автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Цифровой комплекс дли ЭЭГ исследований

от

од

На правах рукописи

? ЯНВ 23с0

Ветвицкий Евгений Владимирович

Цифровой комплекс для ЭЭГ исследований

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Селищев С.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кукушкин Ю.А.

Ведущая организация:

Государственный научный центр Российской Федерации -институт медикобиологических проблем

Защита состоится 5 декабря 2000 года в на заседании диссертационного совета Д 001.44.01 в ЗАО «ВНИИМП-ВИТА» (НИИ медицинского приборостроения) РАМН по адресу: 125422, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ВНИИМП-ВИТА».

Автореферат разослан 3 ноября 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук да

доктор медицинских наук, с.н.с.

Бухтияров И.В.

кандидат технических наук

Матвеев Е. В.

Общая характеристика ¡работы.

Актуальность темы.

За последнее десятилетие техника регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) совершила качественный переход от аналогового способа записи ЭЭГ на бумажных носителях к цифровым (компьютерным) методам. Это позволило не только существенно улучшить регистрацию, хранение и первичную обработку данных ЭЭГ, но и применить компьютерные методы анализа, предоставляющие врачу дополнительную диагностическую информацию.

Фундаментальным принципом построения современных ЭЭГ комплексов является цифровая обработка сигналов (ЦОС). Качество ЦОС, регистрации ЭЭГ зависит от предварительной обработки сигнала и аналого-цифрового преобразования (АЦП). На технические характеристики системы в целом влияют общие вопросы организации функциональной схемы комплекса, в том числе насыщенность микропроцессорными интегральными схемами, использование высокопроизводительных интерфейсов для связи с персональным компьютером (ПК). С развитием компьютерной техники, технологии микроэлектроники появилась возможность создавать цифровые ЭЭГ комплексы с качественно новыми характеристиками.

Целью работы являлась разработка цифрового комплекса для ЭЭГ исследований на основе алгоритмов ЦОС и современных компьютерных технологий.

Основные задачи исследования:

1. Разработка цифрового усилителя электрознце-фалографических сигналов (ЦУЭЭГ) на основе современных технологий ЦОС.

2. Разработка устройства фонофотостимуляции для использования в составе ЭЭГ комплекса.

3. Разработка канала связи устройств ЭЭГ комплекса с ПК на основе стандартного интерфейса.

Научная новизна: •

1. Впервые в России разработан ЦУЭЭГ на основе многоразрядных интегральных сигма-дельта АЦП, в. котором применены усилители постоянного напряжения и цифровая фильтрация.

2. Впервые в России применен интерфейс USB для сопряжения цифрового ЭЭГ комплекса с ПК, позволяющий использовать принцип каскадирования, синхронизации приборов при регистрации ЭЭГ,

3. Применены твердотельные полупроводниковые светоизлучатели для построения устройств ЭЭГ фотостимуляции.

Практическая значимость работы:

1. Разработан 40-канальный цифровой усилитель ЭЭГ сигналов Neurovisor40U на основе сигма-дельта АЦП, подключаемый через интерфейс USB к ПК. Реализована возможность синхронного съема ЭЭГ несколькими приборами в составе комплекса, а так же регистрации дополнительных физиологических параметров при проведении ЭЭГ исследований (сатурации артериальной крови с помощью внешнего цифрового трансмиссионного пульсоксиметра),

2. Разработан фонофотостимулятор FSS2 для проведения ЭЭГ исследований с возможностью программирования импульсов стимуляции, подключаемый через интерфейс USB к ПК.

3, Разработано малогабаритное автономное устройство NeuroTest6 для тестирования работоспособности ЦУЭЭГ в составе ЭЭГ комплекса.

4. Созданы программный WDM драйвер и библиотека прикладного программиста для работы с устройствами Neurovisor40U, FSS2 под ОС Windows 95,98/2000.

. 5. Изготовлена опытная партия стационарных, на базе стандартного ПК, и мобильных, на базе компьютера NoteBook, ЭЭГ систем в составе ЦУЭЭГ Nenrovisor40U, фонофотостимулятора FSS2, устройства тестирования работоспособности ЦУЭЭГ PocketTrace.

' Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием стандартных энцефалографических схем отведений, апробированных медицинских методов исследования, а так же подтверждается лабораторными и клиническими верификационными испытаниями.

Внедрение результатов работы.

На момент написания диссертационной работы подготовлены технические условия (номер 9441-001-40160890 ТУ) и подана заявка в комитет по новой медицинской технике на прохождение технических и клинических испытаний.

Положения, выносимые на защиту:

1. Построение ЦУЭЭГ на основе современных технологий ЦОС позволяет качественно улучшить технические характеристики комплекса для проведения ЭЭГ исследований.

2. Для сопряжения приборов ЭЭГ комплекса с ПК целесообразно использовать современный высокоскоростной интерфейс USB.

3. Применение полупроводниковых светоизлучателей позволяет улучшить технические и потребительские свойства ЭЭГ фотостимулятора.

Апробации работы.

Приведенные в диссертации результаты представлялись автором на:

• Научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-97», Москва, МИЭТ, 18-20 апреля 1997 года;

• Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 98», Москва, МИЭТ, 20-22 апреля 1998;

® Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-98», Москва, ЗАО «ВНИИМП-ВИТА» РАМН, 6-8 октября 1998 года;

• Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 99», Москва, МИЭТ, 19-21 апреля 1999;

• Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика -2000», Москва, МИЭТ, 17-18 апреля 2000;

• Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-2000», Москва, ЗАО «ВНИИМП-ВИТА» РАМК, 24-26 октября 2000 года.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 2 статьи и 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования. Общий объем работы составляет 112 страниц, в том числе 39 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и приведены основные результаты.

Первая глава посвящена анализу принципов построения, применению современных технологий ЦОС при проектировании ЦУЭЭГ.

Приведены основные требования к цифровым ЭЭГ комплексам на основании обзора отечественных и зарубежных данных. Современный регистратор ЭЭГ должен иметь параметры не хуже:

- количество каналов 24

- полоса пропускания сигнала 0.16-70 Гц

- частота дискретизации 200 Гц

- входное сопротивление 100 МОм

- эффективное разрешение

в полосе сигнала 1.5 мкВ

- входной диапазон ±100 мВ

На представлена типовая структурная схема блока АЦП ЦУЭЭГ.

чания и плехсор

защиты

Рис.1 Типовая структурная схема блока АЦП ЦУЭЭГ.

Данному подходу-присущи следующие недостатки:

• относительно сложные инструментальные усилители во входном каскаде для подавления синфазной помехи;

® крупногабаритные прецизионные конденсаторы в фильтрах верхних частот (ФВЧ);

в высокий порядок фильтров нижних частот (ФНЧ), ограничивающих спектр аналогового сигнала;

» схема выборки-хранения и мультиплексор перед входом АЦП, вносящие дополнительные нелинейные искажения и фазовый межканальный сдвиг.

При построении многоканальных систем существенной задачей становится упрощение схемотехники каждого канала. Это позволяет улучшить технические параметры, надежность и технологичность производства приборов. Перспективными являются решения, позволяющие снизить, в первую очередь, требования к предварительной аналоговой фильтрации сигнала за счет применения алгоритмов ЦОС. Для этого возможно:

• увеличить частоту дискретизации входного сигнала, что снизит требования к ФНЧ;

в повысить разрядность АЦП, увеличив входной динамический диапазон сигнала и отказаться от построения ФВЧ.

Однако высокоточные АЦП имеют значительную стоимость. При этом их быстродействие при включении в схеме с многоканальным мультиплексором ограничено. Этих недостатков лишена новая технология ЦОС - сигма-дельта аналого-цифровое преобразование.

Основой такого рода АЦП является сигма-дельта модулятор. Сигнал квантуется с очень низким разрешением (1 бит) аналоговым компаратором, но с частотой Го, в сотни раз превышающей верхнюю частоту входного сигнала Р'А. Однобитовый поток данных проходит через цифровые фильтры и подвергается децимации (прореживанию), приобретая разрядность 16-24 двоичных бита и частоту ~ З РА ■

г0- частота дискретизации входного сигнала;

Р5 - частота дискретизации выходного сигнала после

цифровой фильтрации и децимации;

- коэффициент передискретизации.

