Автоматизированная система для исследования переходных характеристик биоимпеданса

Внедрение: 2017 г.

Ранее мы публиковали статью, в которой модуль E20‑10 использовался в задаче снятия вольтамперных характеристик биологических точек по постоянному току. Мы продолжаем тему исследования биоимпеданса с применением модуля E20‑10 уже при импульсных токах воздействия.   

В статье курских учёных из Юго-Западного госуниверситета [1] предложена параметрическая модель электрического сопротивления биоматериала, построенная на основе анализа переходного процесса (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема многоэлементного RC‑двухполюсника, эквивалентного электрическому сопротивлению биоматериала.

Модель предназначена для формирования пространства информативных признаков для интеллектуальных систем прогнозирования инсультов. Для построения пространства информативных признаков используется анализ биоимпеданса в экспериментах in vivo в пяти биоактивных точках (БАТ). Параметры модели в каждой БАТ определяются посредством построения уравнения нелинейной регрессии по результатам отсчетов напряжения переходных характеристик в БАТ. Импеданс в БАТ представлен в виде пассивного двухполюсника с неизвестными сопротивлением и емкостью. Пространство информативных признаков для каждой БАТ формируется в виде двух временных рядов, каждая пара компонентов которых описывает параметры модели биоматериала в заданный момент воздействия импульсом Хэвисайда, а сами элементы рядов – эволюцию сопротивления и емкости параметрической модели электрического сопротивления БАТ в процессе воздействия на биоматериал импульсами Хэвисайда.

Рисунок 2. Функциональная схема автоматизированной системы исследования переходной характеристики в БАТ.

Разработана автоматизированная система для исследования переходных характеристик биоимпеданса, включающая дизайн интерфейсных окон и унифицированный модуль для генерации нормированного воздействия и оцифровки сигнала ответной реакции биообъекта. В качестве блока преобразования при исследовании переходных характеристик БАТ использован модуль быстродействующего АЦП с USB 2.0 с интерфейсом E20‑10. 

В режиме исследования переходных процессов реализована процедура «воздействие-реакция» в режиме реального времени.

Рисунок 3. Эпюры напряжения биоматериала: а – входного; б – выходного.

При реализации этого режима не используются дополнительные схемы сопряжения биообъекта и E20‑10 L‑Card, так как нет необходимости в дополнительном усилении как сигнала, поступающего с ЦАП, так и сигнала, поступающего на АЦП. Это объясняется тем, что в переходном режиме сопротивление биообъекта мало, а ток через биообъект велик, что позволяет обрабатывать входной сигнал E20‑10 L‑Card без предварительного усиления.

Риcунок 4. Результат эксперимента для расчетов параметров модели переходных характеристик (вверху) и увеличенный фрагмент ступеньки (внизу).

Представлены функциональные схемы аппаратной части устройства для исследования переходных характеристик БАТ.

Риунок 5. Функциональная схема аппаратной части устройства для анализа переходных характеристик в БАТ.

Рисунок 6. Динамика изменения: верхний график – R1; нижний график – C1.

Рисунок 7. Интерфейс программного продукта.

В качестве среды разработки программного обеспечения для автоматизированной системы используется C++ Builder 6.

Выводы:

• Предложена параметрическая модель электрического сопротивления биоматериала, построенная на основе анализа переходного процесса.
• Разработана автоматизированная система для исследования переходных характеристик биоимпеданса, включающая дизайн интерфейсных окон и унифицированный модуль для генерации нормированного воздействия и оцифровки сигнала ответной реакции биообъекта.

Источник:
Ефремов М.А., Старцев E.A., Рыбочкин А.Ф., Шаталова О.В., Серебровский В.В. Модели формирования пространства информативных признаков для прогнозирования инсультов по результатам исследования переходных процессов в аномальных зонах электропроводности в экспериментах in vivo // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. – 2017. – Т. 7, № 3 (24). – С. 120‑131.

Разработчик: Ефремов М.А., Старцев E.A., Рыбочкин А.Ф., Шаталова О.В., Серебровский В.В. (ФГБОУ ВО «Юго-Западный гос. университет», Курск)