIe-6231.
Аппаратная реализация
В качестве аппаратной конфигурации АИС можно использовать систему сбора данных DAQ — Data Acquisition (рис 1).
Первичный преобразователь реагирует на изменения регистрируемой физической величины, выполняя функции согласования и, в случае не-
обходимости, замещения текущего сигнала на альтернативный эквивалентный электрический сигнал удобный для последующего преобразования и обработки. Терминальный модуль представляет собой набор разъемов и элементов сопряжения, основными функциями которых является согласование первичных преобразователей с платами сбора данных. Плата сбора данных является многофункциональным компонентом, предназначенным для решения таких задач, как аналоговая обработка, оцифровка исходных данных, генерация сигналов. Управление системой осуществляется персональным компьютером, позволяющим обеспечить не только обработку и анализ сигнала, но и его хранение [2]. Типовая плата сбора данных National Instruments обладает такими функциональными составляющими, как блок аналогового ввода, блок аналогового вывода, блок цифрового ввода-выво-
' — старший научный сотрудник Рязанского государственного радиотехнического университета;
2 — доцент Рязанского государственного радиотехнического университета;
3 — техник Рязанского государственного радиотехнического университета.
!ЛЕД
Рис. 1. Структура системы сбора данных DAQ - Data Acquisition
да, блок таймера-счетчика. Анализ проблемы измерения электрокожного сопротивления пациента, связанной с регистрацией событий, длительность и интервалы следования которых превышают 10 мс, позволил сделать выбора в пользу платы сбора данных National Instruments NI PCIe-6231. Указанная модель обладает многоканальным модулем регистрации аналогового сигнала, работающего с частотой дискретизации до 250 кГц. Встроенный усилитель аналогового сигнала и наличие 16-битного АЦП позволяют выполнить регистрацию малых сигналов с приемлемой точностью. Сопряжение этой платы сбора данных с персональным компьютером осуществляется через высокоскоростную шину PCI экспресс, наличие встроенных драйверов NI-DAQmx обеспечивает построение эффективных и быстродействующих контуров управления. Применение соединительного модуля National Instruments BNC-2120 позволяет использовать встроенный блок измерения сопротивления (рис. 2), исключив тем самым изготовление специализированного блока измерения сопротивления. Вход «RES + » внутренне соединяется с каналом AI3 и шиной питания Vdd. Вход «RES—» внутренне соединяется с каналом AI11. Между каналом AI11 и шиной заземления AI GND включен образцовый резистор сопротивлением 10 кОм.
Тогда процесс измерения предполагает выполнение следующих действий. Л Установка переключателя RES/ BNC, расположенного над BNC-разъе-мом AI3, в положение RES. l2 Настройка программного обеспечения на измерение напряжения по каналам AI3 и AI11 в режиме с общим заземленным проводом (RSE).
г
Rx
<2> 0 0 Q>
Res+
Vdd
-> AI3
AI GND -►
AI SENSE -►
Res-
-> AI11
R0 = 10 kOm ± 0,5% - AI GND
Рис. 2. Структура встроенного блока измерения сопротивления соединительного модуля БМС-2120
13 Подключение электродов к винтовым клеммам RES+ и RES — .
14 Наложение электродов в заданные точки тела пациента.
15 Измерение напряжения Vdd в канале AI3 и падение напряжения на внутреннем резисторе c сопротивлением 10 кОм в канале AI11.
16 Вычисление сопротивления участка тела исследуемого Rx, используя следующую формулу:
R = = Uai3 - UAI11
R0
где их — напряжение падения на сопротивления участка тела пациента, I — ток, протекающий через участок тела пациента, иА13, имп — значения напряжения, регистрируемые по каналам АЦП номер 3 и 11 соответственно. Допустимый диапазон сопротивлений, измеряемых с помощью соединительного модуля БЫС-2120, составляет от
100 Ом до 1 МОм. Диапазон возможных значений электрокожного сопротивления составляет от 1 до 80 кОм, что подчеркивает возможность использования соединительного модуля БЫС-2120.
Программная реализация
Программное обеспечение АИС должно осуществлять как эффективное взаимодействие аппаратной и программной составляющих, так и обработку и анализ регистрируемых сигналов. Для его разработки использовалась среда LabVIEW, ориентированная на создание программ для информационно-измерительных, диагностических систем, систем сбора данных и управления. Применение программных продуктов, созданных в среде LabVIEW, позволяет автоматизировать работу конечных систем. В состав программного обеспечения LabVIEW входит драйвер NI-DAQmx, предоставляющий доступ к аппаратным средствам National Instruments. Инструментальный драйвер NI-DAQmx обладает собственным программным интерфейсом (API) настройкой оборудования и программного обеспечения. Предлагаемая структура программного обеспечения представлена на рис. 3. К преимуществам такой структуры следует отнести возможность смены операционной среды в случае реализации системы реального времени или работающей под управлением среды Linux, а также замены платы сбора данных NI PCIe-6321 на другую альтернативную плату NI без необходимости изменения программного обеспечения вследствие универсальности драйвера NI-DAQmx. Программа, созданная в среде LabVIEW, носит обобщенное название «виртуальный прибор». Такая терми-
Операционная среда семейства WINDOWS
Персональный компьютер
Рис. 3. Структура программного обеспечения
нология предложена разработчиками ЬаЪУШШ и оправдана она тем, что интерфейс пользователя создаваемых программ оформляется в стиле лицевых панелей реальных средств измерения. При этом аппаратные решения классических средств измерения, контроля и управления заменяются на программные варианты реализации. При реализации программной части АИС съема и анализа кожно-гальва-нической реакции пациента следует выделить следующие основные этапы функционирования конечного программного продукта.
