Подход к регистрации и анализу биоэлектрических сигналов

При проведении различного рода исследований в биомедицинской практике, зачастую требуется измерять различные биоэлектрические параметры, накапливать данные о процессах, происходящих в исследуемом биообъекте, а затем производить диагностику,  поиск закономерностей, локализацию различных внутренних процессов и подобные процедуры. Для этой цели создаются различные многочисленные регистраторы тех или иных параметров. Для каждого из них создаётся специализированное программное обеспечение, позволяющее работать с этими регистраторами. Такой подход к решению проблемы исследования биосигналов оптимален только в том случае, если необходимо и достаточно использовать только один параметр. Нередко бывает, что возможных биоэлектрических параметров несколько. Например, в функциональных исследованиях человека могут принимать участие такие биосигналы, как электрокардиограмма, электроэнцефалограмма, кожно-гальваническая реакция и т.п. Использование двух и более регистраторов с их различными программами обработки и анализа становится трудоёмко, неудобно и экономически невыгодно. Таким образом, встаёт проблема создания универсального регистратора биоэлектрических процессов, который бы позволил легко перестроить аппаратно-программную систему под требуемую задачу.

Одним из возможных вариантов решения данной проблемы является объединение нескольких измерительных каналов в одном устройстве, каждый их которых рассчитывается на один биоэлектрический сигнал. Недостатком такой конструкции является ограниченность числа возможных для регистрации биомедицинских параметров, избыточная сложность аппаратной части, что уменьшает эффект от её использования.

Благодаря широкому развитию компьютерных технологий стало возможным ещё одно решение данной проблемы – использование в качестве регистратора усилителя биоэлектрических сигналов с широкой полосной пропускания, которая включает в себя частотные диапазоны практически всех биоэлектрических сигналов. Выделение полезного сигнала будет происходить при помощи цифровых фильтров, находящихся в компьютере.  Также в таком регистраторе необходимо обеспечить регулировку коэффициента усиления измерительного каскада в широких пределах для обеспечения подстройки аппаратной части под тот или иной биоэлектрический сигнал. Таким образом, даже с помощью одного такого измерительного канала, можно регистрировать множество различных биоэлектрических сигналов, применяя при этом одну программу обработки и анализа.

Для анализа сигналов можно применить основные методы, применяемые для анализа сигналов, сгруппированные в модули:

• модуль временного анализа;
• модуль спектрального анализа;
• модуль графического анализа;
• модуль нелинейного анализа;
• модуль динамического анализа и т.п.

При использовании такого подхода была разработана система регистрации и анализа биоэлектрических сигналов (рис. 1). Основное назначение данной системы состоит в предоставлении инструментария для проведения функциональных исследований организма человека с использованием различных биоэлектрических сигналов, выявления сложных зависимостей в сигнале и нерегулярных повышений активности каких-либо внутренних процессов в организме.

Система регистрации и анализа биоэлектрических сигналов обладает следующими возможностями:

• Регистрация  любого биоэлектрического сигнала с человека (ЭКГ, ЭЭГ и т.п.);
• Оцифровка и передача сигнала на персональный компьютер;
• Цифровая фильтрация и сохранение сигнала на компьютере;
• Регистрация событий во время проведения исследования;
• Визуализация получаемого сигнала и его спектра в режиме реального времени;
• Возможность исследования динамики изменения параметров сигнала:
  • Формы сигнала
  • Гистограммы сигнала
  • Частотного спектра сигнала и т.п.
• Построение трёхмерной зависимости амплитуды сигнала от частоты и времени с цветовым картированием;
• Расчёт и визуализация динамики изменения энергии сигнала в выбранных диапазонах частот;
• Возможность гибкой настройки параметров получения исходного сигнала и последующей его обработки.

Рассмотренная выше система может иметь различные области применения, среди которых:

• Функциональная диагностика;
• Спортивная медицина;
• Полиграфические исследования;
• Определение умственной работоспособности и утомления человека;
• Научные исследования;
• Системы бесконтактного управления техникой;
• Лабораторные исследования и др.

(c) Роман Исаков