CC BY
32
TECHNOLOGIES
Ш
Методика оценки параметров фоновой активности нейронной системы испытуемого
живого организма
Изучение вопросов деятельности нейронных систем осуществляется в экспериментах на подопытных особях посредством использования специализированных программно-аппаратных комплексов. Разработан и реализован блок обработки информации и управления тактильными стимулирующими воздействиями, обеспечивающий высокую функциональность лабораторного комплекса и одновременно снижающий его общую стоимость. Блок выполнен на основе современной цифровой электронной базы с реализацией проблемно-ориентированной системы реального времени.
Ключевые слова: фокальная электроэнцефалограмма животного, стимулирующие воздействия, микроконтроллер, биморф.
Щербань И.В., Вдовюк К.В., Кузнецов Д.В.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
Формализация задачи. Несмотря на актуальность вопросов, связанных с выяснением принципов организации нейронньх систем, ответственных за билатеральное тактильное восприятие, а также способов кодирования пространственных параметров тактильных стимулов, исследованы они лишь в первом приближении.
Изучение подобных вопросов осуществляется на животных с использованием специализированных программно-аппаратных комплексов. В настоящее время в НИИ "Нейрокибер-нетики" Южного федерального университета для сбора и обработки информации о нейронной активности животного используется программно-аппаратный комплекс, структурная схема которого представлена на рис. 1.
Опыты выполняются на белых беспородных крысах, обездвиженных и переведенных на искусственное дыхание. Голова крысы фиксируется с помощью игольчатых головодержа-телей. Фокальная электроэнцефалограмма (ЭЭГ) регистрируется одиночными стеклянными микроэлектродами. После предварительного формирования на усилителе биологических сигналов УБС-10 измеренная информация посредством аналого-цифрового преобразова-
теля (АЦП) АЦП^205 на ISA-шине вводится в персональную ЭВМ на базе микропроцессора Pentium 2. Управляющие сигналы формируются в ПЭВМ по результатам обработки измерений в реальном времени проведения эксперимента и, далее, соответствующими исполнительными элементами преобразуются в стимулирующие воздействия различной физической природы (в тактильные, оптические, звуковые, магнитные и т.п. воздействия).
Фактически, вся функциональная часть данного комплексаа реализована на ПЭВМ под управлением операционной системы (ОС) MS-DOS. Следовательно, помимо морального устаревания самого вычислителя, также отсутствует и возможность использования современного программного обеспечения (ПО). Этот факт объясняется тем, что при использовании современных операционных систем (Windows и т.п.) процессор переключается планировщиком с исполнения одной программы на другую буквально между любыми инструкциями кода, что, в результате, приведет к потере информации, задержкам управляющих воздействий и нарушению логики эксперимента. Следовательно, ограничены и функциональные возмож-
РИс. 1. Структурная схема программно-аппаратного комплекса
Technique of an assessment of parameters of background activity of neural system of the examinee of a live organism
Scherban I.V., Vdovjuk K.V., Kyznetcov D.V.,
North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics,Rostov-on-Don
Abstract
Studying of questions of activity of neural systems is carried out in experiments on animals by means of use of specialized hardware-software complexes. The block of processing of the information and management of the tactile stimulating influences, providing high functionality of a laboratory complex and simultaneously reducing its total cost, was designed and implement. The block is created on the basis of modern digital electronic base with realization of problem-oriented system of real time.
Keywords: focalelectroencephalogram, stimulating actions, microcontroller, bimorph.
High technologies in Earth space research № 1-2010
His
ТЕХНОЛОГИИ
Рис 2. Структурная схема комплекса, использующего БОиУ
ности существующего комплекса по документированию, обработке и отображению информации, по использованию статистических методов апостериорного оценивания информации и идентификации моделей жизнедеятельности животных.
