CC BY
32
Митин А. А., Геращенко С. МАлександров Д.В., Абубекирова В.С. ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ И АНЛИЗА ДАННЫХ НА БАЗЕ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ
В статье приводится краткое описание джоульметрического метода контроля состояния биологических объектов. Рассматриваются принципы построения джоульметрических медицинских систем и дается описание джоульметрического комплекса, применяемого для оценки состояния биологических тканей и жидкостей человека.
Ключевые слова: джоульметрия, джоульметрический декомпозиционный метод, специализированное
программное обеспечение, измерительный комплекс.
Одной из самых важных задач современной медицины является постановка диагноза на ранних стадиях развития заболевания и выбор оптимальной тактики лечения. Зачастую для этого требуется провести оценку состояния биологических тканей и жидкостей человека. В настоящее время существует множество методов, позволяющих оценивать состояние биологических объектов (рентгенологические, радионуклидные, ультразвуковые, компьютерная томография, ядерно - магнитно - резонансная томография и др.), но их возможности ограничены различными факторами (большие размер и стоимость применяемой аппаратуры, оказание на организм человека лучевой нагрузки, низкой чувствительности, низкой информативности и т. д). В связи с этим перед разработчиками медицинской аппаратуры встает задача создания новых методов контроля состояния биологических объектов, лишенных большинства вышеперечисленных недостатков.
В последние годы в медицинских исследованиях для диагностики различных заболеваний стали применяться методы, основанные на изучении электрохимических свойств физиологических жидкостей и тканей органов человека. Методика их использования основана на том, что происходящие в тканях и органах патологические процессы (воспаление, новообразования) вызывают изменение их электрохимических свойств.
Из известных электрохимических методов для решения задачи описания характеристик биологических объектов в состоянии «норма» и «патология» наиболее близкими являются импедансометрические методы . В них исследуемый объект представлен схемой замещения, элементы которой определяются на основании оценки его частотных свойств. Однако свойства тканей проявляются в области инфранизких частот, где импедансные методы требуют существенных временных затрат, кроме того, проявляющиеся при этом фарадеевские составляющие вносят погрешность в производимые оценки. Главными достоинствами данных методов является простота реализации метода, низкая стоимость аппаратуры, оперативность использования и безопасность для здоровья человека. Из вышеуказанных методов наиболее приемлемым является джоульметрический метод, обладающий высокой чувствительностью и позволяющий получить достаточное количество информативных признаков при малых временных затратах.
В результате возникла необходимость в разработке джоульметрических информационно-измерительных систем, способных реализовывать сложные математические алгоритмы анализа и обработки поступающей информации. Для решения данной задачи была разработана концепция высокоинтеллектуального джоуль-метрического измерительного прибора для наблюдения состояний биологических тканей и жидкостей человека, реализованного с применением модульной архитектуры и состоящего из следующих функциональных блоков: одного или нескольких измерительных комплексов и программного комплекса управле-
ния, анализа данных и принятия решений на базе ПЭВМ (Рисунок 1)
Д1
Дп
Д1
Дп
Д1
Дп
ПЭВМ - программный комплекс управления анализа данных и принятия решений на базе ПЭВМ ИК1 - ИКт - измерительные комплексы Д1 - Дп - датчики
Рис. 1
Измерительный комплекс реализован на базе микроконвентора, и позволяет проводить исследования биологических объектов по 12 8 каналам при подключении двухэлектродных датчиков или по 64 каналам при подключении четырехэлектродных датчиков. Управление работой данной системы осуществляется с помощью специального программного обеспечения, установленного на ПЭВМ.
Специализированное программное обеспечение состоит из шести функциональных модулей.
Модуль взаимодействия с ИК предназначен для обмена информацией между измерительным комплексом и специализированным программным обеспечением по шине ^В.
Модуль конфигурирования ИК предназначен для выбора режима измерений, типа используемых датчиков, передачи управляющей информации на измерительный комплекс, запуск и остановку процесса измерений.
Модуль отображения информации осуществляет функции визуализации результатов измерений в виде гистограмм значений работ и графиков измерений.
Модуль анализа информации и принятия решений осуществляет обработку при помощи специализированных алгоритмов поступающей от измерительного комплекса информации и принятие решения о состоянии исследуемого объекта.
Модуль управления базой данных осуществляет функции работы с базой данных: чтение, запись в
базу данных, поиск по базе, и т. д.
