4.3. Принципы построения МПКС

В МПКС можно выделить три основные составляющие: медицинское, аппаратное и программное обеспечение.

Медицинское обеспечение любой медицинской систе­мы — это комплекс медицинских предписаний, нормати­вов, методик и правил, обеспечивающих оказание меди­цинской помощи посредством этой системы.

Под аппаратным обеспечением понимают способы ре­ализации технической части системы, включающей сред­ства получения медико-биологической информации, сред­ства осуществления лечебных воздействий и средства вы­числительной техники. В самом общем виде блок-схема аппаратной части такой системы представлена на рис. 4.1.

В качестве вычислительного средства в МПКС исполь­зуют как специализированные микропроцессорные устрой­ства, так и универсальные ЭВМ. В обоих случаях принци­пы построения аппаратного обеспечения аналогичны. В то же время, включение в состав аппаратной части компью­теров позволяет использовать стандартные программные продукты и стандартные средства хранения информации, такие как лазерные диски, накопители на жестких маг­нитных дисках, гибкие диски и прочее.

В простейшем типовом случае аппаратная часть систе­мы включает медицинский диагностический прибор, уст­ройство сопряжения и компьютер.

К программному обеспечению относят математические методы обработки медико-биологической информации, ал­горитмы и собственно программы, реализующие функци­онирование всей системы.

Медицинское обеспечение разрабатывается постановщи­ками задач — врачами соответствующих специальностей, аппаратное — инженерами, специалистами по медицинс­кой и вычислительной технике. Разработка специализи­рованных микропроцессорных устройств ложится на спе­циалистов по микроэлектронике. Программное обеспече­ние создается программистами или специалистами по компьютерным технологиям.

В аппаратуре съема медико-биологической информа­ции осуществляется преобразование физических характе­ристик состояния пациента в форму аналоговых электри­ческих сигналов. Под аналоговым сигналом понимают непрерывный электрический сигнал, один из параметров которого (например, напряжение) соответствует интенсив­ности биофизической характеристики (например, темпе­ратуре тела, органа, ткани).

В то же время, компьютер может обрабатывать инфор­мацию, представленную только в цифровой форме. Вся другая информация (например, биосигналы) для обработ­ки на компьютере должна быть преобразована в число­вую форму. Поэтому аналоговые сигналы, получаемые ап­паратурой съема медико-биологической информации, для ввода в компьютер должны быть преобразованы в цифро­вую форму.

Под цифровой формой здесь понимается представле­ние сигнала в двоичной системе счисления, где наличие электрического сигнала соответствует цифре 1, а отсут­ствие — цифре 0.

Одним из стандартных устройств преобразования не­прерывного электрического сигнала в серию отдельных цифровых сигналов для ввода информации в компьютер или микропроцессорное устройство, воспринимающее толь­ко цифровую информацию, служит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (рис. 4.2).

На вход АЦП подается аналоговый сигнал, на выходе получаем цифровой. Рассмотрим пример. Пусть имеется двухразрядный АЦП и аналоговый входной сигнал ли­нейно возрастает от нулевого до максимального значения. Изменения выходного сигнала представлены на рис. 4.3.

Цифровой выход i V

11

10

01

00

0 0,25 0,5 0,75 Мах Аналоговый вход

Рис. 4.3. График зависимости цифрового выхода двухразрядного АЦП при линейно возрастающем аналоговом выходном сигнале

Наиболее важными характеристиками АЦП являются разрядность и быстродействие. С разрядностью связана точность преобразования сигнала. В нашем примере мак­симальная ошибка преобразования — 25 % (1/4). Если возьмем 8-разрядный (1 байт) преобразователь АЦП, то в этом случае будет 256 градаций выходного сигнала и по­грешность уже будет около 0,5% и т.д.

С быстродействием связана возможность передачи бы­стро изменяющихся сигналов. Рассмотрим частотное пред­ставление аналогового сигнала. Любой сигнал может быть представлен набором определенного количества синусоид. И чем быстрее изменяется сигнал, тем больше синусоид требуется для адекватного представления сигнала.

Представление сигнала в виде набора синусоид назы­вается спектром сигнала. Принято говорить о максималь­ной частоте спектра сигнала. АЦП должен работать с ча­стотой, вдвое превышающей максимальную частоту спек­тра сигнала.

Например, принято считать, что для электрокардио­граммы максимальная частота спектра составляет 100 Гц. Следовательно, для удовлетворительного представления не­прерывного сигнала кардиограммы в дискретном виде отсчеты должны быть по крайней мере вдвое чаще, чем максимальная частота спектра, т. е. в нашем примере — 200 отсчетов в секунду (200 Гц). На практике используют еще более высокую частоту дискретизации. Обычно при­нято при дискретном представлении ЭКГ брать 400 отсче­тов в секунду. Тогда ЭКГ передается практически без ис­кажений.