Рис.2 Передискретизация, цифровая фильтрация сигнала.

Большой коэффициент передискретизации по частоте позволяет с помощью цифровой фильтрации избавится от большей части шума квантования. Цифровой фильтр подавляет

шум, имеющий в общем случае равномерное распределение, в полосе частот от Fs/2 до F</2 (Рис.2), что улучшает соотношение сигнал/шум на величину:

M=10-lg(K), где К- Fo/Fs- коэффициент передискретизации.

Интегратор, входящий в состав сигма-дельта модулятора, формирует спекгр шумов квантования неравномерным, вытесняя их в область выше Fs/2 (характер распределения зависит от порядка модулятора), что улучшает фильтрацию ■ шума. Благодаря линейности однобитного квантователя сигма-дельта АЦП имеют малую интегральную и дифференциальную нелинейности без использования технологии высокоточной лазерной подгонки, что определяет их невысокую стоимость.

Для реализации аналого-цифрового блока ЦУЭЭГ Neurovisor40U (Рис.3) было выбрано многоканальное сигма-дельта АЦП AD7716 фирмы "Analog Devices" (США), имеющего эффективное разрешение на уровне 20 двоичных разрядов при частоте выдачи данных 250 Гц. и частоте дискретизации входного сигнала 570 кГц.

порядка.

Р

Ц^ЧП!" _ "ij1

fc=

Многока-

нальный снги»-д альта АЦП

Рис.3 Структурная схема блока АЦП ЦУЭЭГ на основе многоканальных сигма-дельта

преобразователей.

Схема отведений/коммутации каналов ЭЭГ, в том числе выбор референтного электрода, формируется в данном случае программным способом на ПК. Для удержания изолинии ЭЭГ применяется цифровой ФВЧ (реализован на ПК). Частота среза фильтра задается в пределах 0.05-8 Гц в зависимости от типа клинических исследований.

Сложная структура ЦУЭЭГ, объем функциональных задач определяет использование в его составе однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ). ОМЭВМ реализует алгоритмы:

• программирования и чтение данных с АЦП;

• оценки качества наложения электродов путем измерения сопротивления на переменном токе;

• калибровки каналов регистрации ЭЭГ с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти;

• каскадирования нескольких ЦУЭЭГ внутри комплекса с синхронной регистрацией ЭЭГ;

• взаимодействия с внешними устройствами регистрации дополнительных биологических параметров по последовательному каналу;

• самотестирования работоспособности устройства;

• отображения информации на ЖКИ модуле;

• поддержки интерфейса с ПК (при помощи внешнего контроллера).

Для реализации таких алгоритмов ОМЭВМ должна обладать производительностью 8-10 MIPS (миллионов операций в секунду), ОЗУ не менее 256 байт, ПЗУ - 8 кбайт,

энергонезависимой памятью 512 байт, иметь в своей структуре внешнюю параллельную шину данных.

смэм дтюмвч Л—-Л АТПвЫТ»

^ «Ф 1

Сторона пациента

Т.

ЖХ дисплей

Сторома ПК

1Ц

И

Рис.4 Пример функциональной схемы ЦУЭЭГ.

На Рис.4 приведена функциональная схема, на Рис.5 внешний вид разработанного ЦУЭЭГ Иеигоугхог 401}.

С*?** ОС ЕГс; <упс*<п&

'П+ . Гг.

ч'1 V*' -п ц

Г. >•>...

т г,,

! ■

/ 1 , г,« >м

1 43 ■ ■ ' V )» Г4

: в» / © ч 'V

ч' *

-.СГ» ^

(

Ншогтти

л!"

о

■' лг

Ч' «гп

5 о

Рис.5 Цифровой усилитель ЭЭГ сигналов ЫеигоУ1зог40и.

Вторая глава посвящена вопросам разработки устройств фонофотостимуляции в составе цифрового ЭЭГ комплекса.

Рассмотрены основные методики исследования вызванных потенциалов мозга - слуховых, зрительных, эндогенных. Сформулированы технические требования, предъявляемые к устройствам стимуляции:

- Точность синхронизации с ЦУЭЭГ

- Яркость вспышек

- Частота следования вспышек.