Схемотехническое решение задачи. С целью преодоления указанных ограничений, обеспечения требуемой функциональности комплекса при одновременном снижении его стоимости, анализирующая и управляющая части объединены в отдельный блок обработки информации и управления стимулирующими воздействиями (БОиУ). Структурная схема комплекса, использующего данный блок, представлена на рис. 2, а структурная схема самого блока — на рис. 3.
Предусмотрена только механическая стимуляция вибрис подопытного животного сгибание центральной вибрисы крысы с удержанием ее в отклоненном положении в течение 0,1-1,0 с. Механический исполнительный элемент представляет собой щуп, приклеенный к свободному концу пьезокерамической пластины бимор-фа, конец которого отклоняется в диапазоне амплитуд от 1,5 до 90 мкм.
БОиУ построен на основе современной цифровой электронной базы с реализацией проблемно — ориентированной системы реального времени и исключает ПЭВМ из замкнутого контура эксперимента. ПЭВМ в данном случае используется лишь для документирования и апостериорной статистической обработки требуемой информации. Таким образом обеспечивается возможность использования современных ОС и соответствующего программного обеспечения, что позволяет расширить возможности комплекса по документированию, обработке и представлению информации, по диагностике и прогнозированию состояния животного на основе современных математических методов оптимального оценивания и идентификации. Прямое сопряжение БОиУ с ПЭВМ обеспечивает максимально необходимую частоту проведения измерений с автоматической регистрацией измеренной информации и сохранением ее в электронных файлах.
Экономически выгодным и целесообразным в данном случае был выбор 8-ми разрядного МК RISK-архитектуры АТтеда32, включающего большинство необходимых периферийных устройств. Данный МК имеет достаточно
быстродействующее ядро AVR, сравнительно большой объем оперативной памяти (2 кб), энергонезависимую постоянную память для хранения рабочей программы (32 кб), интегрированные аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, снабжен портами ввода-вывода.
Программное обеспечение, созданное для выбранного МК в интегрированной среде разработки AVR Studio и протестированное в программном пакете SPICE эмуляции Proteus, обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, оценку мгновенной амплитуды и фазы потенциалов выбранного ритма, формирование управляющих сигналов положительной биологической обратной связи. Также реализована возможность формирования и передачи в ПЭВМ пакетов данных, используемых для последующей обработки и статистической оценки измеренной информации.
Цифровая фильтрация сигналов требуется для выделения необходимой полосы частот и работы блока в диапазоне колебаний потенциалов основных ритмов ЭЭП
Для фильтрации сигнала был использован полосовой фильтр. Полосовая фильтрация (с центральной частотой в точке f.) осуществлялась при помощи двух синусных фильтров нижних частот (ФНЧ) Баттерворда. Таким образом обеспечивалась необходимая монотонность амплитудно-частотной характеристики и в полосе пропускания и в полосе подавления, причем, без использования сложных фильтров высокого порядка. Это также позволило существенно сократить необходимые вычислительные затраты и обеспечить заданную точность реализации процедур фильтрации на выбранном МК.
Порядок М ФНЧ вариативный — задается оператором в специальной программе инициализации на ПЭВМ перед началом испытаний из соображений точности обработки данных. Коэффициенты разностных уравнений каскадов фильтра подобраны таким образом, чтобы полюсы передаточной функции фильтра
\H (f) 2 =-1-
f ■ (nfT)\ш ,
1 + | Sfj ^ s in (nBT ))
где f — граница полосы подавления; B — граница полосы пропускания, находились в области, удовлетворяющей условиям устойчивости. Подробно алгоритм расчета коэффициентов рассмотрен в работе [4].
Рис. 3. Структурная схема БОиУ
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2010
TECHNOLOGIES
HiS
Расчет амплитуды потенциалов выбранного ритма выполняется согласно алгоритму квадратур, также рассмотренному в работе [4]. Оценка фазы производится путем сравнения отсчетов отфильтрованного сигнала с мгновенными значениями амплитуд опорного синусоидального сигнала.
