авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Биотехническая система анализа и совместной обработки информации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КОБЛОВ Александр Васильевич

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА И СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка

информации (в технической отрасли)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2009

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Булдакова Татьяна Ивановна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Дрогайцев Валентин Серафимович

- кандидат технических наук, доцент

Жигулевцев Юрий Николаевич

Ведущая организация: Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов.

Защита состоится «29» сентября 2009 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.04 при Саратовском государственном техническом университете по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 28 » августа 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.В. Алешкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Несмотря на высокий уровень автоматизации процесса управления сложными техническими объектами, главным элементом всех человеко-машинных комплексов остается человек-оператор. Деятельность человека-оператора характеризуется высоким психо-эмоциональным напряжением, что может негативно сказаться на качестве решаемых задач. Поэтому необходим постоянный контроль за физическим состоянием людей, управляющих сложными устройствами, оборудованием, комплексами. Более того, от состояния человека-оператора зачастую зависит не только эффективность работы технических объектов, но и безопасность людей (например, на железнодорожном транспорте, в авиации, при управлении ядерными реакторами). Таким образом, дистанционный мониторинг и анализ функционального состояния человека-оператора являются актуальными для многих сфер профессиональной деятельности, связанной с обслуживанием сложной техники.

В настоящее время имеются различные методики оценки состояния человека-оператора: по кожно-гальванической реакции, по частотно-амплитудному спектру сигналов ЭЭГ (электроэнцефалограмма), по вариабельности сердечного ритма. Для конкретных видов деятельности используют свои подходы. К примеру, на железной дороге в настоящее время внедряется телемеханическая система контроля бодрствования машиниста, которая обеспечивает непрерывный контроль его работоспособности по параметрам электрического сопротивления кожи запястья руки.

Однако одной из наиболее объективных и удобных для автоматизированной обработки является оценка функционального состояния по биосигналам сердечно-сосудистой системы (ЭКГ, пульсограмма и др.). Исследования, отраженные в работах ученых В.П. Казначеева, Р.М. Баевского, К.В. Судакова, А.А.Генкина, А.М. Дворянкина и других, показали, что одновременное использование биосигналов различного функционального происхождения позволяет значительно повысить точность и адресность ранней диагностики, а значит оперативно зафиксировать изменение функционального состояния человека. Более того, с позиций современной теории сложных систем наиболее значимыми индикаторами адаптационных возможностей сложной самоорганизующейся системы являются показатели взаимосвязей образующих их подсистем.





Поэтому практическая реализация дистанционного мониторинга и анализа функционального состояния человека-оператора связана с разработкой биотехнических систем, способных регистрировать биосигналы системы «сердце-сосуды» и производить их совместную аналитическую обработку с целью определения характеристик взаимосвязей, которые могут служить индикаторами адаптационных возможностей организма.

Разработке аппаратно-программных комплексов для медицинской диагностики посвящены работы российских ученых А.П. Кулаичева, Д.А. Прилуцкого, А.В. Плотникова, И.С. Явелова, К.В. Зайченко, В.М. Ахутина, Ю.П. Мухи, С.И. Щукина, Н.И. Калядина, П.Г. Кузнецова и др. Однако возможности аналитической обработки информации в известных комплексах ограничиваются методами статистического анализа каждого из регистрируемых биосигналов без учета их взаимосвязи и без построения моделей системы «сердце-сосуды».

Вместе с тем перспективным представляется модельный подход к обработке биосигналов кардиоцикла на основе методов реконструкции динамических систем, развиваемых в работах Г. Хакена (H. Haken), А. Стефановской (A. Stefanovska), С. Пинкуса (S. Pincus), Г.Г. Малинецкого, С.П. Курдюмова, В.С. Анищенко, Б.П. Безручко и др.

Практическое использование указанных методов для идентификации функционального состояния человека предъявляет дополнительные требования к характеристикам биотехнических систем. В частности, поскольку шумы биосигналов могут в значительной мере исказить результаты реконструкции, то повышенные требования должны предъявляться к помехозащищенности устройств и реализации методов подавления шумов. Кроме того, необходимо обеспечить синхронный съем биосигналов кардиоцикла для адекватной реконструкции (восстановления) фазового портрета системы и построения ее информационной модели.

Таким образом, изложенное выше определило актуальность разработки биотехнической системы, позволяющей проводить оценку функционального состояния человека-оператора по синхронно зарегистрированным и совместно обработанным биосигналам кардиоцикла на основе модельного представления системы «сердце-сосуды».