База данных содержит информации о пациентах и результатах измерений.
Применение данной архитектуры позволило возложить задачу обработки, анализа информации и принятия решений на специализированное программное обеспечение, работающее на ПЭВМ, оставив измерительному комплексу функции непосредственно проведения измерений, хранения результатов последнего измерения и передачи результатов измерений на ПЭВМ. Таким образом была решена проблема недостатка вычислительной мощности при анализе результатов измерений. Вынесение блока анализа результатов и принятия решений из измерительного устройства также позволило увеличить количество датчиков до 128, что позволило увеличить количество признаков для описания состояния биологических объектов. Вынесение измерительного устройства в отдельный блок также дало возможность дальнейшего наращивания количества датчиков без существенной доработки специализированного программного обеспечения. Кроме того, невысокая цена измерительного комплекса позволяет использовать с одним программным комплексом управления, анализа данных и принятия решений на базе ПЭВМ нескольких измерительных комплексов, работающих в автономном режиме и поочередно подключаемых к ПЭВМ для передачи результатов измерений, подлежащих дальнейшей обработке. Данная схема повышает мобильность и эффективность использования измерительного комплекса.
В разрабатываемом измерительном комплексе реализован модернизированный джоульметрический декомпозиционный метод со ступенчатым комбинированным способом задания токов различной амплитуды, что в совокупности с четырехэлектродными датчиками позволило увеличить количество уровней тока с 4 до 16 и получить до 1024 устойчивых джоульметрических признаков.
В процессе реализации данного метода возникла проблема снижения воспроизводимости результатов измерений, одной из причин которого явилась нестабильность процессов заряда двойных электрических слоев. После отключения внешнего источника тока они разряжаются очень медленно, так как фарадеев-ское сопротивление резко увеличивается с уменьшением электродного перенапряжения. Это приводит к тому, что к началу каждого последующего измерения электроды датчика приобретают различные значения потенциалов, сильно зависящие от числа и характера проведения предыдущих измерений. Этот недостаток был в значительной мере устранен применением короткого замыкания электродов датчика перед каждым последующим измерением. Процесс разрядки резко ускорился, так как двойные электрические слои электродов разряжаются уже не только через фарадеевское, но и через омическое сопротивление, которое не зависит от величины какого либо из перенапряжений.
Другой причиной снижения воспроизводимости результатов измерений стало изменение состояния поверхности электродов датчика в процессе каждого измерения. На катоде выделяется восстановленная форма деполяризатора, а на аноде - окисленная. Кроме того на поверхности каждого электрода адсорбируются различные химические соединения. Данная проблема была решена путем применения в качестве входного воздействия двух токовых импульсов, следующих друг за другом, имеющих одинаковую форму, но разную полярность.
Результаты проведенных экспериментов показали целесообразность применения предложенного метода задания входных воздействий. В частности для биологических жидкостей вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса увеличилась с 83 до 95%, вероятность правильной классификации состояния костной ткани с 85 до 97%, вероятности правильной классификации тканей онкологически пораженных органов с 77 до 95%.
Для выполнения задачи анализа данных и принятия решений также используется нейронная сеть LVQ с одним конкурирующим скрытым и одним линейным слоем. Оба слоя нейронной сети LVQ содержат по одному конкурирующему на каждый кластер и одному линейному нейрону на каждый целевой класс. Анализ информации и постановка диагноза при помощи нейронной сети предусматривает выполнение нескольких функций: обучение нейронной сети на специальной выборке данных, полученных по результатам исследований продиагностированных пациентов с формированием классов по заболеваниям, классификация любых полученных результатов исследований - определение их принадлежности к любому из заранее заданных классов. По результатам исследований чувствительность нейронной сети составила 89%, специфичность - 78%.
Разработанная система обработки данных и управления, использующая модернизированный джоульмет-рический метод, позволяет проводить исследования различных типов биологических объектов, что делает прибор универсальным. Возможность модернизации специализированного программного обеспечения за счет применения плагинов дает возможности дальнейшего расширения функциональности специализированного программного обеспечения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волчихин В.И., Геращенко С.И., Геращенко С.М. Джоульметрические медицинские приборы и системы. М.: РАН, 2008. 131 с.
2. Феттер К. Электрохимическая кинетика. — М.: Химия, 1967. — 856 с.