Для реализации биологической обратной связи применяется тактильная стимуляция чувствительных вибрис, осуществляемая посредством механической деформации пьезокерами-ческого биморфа. На электроды биморфа подается высоковольтное ШИМ-напряжение, тем самым вызывая в нем внутренние механические напряжения и, как следствие, изгибную деформацию. Для формирования требуемых характеристик управляющего сигнала используется высоковольтный цифро-аналоговый преобразователь, включающий источник опорного напряжения 150В и широтно-импульсный модулятор, интегрированный в МК (рис. 3).
Источник опорного напряжения состоит из повышающего преобразователя постоянного напряжения и диодно-конденсаторного умножителя.
Повышающий преобразователь постоянного напряжения выполнен на микросхеме серии МС34063 и имеет следующие параметры: входное напряжение Уп=9В (Хп(тп)=8В); выходное —
Уои=30.5В; выходная сила тока 1ои=120мА. Выбраны следующие номиналы элементов преобразователя напряжения: L=180мкГн, С1=1нФ, С2=1000мкФ, С3=470мкФ Rsc=0,330м, ^=1,3к0ч R2=3к0м, R3=1800м, диод Шотки марки SR506.
Дальнейшее повышение напряжения до
150В осуществляется реализацией диодно-конденсаторного умножителя с пятикратным коэффициентом умножения. Преимуществом данного типа умножителей является равномерное распределение нагрузки на выпрямительных диодах и одинаковое (в данном случае Uout) напряжение на конденсаторах.
Пьезоэлектрический биморф состоит из двух тонких пьезокерамических пластин, склеенных между собой после нанесения электродов и поляризации. Геометрические параметры каждой из пластин составили: 0,5 мм толщина, 70 мм длина и 12 мм ширина. Для изготовления биморфа использовалась пьезокерамика ПКР-7М.
Для более высокой чувствительности би-морф изготовлен без прокладки. Известно, что прокладка увеличивает механическую прочность, но уменьшает величину перемещения. Величина перемещения в данном случае является более важной. Следовательно, для раюоты с подобеым биморфом актуальной является граничная величина максимального прикладываемого напряжения Vmax, не вызывающего его повреждения при нормальных условиях окружающей среды
Vmax = 300*(t-t п)/2 = 150* (t - t п ) ,
где t—толщина пьезопластины (мм); tn — толщина прокладки (мм). Максимальное напряжение составляет V__=150В.
max
Связь БОиУ с ПЭВМ осуществляется посредством интерфейса USB 2.0, конвертируемого в БОиУ в интерфейс UART за счет использования микросхемы FT232RL. Необходимость подобного преобразования обусловлена огра-
ниченным рядом периферийных интерфейсов, присутствующих в выбранном типе микроконтроллера. Применение же интерфейса USB позволяет использовать в составе комплекса любую современную ПЭВМ.
Использование разработанного БОиУ в составе программно-аппаратного комплекса исследования нейронной активности животного позволило исключить ПЭВМ из замкнутого контура эксперимента. Блок построен на основе современной цифровой электронной базы с реализацией проблемно-ориентированной системы реального времени и обеспечивает обработку информации с ЭЭГ и формирование ответных сигналов, управляющих стимулирующими тактильными воздействиями.
Литература
1. Сухов А.Г, Бездудная Т.Г., Медведев Д.С. Особенности посттетанической модификации синапти-ческой передачи в таламо-кортикальном входе со-матосенсорной коры крыс // Журнал Высшей нервной деятельности, 2003, Т. 53, №5. — С. 622-632.
2. Казаков В.К., Климашин В.М. Биморфные пьезокерамические элементы // ПЬЕЗОТЕХНИКА-2002. Материалы Международной научно-практической конференции "Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения". — М.: МИРЭА, 2002. — С. 226-232.
3. Айфичер, Эммануил С., Джервис, Барри У. Цифровая обработка сигналов: практический подход. — М.: Вильямс, 2004. — 992 с.
4. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. — М.: МИР, 1982. — 428 с.
High technologies in Earth space research № 1-2010