- Длительность вспышек

- Интенсивность тонового/импульсного аудиостимула

- Частота следования тонового/импульсного аудиостимула 0.5-200 Гц;

- Период/длительность

±0.5 мс; 100-1000кд/м2; 0.5-200 Гц; 1-500 мс;

0-70 дБ*;

тонового/импульсного аудиостимула 0.1 -100 мс; - Точность частотно/временных параметров ±0.1%.

* - интенсивность звука измеряется относительно порога слышимости человека (звуковое давление 20 мкПз).

Достаточно сложные алгоритмы управления процессами фоно- фотостимуляции, поддержка современного интерфейса с ПК определяют построение функциональной схемы устройства на основе ОМЭВМ.

На ОМЭВМ возлагается поддержка алгоритмов:

• генерации управляющих сигналов для блока оптических излучателей с заданными временными параметрами, возможность формирования псевдослучайных последовательностей;

• генерации выходных и управляющих сигналов для блока аудиоусилителя с заданными амплитудными и временными параметрами, возможность формирования псевдослучайных последовательностей и фонового шумового сигнала;

• генерации шумового сигнала в аудиоканале для специального метода исследования слуховых вызванных потенциалов;

• калибровки яркости вспышек, интенсивности звуковой стимуляции с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти;

• детектирования дополнительного внешнего источника питания (при отсутствии внешнего источника питания выходная мощность фоно- и фотостимуляции ограничивается);

• протоколов управления устройством;

• интерфейса с ПК (с помощью внешнего специализированного контроллера).

К ОМЭВМ предъявляются требования: производительность 6-8 MIPS, ОЗУ не менее 128 байт, ПЗУ - 8 кбайт, энергонезависимая память - несколько десятков байт, как минимум два многофункциональных таймера.

Выполнить блок оптических излучателей фотостимулятора возможно на основе:

Импульсной газоразрядной лампы;

® сложность регулирования параметров вспышки -длительности, яркости;

• издает акустический щелчок, что нежелательно при проведении ЭЭГ исследований;

в управляется высоковольтным импульсом, что увеличивает вероятность возникновения емкостной наводки на чувствительные каналы регистрации ЗЭГ;

« низкая стоимость.

Матрицы твердотельных полупроводниковых излучателей:

• гибкое регулирование всех параметров вспышки -длительности, частоты следования, яркости;

• управление низким напряжением;

• ячеистая структура матрицы . позволяет без дополнительных затрат организовать паттерн-режим

, подачи импульсов стимуляции;

• относительно высокая стоимость.

Преимущества твердотельных полупроводниковых излучателей- определяют их использование в современных устройствах фотостимуляции. Ранее применение светодиодных матриц возможно было только при конструктивном оформлении стимулятора в виде очков, что объяснялось недостаточной силой света излучателей. Кроме того, светодиоды имели довольно узкий, монохроматичный спектр (использовались обычно красные, длина волны^ббО нм). При проведении ЭЭГ исследований, когда важно психо-эмоциональное состояние пациента, использование таких фотостимуляторов

нежелательно. С развитием технологии микроэлектроники появились так называемые «сверхяркие» светодиоды, у которых сила света увеличена в 10-15 раз по сравнению со стандартными. Кроме того, спектр излучения некоторых из них существенно расширен и визуально оценивается как белый (рис.6).

Относительная интенсивность

V 4

/

J

лов seo sao тор мо Длина волны, нм

Сила света (1=20мА) Мин. Тип. 1300 мКд 2000 мКд

Макс, ток (имп.) 100 мА

Макс, ток (пост.) 30 мА

Угол е, л диаграммы направленности 15 град.

Рис.6 Характеристики светодиода HLMP-CW15 "Hewlett Packard"

Применение матрицы из сверхярких светодиодов позволяет реализовать стандартный конструктив фотостимулятора в виде лампы на штативе.

Акустический блок стимулятора состоит из регулируемого усилителя мощности. Имеется стереофонический разъем для подключения головных телефонов или стационарных акустических систем. В приборе предусмотрен алгоритм калибровки уровня интенсивности звуковой стимуляции с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти.