Подключение внешних устройств к компьютеру осу­ществляется через порты и разъемы расширения. Порты служат для ввода данных, представленных в определен­ном виде, т.е. поддерживают определенный интерфейс. Под интерфейсом понимают технические средства и про­токолы взаимодействия, предназначенные для стыковки и сопряжения всех составных частей системы. В компью­терах используются так называемые малые интерфейсы периферийного оборудования: последовательный (RS-232C) и параллельный (Centronics).

Последовательный порт поддерживает интерфейс RS- 232С. В этом случае передача данных осуществляется по­следовательно во времени поразрядно (бит за битом). Пре­имуществом последовательного интерфейса является воз­можность передачи данных на большие расстояния (до нескольких километров). Недостатком является относи­тельно низкое быстродействие. Он применяется для связи с медаппаратурой, другими компьютерами и т. д.

Параллельный порт поддерживает интерфейс Centronics. В этом случае передача данных осуществляется сразу по целому байту (8 разрядов) по параллельным проводам. Пре­имуществом параллельного интерфейса является быстро­действие, недостатком — возможность передачи только на малые расстояния (до нескольких метров). Обычно при­меняется для связи с принтерами.

Разъемы расширения используются для непосредствен­ного подключения внешних устройств к шине компьюте­ра, т. е. используется машинный интерфейс. Это самый быстродействующий интерфейс, но и расстояние его ми­нимально, т. е. само устройство должно располагаться не­посредственно в корпусе системного блока.

Для ввода в компьютер аналоговых сигналов медицин­ской аппаратуры их необходимо не только преобразовать в цифровую форму, но и привести в соответствие с неко­торыми интерфейсами. Для этого необходимо устройство связи — УС (рис. 4.4).

Типичный вариант интерфейса для связи между меди­ко-биологическими измерительными и исполнительными устройствами с компьютером представлен на рис. 4.5.

В этом случае устройства сопряжения включают в себя, как минимум, аналоговый мультиплексор, аналого-циф­ровой (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

Значения входных сигналов (например, температуры тела, артериального давления, частоты сердечных сокра­щений и т. п.) преобразуются датчиками в электрические сигналы. Эти электрические сигналы нормируются с уче­том рабочих диапазонов аналогового мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя. Аналоговый мульти- плексор в каждый момент времени последовательно вы­бирает один из входных сигналов и передает его в АЦП.

Данные, полученные через интерфейс АЦП, обрабаты­ваются компьютером и затем пересылаются в форме дво­ичного кода в интерфейс ЦАП. Последний преобразует двоичные сигналы в аналоговые для обеспечения управ­ления соответствующими физиологическими параметра­ми организма (температура тела, артериальное давление, частота сердечных сокращений), например, путем введе­ния необходимых лекарственных средств, что позволяет осуществить систему управления с обратной связью.

Основными путями реализации интерфейсов в рассмат­риваемом типовом случае являются следующие:

1. Использование малых интерфейсов периферийного оборудования и устройств общего пользования компьютера.

2. Непосредственное использование машинных интер­фейсов компьютера.

Программное обеспечение МПКС не менее важно, чем аппаратное, т. е. техническое (В. Дюк, В. Эммануэль, 2001). Наиболее совершенные устройства оснащены так называемым «интегрированным» программным обеспече­нием, благодаря которому врач получает целостную сис­тему, охватывающую весь процесс исследования, включа­ющий этапы подготовки, проведения исследования и об­работки данных. В таком программном обеспечении выделяют шесть основных функциональных разделов (мо­дулей):

1) подготовка обследования;

2) проведение обследования;

3) просмотр и редактирование записей;

4) вычислительный анализ;

5) оформление заключения;

6) работа с архивом.

Подготовка обследования.

ративной памяти), отображения данных на экране мони­тора. Кроме того, заполняется паспортный бланк испыту­емого. Все эти установки врача запоминаются в дисковом файле и в дальнейшем выполняются автоматически.

Проведение обследования. Традиционно в данном мо­дуле производится отладка съема биоэлектрических сиг­налов и запись их согласно сделанным установкам с па­раллельным отображением их на экране монитора для визуального наблюдения и контроля. Кроме того, многие такие системы содержат средства ручного управления как записью, так и стимуляторами. Наиболее совершенные системы содержат также средства экспресс-анализа и ви­зуализации их результатов в режиме реального времени, что позволяет клиницисту выделять уникальные, стацио­нарные или конституциональные сегменты изменения сигнала для записи их в буфер или на диск, а также при необходимости реализовывать терапевтические методики биологической обратной связи.

Просмотр и редактирование записей. По окончании об­следования необходимо просмотреть полученные записи, чтобы выделить сегменты, представляющие интерес для дальнейшего анализа, и удалить артефакты.

