Прикладное программное обеспечение для автоматизированных диагностических, терапевтических и лабораторных систем и комплексов

Компьютерный анализ электрофизиологических сигналов.

Сбор, обработка и автоматизированный анализ физиологической информации человека являются важнейшей составной частью многих диагностических методов современной медицины. Компьютерные системы сбора и математической обработки электрофизиологических сигналов являются сложными аппаратно-программными комплексами, состоящими из множества программных компонент, выполняющих функции регистрации биомедицинской информации (БМИ), ее обработки и системного анализа, а также диагностические и сервисные операции. Основным подходом к проектированию подобных комплексных систем долгое время была реализация монолитной программной архитектуры с заранее определенной функциональностью, обеспечиваемой жестко связанными друг с другом программными компонентами. Функциональные свойства подобных систем практически невозможно было расширить, так как они были способны выполнять лишь те функции, которые были заложены на этапе проектирования. Однако современные требования, предъявляемые к данным системам, в значительной мере, связаны с возможностями постоянного расширения и наращивания их функциональных свойств. Важными проблемами являются также универсализация биомедицинского программного обеспечения, под которой, прежде всего, понимается проблема повторного использования кода, и преодоление имеющихся препятствий на пути интеграции разнородных компьютерных биомедицинских систем (БМС).

За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в области проектирования сложных программных систем, который в корне изменил подход к их разработке и моделированию. Однако отсутствие соответствующих стандартов не позволяет полностью воспользоваться преимуществом нового подхода. Успехи процесса стандартизации, в значительной степени, состоят в разработке документов рекомендательного характера, регламентирующих инфраструктуру низшего звена — протоколов обмена, форматов файлов данных, медицинских записей и сообщений, а также концептуальные модели взаимодействия систем. Вне рассмотрения остается, так называемое, промежуточное программное обеспечение (ПО) (англ. middleware), под которым понимается определенный функционально законченный набор программных средств, интегрированных в рамках выбранной операционной системы (ОС), обеспечивающий прозрачную работу программ в неоднородной среде. Неоднородными средами, с точки зрения информатики, являются системы (локальные или глобальные), состоящие из компонент, не совместимых друг с другом с точки зрения программного окружения.

Таким образом, для реального обеспечения взаимодействия разнородных программных и аппаратных систем необходима выработка единых спецификаций программных интерфейсов ПО промежуточного звена. В данный момент эта работа имеет высокий приоритет у ведущих мировых учреждений по стандартизации, хотя и далека до завершения.

С этой точки зрения актуальным является исследование общих свойств компьютерных биомедицинских систем и разработка с учетом требований современных стандартов единых информационных моделей их функционирования. Реализация на этой основе универсальной объектно-ориентированной инфраструктуры, под которой понимается множество программных компонент и интерфейсов с четкой регламентацией возможностей их использования, дает возможность перейти от монолитной программной архитектуры к компонентно-ориентированной распределенной, решить проблемы универсализации программного обеспечения (ПО) и значительно повысить экономическую эффективность разработок.

ЭЭГ-сигнал: его особенности

Электроэнцефалография (ЭЭГ) - метод исследования деятельности головного мозга животных и человека; основан на суммарной регистрации биоэлектрической активности отдельных зон, областей, долей мозга. ЭЭГ применяется в современной нейрофизиологии, а также в неврологии и психиатрии.

Работа мозга сопровождается электрической активностью, которую можно записать в виде электроэнцефалограмм. ЭЭГ дает некую интегральную запись деятельности мозга; наивно ожидать от расшифровки подобной записи, скажем, содержания мысли. Например, специалисты, занимающиеся наладкой и ремонтом компьютеров, прекрасно понимают "язык" импульсных диаграмм или эпюр потенциалов, снимаемых в различных точках электронных схем. Но даже такой специалист, как бы тонко он ни чувствовал "пульс" компьютера, сможет сказать только одно - правильно работает компьютер или неправильно. И ни один из них, глядя только на экран осциллографа, на показания других измерительных приборов, не зная схемы машины, принципов ее работы, не сможет сказать, какую же задачу она решает: то ли она вычисляет корень квадратного уравнения, то ли обрабатывает платежную ведомость.

Электрическая активность мозга мала и выражается в миллионных долях вольта; её можно зарегистрировать лишь при помощи специальных высокочувствительных приборов и усилителей, которые называются электроэнцефалографами.

Регистрация ЭЭГ осуществляется наложением на голову металлических пластинок (электродов), которые соединяют проводами со входом аппарата. На выходе получается графическое изображение колебаний разности биоэлектрических потенциалов живого мозга.

Наиболее часто для анализа используются четыре основных ритма.

Дельта-ритм. Частота 0.5-3 Гц, амплитуда, как правило, превосходит 40 мкВ, иногда при сильных патологиях может достигать 300мкВ.

Тета-ритм. Частота 4-6 Гц, амплитуда такая же, как и у дельта-ритма.

Альфа-ритм. Частота 8-13 Гц, амплитуда до 100мкВ. Является наиболее информативным и, в большинстве случаев, доминирующим при анализе ЭЭГ. Лучше всего выражен в затылочных отделах. По направлению к лобным отделам его амплитуда уменьшается. Наибольшую амплитуду альфа-ритм имеет в состоянии спокойного расслабленного бодрствования, особенно при закрытых глазах. В большинстве случаев достаточно регулярно наблюдаются спонтанные изменения амплитуды, так называемые модуляции альфа-ритма, выражающиеся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн с образованием характерных “веретен” - амплитудно-модулированных колебаний ЭЭГ, длительность которых может быть от 2 до 8 секунд.

Бета-ритм. Частота 14-35 Гц, амплитуда в норме не более 15 мкВ.