Третья глава содержит анализ современных компьютерных интерфейсов и обоснования выбора и особенностей применения

• повысить разрядность АЦП, увеличив входной динамический диапазон сигнала и отказаться от построения ФВЧ.

Однако высокоточные АЦП имеют значительную стоимость. При этом их быстродействие при включении в схеме с многоканальным мультиплексором ограничено. Этих недостатков лишена новая технология ЦОС - сигма-дельта аналого-цифровое преобразование.

Основой такого рода АЦП является сигма-дельта модулятор. Сигнал квантуется с очень низким разрешением (1 бит) аналоговым компаратором, но с частотой Г0, в сотни раз превышающей верхнюю частоту входного сигнала РА. Однобитовый поток данных проходит через цифровые фильтры и подвергается децимации (прореживанию), приобретая разрядность 16-24 двоичных бита и частоту ~ 3 -ГА.

Р0- частота дискретизации входного сигнала; Р3 - частота дискретизации выходного сигнала после цифровой фильтрации и децимации; Яо/Рэ - коэффициент передиснретизации.

Рис.2 Передискретшация, цифровая фильтрация сигнала.

Большой коэффициент передискретнзации по частоте позволяет с помощью цифровой фильтрации избавится от большей части шума квантования. Цифровой фильтр подавляет

шум, имеющий в общем случае равномерное распределение, в полосе частот от Fs/2 до F</2 (Рис.2), что улучшает соотношение сигнал/шум на величину:

M-lO lg(K), где К- F0/Fs- коэффициент передискретизации.

Интегратор, входящий в состав сигма-дельта модулятора, формирует спекгр шумов квантования неравномерным, вытесняя их в область выше Fs/2 (характер распределения зависит от порядка модулятора), что улучшает фильтрацию шума. Благодаря линейности однобитного квантователя сигма-дельта АЦП имеют малую интегральную и дифференциальную нелинейности без использования технологии высокоточной лазерной подгонки, что определяет их невысокую стоимость.

Для реализации аналого-цифрового блока ЦУЭЭГ Neurovisor40U (Рис.3) было выбрано многоканальное сигма-дельта АЦП AD7716 фирмы "Analog Devices" (США), имеющего эффективное разрешение на уровне 20 двоичных разрядов при частоте выдачи данных 250 Гц и частоте дискретизации входного сигнала 570 кГц.

-> Многок*-напьиый сигиа-д»льт» АЦП

Рис.З Структурная схема блока АЦП ЦУЭЭГ на основе многоканальных сигма-дельта

преобразователей.

Схема отведении/коммутации каналов ЭЭГ, в том числе выбор референтного электрода* формируется в данном случае программным способом на ПК. Для удержания изолинии ЭЭГ применяется цифровой ФВЧ (реализован на ПК). Частота среза фильтра задается в пределах 0.05-8 Гц в зависимости от типа клинических исследований.

Сложная структура ЦУЭЭГ, объем функциональных задач определяет использование в его составе однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ). ОМЭВМ реализует алгоритмы:

• программирования и чтение данных с АЦП;

• опенки качества наложения электродов путем измерения сопротивления на переменном токе;

• калибровки каналов регистрации ЭЭГ с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти;

• каскадирования нескольких ЦУЭЭГ внутри комплекса с синхронной регистрацией ЭЭГ;

• взаимодействия с внешними устройствами регистрации дополнительных биологических параметров по последовательному каналу;

• самотестирования работоспособности устройства;

• отображения информации на ЖКИ модуле;

• поддержки интерфейса с ПК (при помощи внешнего контроллера).

Для реализации таких алгоритмов ОМЭВМ должна обладать производительностью 8-10 MIPS (миллионов операций в секунду), ОЗУ не менее 256 байт, ПЗУ - 8 Кбайт,

энергонезависимой памятью 512 байт, иметь в своей структуре внешнюю параллельную шину данных.