Ввод исходных данных о пациенте. Непрерывное измерение электрокожного сопротивления. Этот этап требует предварительной настройки измерительных каналов АЦП. В ходе измерения осуществляется чтение данных с АЦП с последующим вычислением значения сопротивления. 1З Первичная обработка регистрируемой зависимости электрокожного сопротивления от времени. Здесь выполняется вычисление постоянной составляющей (уровня) зависимости сопротивления от времени. Расчет постоянной составляющей осуществляется путем усреднения выборки из массива значений электрокожного сопротивления. Размер выборки определяется в результате деления значения элемента управления «Ширина окна сглаживания, мс» на шаг дискретизации по времени. К первичной обработке относятся действия по формированию массива значений электрокожного сопротивления и массива постоянного уровня электрокожного сопротивления. Массивы задаются фиксированного размера. По мере получения новых значений сопротивлений проводится обновление содержимого массивов.
Рис. 4. Лицевая панель исследовательской системы для диагностики и контроля состояния пациента
Массивы в дальнейшем отображаются в графическом виде. 14 Выделение моментов электродер-мальной активности. Используя массивы значений электрокожного сопротивления и постоянного уровня электрокожного сопротивления, определяются скачки сопротивления участка тела, расположенного между электродами. Факт наличия скачка определяют по величине разности текущего значения сопротивления и текущего значения уровня. В случае превышения этой разностью заданного порога условной величине «Активность» присваивается значение «истина», в противном случае «ложь». Таким образом, при появлении скачка сопротивления формируется импульс, длительность которого зависит от скорости восстановления исходного значения сопротивления. Для исключения дребезга вводится зона нечувствительности. Здесь же формируется массив «Моментов появления активности». Значение этого массива
логических элементов будет «истина» в момент смены нулевого значения на единичный массива «Активность». Заключительным действием является обновление и графическое отображение массива «Активности» и массива «Моментов появления активности».
Анализ текущего уровня возбуждения пациента. Предлагается текущий уровень возбуждения пациента определять как количество скачков сопротивления в заданный интервал времени. Для расчета следует вычислить усредненное за время наблюдения количество значений «истина» массива «Моментов появления активности». Анализ предполагает сравнение текущего уровня возбуждения пациента с некоторым пороговым уровнем. В случае если уровень возбуждения станет недопустимо малым, то система должна выдать сигнал тревоги. 16 Фиксация наиболее значимых событий. Предлагается фиксировать моменты времени, когда уровень воз-
буждения становится недопустимо малым, и моменты времени восстановления уровня возбуждения до приемлемого значения.
Выполнение элементов этапов носит циклический характер. Программа строилась в соответствие с модульным принципом, который обеспечивает возможность дальнейшего совершенствования, расширения функциональности [2]. Была построена лицевая панель виртуального прибора (рис. 4), на которой следует выделить область ввода данных о пациенте, область ввода параметров, контролирующих процесс обработки и анализа, группу индикаторов, характеризующих уровень возбуждения, окно осциллограммы, кнопки запуска и остановки процесса исследования.
После запуска программ следует выполнить первый этап, осуществив ввод исходных данных. Окончание этапа характеризуется нажатием кнопки «Пуск» лицевой панели. Программная реализация в среде ЬаЪУШШ представляет собой блок-диаграмму, создаваемый в соответствии с синтаксисом языка С [3]. Переход к следующему этапу работы связан с запуском двух параллельных циклов: цикла измерения, обработки и анализа и цикла фиксации значимых событий. Запуск цикла измерения, обработки и анализа начинается с создания канала измерения напряжения, считывания данных модели сигнала электрокожного сопротивления, инициализации массивов отображаемых сигналов, считывания шага дискретизации по времени. В зависимости от положения переключателя «Режим» программа может функционировать либо в тестовом режиме (положение переключателя «Тест сигнал»), либо в рабочем режиме (положение переключателя «Рабочий сигнал»). В тестовом режиме исходные данные считываются из файла, в рабочем режиме информация берется путем опроса каналов АЦП с последующим расчетом значения сопротивления.
При выполнении действий по обработке и анализу используются как встроенные функции среды ЬаЪУШШ, так и специально созданные виртуальные подприборы (подВП) [3, 4]. Например, для вычисления среднего значения используется стандартная функция
Mean.vi. С помощью функции Wait Until Next ms Multiple осуществляется привязка очередной итерации цикла к времени [3]. Период выполнения цикла задается с помощью элемента управления «Шаг дискретизации, мс». Обновление массивов значений электрокожного сопротивления, уровня, «Активности» и «Моментов появления активности» осуществляется по единому алгоритму, включающему действие по удалению элемента с индексом 0 и добавлению нового элемента с рассчитанным на текущей итерации значением. Отображение всех зависимостей, представленных в массивах, выполняется на одном индикаторе окна осциллограммы.