Обычными средствами здесь являются плавное движе­ние записи, масштабирование и позиционирование кана­лов, а также Использование подвижных визиров для счи­тывания амплитуд и временных интервалов или для вы­деления и удаления участков записи.

Более совершенные системы предлагают дополнитель­ные средства: автоматический поиск артефактов, фильт­рацию сигнала, выделение экстремумов, вычитание или сложение сигналов по двум выбранным каналам, оценку площади на характерных участках и т. п.

Вычислительный анализ. Этот модуль включает разно­образные методы анализа записей и графического пред­ставления результатов. Так, например, одним из весьма динамичных физиологических показателей является ЭЭГ. В качестве базового математического метода здесь обыч-

6. Зак. 549

но используют Фурье-анализ с вычислением различных частотных характеристик (амплитуда, мощность, когерент­ность, фаза) и обобщенных параметров в выделенных ча­стотных диапазонах (дельта, тета, альфа, бета) с изучени­ем их временной и пространственной эволюции.

Традиционным способом представления результатов яв­ляется построение различных диаграмм и цветных карт (топограмм) распределения тех или иных характеристик ЭЭГ на поверхности головы. В настоящее время получила распространение, электроэнцефалографическая томогра­фия, заключающаяся в вычислении трехмерных диполь- ных моделей локализации источников ЭЭГ — сигнала (на­пример, система BrainLock). Такие модели полезны при определении морфологических нарушений, связанных с пароксизмальной активностью мозга.

При анализе ЭКГ, являющейся следующим по степени сложности физиологическим показателем, первостепенный интерес для врача представляют временные изменения и статистика распределения структурных параметров: вре­менных интервалов (RR, PQ, QRS, ST) и амплитуд (Р, R, ST, Т) с выдачей описательной статистики, временных графиков, гистограмм и диаграмм рассеяния.

При анализе таких физиологических показателей, как реограмма (РГ), электромиограмма (ЭМГ), кожно-гальва- ническая реакция (КГР), спирограмма и т. п., врача глав­ным образом интересуют показатели различных структур­ных отношений, латентности, диапазона изменения сигна­ла, скорости его возрастания и уменьшения, интегральные характеристики (площади под участком кривой с учетом или без учета знака) и др. Для такого типа сигналов обычно используют ручное считывание визирами основных амп­литудных и интервальных параметров по индивидуаль­ным волнам или по результатам усреднения серии волн и накоплению их в специальном внутреннем массиве.

Далее с помощью введённых формул могут вычислять­ся различные индексы и производные характеристики (на­пример, жизненная или остаточная емкость легких), вы-

подняться разнообразные алгебраические преобразования, а также строиться графики различных зависимостей и про­изводиться статистические оценки.

Оформление заключения. Словесное заключение, ко­торое делается по результатам анализа и сопровождает конкретную запись биосигналов, необходимо для доку­ментального завершения проведенного исследования. Од­нако автоматизация процесса оформления заключения встречает значительные трудности, характерные для раз­работки экспертных систем.

Поэтому в большой части МПКС генерация заключе­ния осуществляется самим клиницистом без использова­ния каких-либо «экспертных оболочек», путём выбора со­ответствующих полей из ранее созданной и предлагаемой ему так называемой «древовидной классификации» воз­можных отклонений от нормы, симптомов, синдромов и нозологических форм. Даже в системах, где реализованы алгоритмы автоматической генерации заключения, такие заключения следует рассматривать лишь как предвари­тельные, предназначенные для того, чтобы обратить вни­мание клинициста на основные отклонения измеряемых параметров от пределов физиологической нормы. Такие предварительные заключения нуждаются в дальнейшей верификации и ручной корректировке.

Работа с архивом. Структурированное хранение резуль­татов физиологических обследований дает возможность оперативно анализировать их динамику, зарегистрирован­ную в разное время, а также позволяет быстро генериро­вать статистические и отчетные материалы. Это весьма актуальная проблема, поскольку объем данных, храни­мых врачом функциональной диагностики, нарастает ла­винообразно. Поэтому наиболее важной функцией этого модуля является организация поиска записей по их спе­цифическим характеристикам (план и условия исследо­вания, сведения о пациенте и т. п.).

В этот же модуль нередко включают специальный ин­терфейс для создания банка нормативных записей (как

163

индивидуальных, так и усредненных), а также справоч­ника записей, характерных для различных патологий.

Интерфейс пользователя. Современное программное обеспечение должно обеспечивать так называемый «друже­ственный» интерфейс пользователя. Понятие «дружествен­ный интерфейс» подразумевает наглядное представление информации на экране монитора, использование набора «меню» и манипулятора «мышь», наличие как контекст- но-зависимой справочной системы, так и справочной сис­темы по оглавлению, учет возможности ошибок пользова­теля, в частности, присутствие требования подтверждения при выполнении команд, ведущих к потере информации, и другие приемы, облегчающие работу с системой.