ЦГЭЗГ I

««га I

! ♦зу-ВУ «е^-ву

р 1 » 8 мг АвГГЧ «тпк

! >г

амэм АТЖЛЖИ к А и Л «ТП№!|

*

Сторонл пациента

ЗЕ

Сторон« ПК

Рис.4 Пример функциональной схемы ЦУЭЭГ.

На. Рис.4 приведена функциональная схема, на Рис.5 внешний вид разработанного ЦУЭЭГ ЛГемгоу;лог 401}.

Рис.5 Цифровой усилитель ЭЭГ сигналов Меигоу15ог40и.

Вторая глава посвящена вопросам разработки устройств фонофотостимуляции в составе цифрового ЭЭГ комплекса.

Рассмотрены основные методики исследования вызванных потенциалов мозга - слуховых, зрительных, эндогенных. Сформулированы технические требования, предъявляемые к устройствам стимуляции:

- Точность синхронизации с ЦУЭЭГ

- Яркость вспышек

- Частота следования вспышек.

- Длительность вспышек

- Интенсивность тонового/импульсного аудиостимула 0-70 дБ*;

- Частота следования тонового/импульсного аудиостимула 0.5-200 Гц;

- Период/длительность

±0.5 мс; 100-1000кд/м2; 0.5-200 Гц; 1-500 мс;

тонового/импульсного аудиостимула 0.1-100 мс; - Точность частотно/временных параметров ±0.1%.

* - интенсивность звука измеряется относительно порога слышимости человека (звуковое давление 20 мкПа).

Достаточно сложные алгоритмы управления процессами фоно- фотостимуляции, поддержка современного интерфейса с ПК определяют построение функциональной схемы устройства на основе ОМЭВМ.

На ОМЭВМ возлагается поддержка алгоритмов:

• генерации управляющих сигналов для блока оптических излучателей с заданными временными параметрами, возможность формирования псевдослучайных последовательностей;

• генерации выходных и управляющих сигналов для блока аудиоусилителя с заданными амплитудными и временными параметрами, возможность формирования псевдослучайных последовательностей и фонового шумового сигнала;

• генерации шумового сигнала в аудиоканале для специального метода исследования слуховых вызванных потенциалов;

• калибровки яркости вспышек, интенсивности звуковой стимуляции с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти;

• детектирования дополнительного внешнего источника питания (при отсутствии внешнего источника питания выходная мощность фоно- и фотостимуляции ограничивается);

• протоколов управления устройством;

• интерфейса с ПК (с помощью внешнего специализированного контроллера).

К ОМЭВМ предъявляются требования: производительность 6-8 MIPS, ОЗУ не менее 128 байт, ПЗУ - 8 кбайт, энергонезависимая память - несколько десятков байт, как минимум два многофункциональных таймера.

Выполнить блок оптических излучателей фотостимулятора возможно на основе:

Импульсной газоразрядной лампы:

• сложность регулирования параметров вспышки -длительности, яркости;

® издает акустический щелчок, что нежелательно при проведении ЭЭГ исследований;

• управляется высоковольтным импульсом, что увеличивает вероятность возникновения емкостной наводки на чувствительные каналы регистрации ЭЭГ;

• низкая стоимость.

Матрицы твердотельных полупроводниковых излучателей:

• гибкое регулирование всех параметров вспышки -длительности, частоты следования, яркости;

• управление низким напряжением;

« ячеистая структура матрицы позволяет без дополнительных затрат организовать паттерн-режим подачи импульсов стимуляции;

• относительно высокая стоимость.

Преимущества твердотельных полупроводниковых излучателей определяют их использование в современных устройствах фотостимуляции. Ранее применение светодиодных матриц возможно было только при конструктивном оформлении стимулятора в виде очков, что объяснялось недостаточной силой света излучателей. Кроме того, светодиоды имели довольно узкий, монохроматичный спектр (использовались обычно красные, длина - волны^660 нм). При проведении ЭЭГ исследований, когда важно психо-эмоциональное состояние пациента, использование таких фотостимуляторов

нежелательно. С развитием технологии микроэлектроники появились так называемые «сверхяркие» свегодиоды, у которых сила света увеличена в 10-15 раз по сравнению со стандартными. Кроме того, спектр излучения некоторых из них существенно расширен и визуально оценивается как белый (рис.6).