Для формирования сигнала «Акивно-сти» используется подВП «Формирователь импульсов активности (Sub VI). vi». Данный подВП выполняет функцию компарирования исходного значения сопротивления и его уровня. Для снижения влияния шумов сравнению подвергаются усредненные значения выборок сопротивления и уровня. Кроме того, реализована возможность настройки величины зоны нечувствительности, которая задается с помощью элемента управления «Ширина зоны нечувствительности, кОм». Для формирования значения параметра «Моментов появления активности» производится выделение момента смены значения сигнала «Активность» с «истины» на «ложь». Следующим действием, выполняемым в цикле измерения, обработки и анализа, является расчет уровня активности, который производится подВП «Расчет уровня активности (SubVI).vi». Вычисления производятся с учетом заданного значения элемента управления «Интервал наблюдения, с». Указанный параметр определяет величину промежутка времени, в течение которого фиксируются события скачкообразного изменения сопротивления. С технической точки зрения выполняются действия по подсчету количества элементов со значением «истина» выборки, сделанной из массива «Моментов появления активности». Размер выборки является результатом деления про-масштабированного значения элемента управления «Интервал наблюдения, с» на значение элемента управления «Шаг дискретизации, мс».
Заключительным действием, выполняемым в цикле измерения, обработки и анализа, является сравнение рассчитанного на текущей итерации уровня активности с пороговым значением, задаваемым элементом управления «Пороговый уровень возбуждения». В момент времени превышения порогового уровня или снижения текущего уровня возбуждения ниже порогового уровня устанавливается флаг «Запись», разрешающий фиксацию указанного события. Кроме того, на весь интервал времени, когда текущий уровень возбуждения ниже порогового уровня, включается световой индикатор «Опасность».
Для фиксации значимых событий после нажатия кнопки «Пуск» создается файл, который содержит сведения о пациенте и таблицу моментов времени превышения порогового уровня или снижения текущего уровня возбуждения ниже порогового уровня с указанием типа события. В этом же цикле производится сброс флага «Запись» и выключение индикатора «Опасность». Информация в файле представлена в текстовом формате. Представленные данные доступны для последующей статистической обработки.
Работа программы завершается после нажатия кнопки «Стоп», при этом сначала выполняется выход из циклов, а затем освобождение ресурсов путем закрытия файла фиксации значимых событий и снятия задач с измерительных каналов платы сбора данных [5].
Настройка и проверка работоспособности
Разработанная система использовалась для съема и анализа кожно-гальванических реакций ряда пациентов. Выполненные наблюдения, в частности, подтвердили факт увеличения активности при выполнении действий, связанных с активизацией умственных действий в условиях минимальной физической нагрузки. При исследовании испытуемому предлагалось записывать с помощью авторучки диктуемый текст (рис. 5а). В условиях низкого психоэмоционального напряжения, когда испытуемому предлагалось занять удобное
положение и расслабиться, система фиксировала низкий уровень активности (рис. 5б).
Заключение
Созданный вариант автоматизированной исследовательской системы съема и анализа кожно-гальванической реакции может использоваться в исследовательских и медицинских целях для диагностики и контроля психоэмоционального состояния пациента. Поскольку в состав системы входит
виртуальный прибор, то это решение является относительно недорогим и может быть положено в основу домашних диагностических приборов. В этом случае, персональный компьютер может быть заменен на электронный планшет, а плата NI PCIe-6321 на другую плату сбора данных, обладающую только двумя каналами АЦП и внешним интерфейсом USB. Возможна замена соединительного модуля BNC-2120 на внешний блок измерения сопротивления, включающий только разъемы и образцовое сопротивле-
ние. Удачно выбранная среда программирования LabVIEW позволяет автоматически адаптировать исходное программное приложение к работе на ноутбуках и электронных планшетах. Приложение может быть запущено на устройствах, управляемых операционными системами Linux, Android. Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение № 14.B37.21.1923)
Литература
1. Зоткин Н.В. Основы психодиагностики: учебно-методический комплекс для. специальности 030301.65 Психология. - Самара: «Универс групп», 2007. - 208 с.
2. Питер Блюм. LabVIEW: Стиль программирования. —М.: ДМК Пресс, 2008. - 400 с.
3. Суранов А.Я. LabVIEW8.20. Справочник по функциям. -М.: ДМК Пресс, 2007. - 536 с.
4. Свиридов Е.В., Листратов Я.И., Виноградова Н.А. Разработка прикладного программного обеспечения, в среде LabVIEW. -М.: МЭИ, 2005. - 50 с.
5. Кехтарнаваз Н., Ким. Н. Цифровая, обработка сигналов на системном, уровне с использованием. LabVIEW. - М.: Додэка-XXI, 2007. - 288 с.