Относительная интенсивность

-4

ы

400 ЬСО МО TOD «3D

Длина волны, им

Сила света (1=20мА) Мин. Тип. 1300 мКд 2000 мКд

Макс, ток (имп.) 100 мА

Макс, ток (пост.) 30 мА

Угол вт диаграммы направленности 15 град.

Рис.6 Характеристики светодиода HLMP-CW15 "Hewlett Packard"

Применение матрицы из сверхярких светодиодов позволяет реализовать стандартный конструктив фотостимулятора в виде лампы на штативе.

Акустический блок стимулятора состоит из регулируемого усилителя мощности. Имеется стереофонический разъем для подключения головных телефонов или стационарных акустических систем. В приборе предусмотрен алгоритм калибровки уровня интенсивности звуковой стимуляции с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти.

Третья глава содержит анализ современных компьютерных интерфейсов и обоснования выбора и особенностей применения

интерфейса USB в качестве канала связи устройств ЭЭГ комплекса с ПК.

В Табл. 1 представлены характеристики внешних

интерфейсов современного ПК. Показано, что при

проектировании цифровых ЭЭГ комплексов наиболее целесообразно использовать стандарт USB.

Интерфейс Последовательный (RS232-C) Параллельный (IEEE 1284) US8 FireWire (IEEE 1394)

Скорость передачи даннах 00 11,5 кбайт/сех до 300 , хбайт/с до 1.2 Мбайт/с до 40 Мбайт/с

Количество проводов а кабеле 2-9 8-25 4 в

Наличие питания нет Нет 5 В до 0.5 А 8-40 В до , 1.5 А

Длина соединения до 15 метров доЗ , метров до 5 метров . до 4.5 метров'

Количество устройств - 1 1 до 127 до 63

Уровень реализации физический физический физический логический, сетевой физический логический, сетевой

Табл.1. Основные характеристики внешних интерфейсов ПК.

USB (Universal Serial Bus) - современный скоростной интерфейс для подключения периферийных устройств, появившийся в начале 1996 года. Его основные характеристики:

• Поддержка двух скоростей передачи данных - 1.5 и 12 Мбит/с. Внедряется новая версия стандарта, где пропускная способность повышена до 480 Мбит/с за счет увеличения тактовой частоты на шине.

• Разветвленная сеть протоколов, обеспечивающих передачу логически независимых потоков данных от одного устройства, высокую помехозащищенность.

• Возможность синхронизации потоков данных от различных устройств.

® Используется топология связанных узлов. При этом только одно устройство - концентратор USB (хаб) должно быть присоединено к ПК, а остальные, в свою очередь, подключаются хабу, образуя древовиднуя структуру соединений. Такая схема поддерживает одновременное подключение до 127 устройств USB.

• Поддержка универсального стандарта автоконфигурирования "Plug and Play", который обеспечивает подключение устройства к работающему ПК с автоматическим распознаванием и интеграцией в операционную систему (ОС).

• В разъеме USB имеется линия питания +5В, с мощностью, достаточной для подключения обширного класса современных медицинских приборов.

Применение интерфейса USB предлагает разработчику современных компьютерных медицинских комплексов удобный путь сопряжения устройства с ПК и позволяет забыть о морально устаревших каналах связи и связанных с ними проблемами. Построение ЭЭГ комплекса с использованием единого интерфейса позволяет эффективно решить задачу обеспечения синхронизации потоков данных от различных

устройств - регистраторов ЭЭГ, многофункциональных стимуляторов. Высокая скорость обмена, помехозащищенность, поддержка интерфейса со стороны ОС ПК, максимальная гибкость в подключении устройств к шине - все это, в конечном итоге, увеличивает потребительские качества системы.

Разработка канала связи на основе USB складывается из поддержки стандарта на уровне устройства и написания программного обеспечения на ПК.

Поддержка USB в устройстве подразумевает использование специализированных контроллеров. Они представляют собой достаточно интеллектуальные устройства, значительно облегчающие разработку приборов, обеспечивая поддержку шины на низком уровне - согласование уровней сигнала, кодирование-декодирование данных, проверка CRC кода, адресацию устройства и узлов, буферирование данных. Обеспечение стандарта USB на уровне протоколов осуществляется ОМЭВМ и соответствующим программным обеспечением.

На стороне ПК необходимо разработать драйвера ОС. В настоящее время USB поддерживается в следующих ОС: Windows 98/2000/NT5, MacOS и Linux.

Четвертая глава содержит краткое описание современных методов компьютерной обработки ЭЭГ, используемых в прикладном программном обеспечении:

• спектральный анализ;

• двух- и трехмерное спектральное картирование;

• дипольный анализ.

Выводы.

1. Типовой подход к схемотехнике цифровых усилителей ЭЭГ имеет ряд ограничений и недостатков, отражающихся на технических и потребительских свойствах прибора - крупногабаритные прецизионные конденсаторы в ФВЧ, высокий порядок ФНЧ, схема выборки-хранения и мультиплексор перед входом АЦП, вносящие дополнительные нелинейные искажения и фазовый межканальный сдвиг.

2. Использование современных технологий ЦОС - сигма-дельта аналого-цифрового преобразования, позволяет значительно упростить схемотехническую реализацию цифрового усилителя ЭЭГ. При этом за счет увеличения разрешения АЦП в аналоговом канале уменьшается количество усилительных каскадов, отсутствует ФВЧ, реализуемый программно на ПК. ФНЧ вырождаются в фильтры 1-го порядка из-за передискретизации входного сигнала. Параллельная схема преобразования сигнала лишена дополнительных переключающих элементов, что повышает качество регистрации ЭЭГ.

3. Применение современных ОМЭВМ в составе ЦУЭЭГ, фонофотостимулятора позволяет расширить функционапьные возможности и повысить их потребительские качества.

4. Построение ЭЭГ фотостимулятора на основе современных полупроводниковых излучателей улучшает технические параметры прибора. Конструктив возможно выполнить стандартным, в виде лампы на штативе.

5. Использование единого стандартного интерфейса USB для связи приборов цифрового ЭЭГ комплекса с ПК позволяет не только эффективно организовать обмен информацией,

но и синхронизовать потоки данных от различных устройств. Применение современного интерфейса USB улучшает потребительские качества системы.

Публикации по теме диссертации:

1. Ветвицкий Е.В., Плотников A.B., Прилуцкий Д.А., Селищев С.В. Применение универсального последовательного интерфейса USB в компьютерных медицинских комплексах. II «Медицинская техника».-2000.-№4.-С.З-7.

2. Ветвицкий Е. В., Плотников А. В., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Построение пульсовых оксиметров на основе сигма-дельта преобразователей, // «Медицинская техника».-1999.-№1.-С.31-33.

3. Ветвицкий Е.В., Прилуцкий ДА., Селищев С.В. Цифровой комплекс для ЭЭГ исследований. // Труды Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-2000».- Москва, ВНИИМП РАМН.-24-26 октября 2000.-Том1, С. 75-79.

4. Ветвицкий Е.В. Применение интерфейса USB в компьютерных медицинских комплексах // Тезисы докладов Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2000». - Москва, МИЭТ.-2000.-С.94

5. Ветвицкий Е.В., Плотников A.B. Компьтерный сфигмограф для иследования ритма сердца. И Тезизы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 99». - Москва, МИЭТ,-19-21 апреля 1999.-С.116.

6. Бетвицкий Е.В., Селищев C.B. Применение технологии сигма-дельта преобразователей при построении многоволнового компьютерного пульсоксиметра. И Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-98».-Москва, ВНИИМП РАМН.-6-8 октября 1998.-С. 218-219.

7. Ветвицкий Е.В. Построение пульсоксиметрического канала медицинского мониторинга на основе сигма-дельта преобразователей. // Тезисы докладов Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 98». - Москва, МИЭТ,-1998.-Часть 1, С. 183

8. Ветвицкий Е.В. Универсальный источник питания для портативной медицинской аппаратуры. // Тезисы докладов Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 97». - Москва, МИЭТ.-1997-Часть 1, С. 131.

Более подробно с материалами по теме диссертационной работа можно ознакомиться в сети Internet по адресу wvAv.ecg.iu.