Целью диссертационной работы является разработка и создание биотехнической системы совместной обработки синхронно регистрируемых биосигналов на основе методов реконструкции и параметрической идентификации моделей системы «сердце-сосуды». Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

  1. Разработка методики совместной обработки данных, полученных при регистрации многопараметрической биомедицинской информации, на основе модельного представления связанных подсистем.
  2. Исследование диагностических возможностей предложенной методики совместной обработки биосигналов для оценки функционального состояния человека-оператора.
  3. Разработка алгоритмов и программ управления синхронным съемом, регистрацией и обработкой данных.
  4. Разработка программного обеспечения и макета биотехнической системы автоматизированной регистрации и совместной обработки информации.

Объектом исследования является биотехническая система регистрации и обработки разнородной информации на основе модельного представления связанных подсистем.

Методы исследования. В основе исследования лежат методы идентификации, нелинейной динамики, реконструкции модельных уравнений динамических систем, цифровой обработки сигналов. Для создания программного обеспечения системы применялась технология объектно-ориентированного программирования с использованием языка Borland Delphi.

Научная новизна полученных результатов:

  1. Поставлена и решена задача совместной обработки разнородных биосигналов на основе реконструкции и параметрической идентификации моделей системы «сердце-сосуды», предложено ее аппаратно-алгоритмическое решение.
  2. Разработана математическая модель пульсовой динамики сосудов, учитывающая связь с электрической активностью сердца, и проведено ее исследование с целью оценки функционального состояния человека-оператора.
  3. Предложены схемотехнические и алгоритмические решения для автоматизированного уменьшения помех, возникающих при электрофизиологических исследованиях, на основе анализа возможных методов их устранения.
  4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение биотехнической системы, позволяющие моделировать взаимодействие подсистем на основе синхронного съема и совместной обработки многопараметрической биомедицинской информации.

Связь работы с крупными научными программами и темами.



Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке:

  1. Министерства образования и науки РФ:
  • Ползуновский грант 2003 года, тема «Мобильный измерительный комплекс для системной оценки состояния здоровья человека», шифр 24-1.15, соискатель являлся научным руководителем данного гранта;
  • аналитическая целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 годы)», тема «Синхронизация сложных процессов и систем. Приложения к задачам биофизики».
    1. Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ):
      • проект 07-07-12066 «Разработка методов модельного анализа биосигналов с целью экспресс-диагностики» (2007-2009 годы).

Данная работа также выполнялась в рамках следующих НИР, проводимых по тематическому плану Министерства образования РФ: «Интеллектуальные технологии диагностики и анализа сложных систем» (2001 г.), «Разработка теории идентификации сложных систем естественного происхождения» (2002 г.), «Исследование принципов идентификации функциональных взаимосвязей сложных биосистем» (2003 г.), «Разработка и исследование нейросетевых методов идентификации с целью диагностики сложных систем (в медицине)» (2004 г.). Проведенные исследования соответствуют направлениям «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Технологии живых систем» Перечня критических технологий федерального значения.

Практическая полезность полученных результатов.

На основе разработанной и реализованной биотехнической системы можно производить синхронный съем, регистрацию, совместную обработку многопараметрической биомедицинской информации с целью выявления взаимосвязей биосистем. Характеристики взаимосвязей служат дополнительным диагностическим критерием в задачах диагностики и оценки функционального состояния человека-оператора.

Предложена инженерная методика проектирования разработанной биотехнической системы иерархической структуры, включающая способ совместной обработки биосигналов на основе реконструкции и модельного представления биосистем.

Материалы диссертации используются в учебном процессе при проведении занятий по курсам «Компьютерное моделирование», «Автоматизированные информационно-управляющие комплексы», «Интегрированные системы», «Разработка программно-методических комплексов автоматизированных систем» на факультете электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета.

Предложенная в работе биотехническая система и алгоритмы совместной обработки биосигналов внедрены в медицинскую практику на кафедре пропедевтики внутренних болезней Саратовского государственного медицинского университета, что подтверждается соответствующим актом.

На защиту выносятся:

  1. Методика совместной обработки многопараметрической биомедицинской информации на основе реконструкции и модельного представления связанных подсистем.
  2. Метод идентификации функциональных связей в сложных биосистемах с помощью аппарата нейронных сетей на примере системы «сердце-сосуды».
  3. Программно-алгоритмическое обеспечение биотехнической системы, позволяющее выполнять оценку функционального состояния человека-оператора на основе синхронного съема и совместной обработки биомедицинской информации.
  4. Биотехническая система, позволяющая выполнить автоматизированную настройку в зависимости от уровня помех и реализовать совместную регистрацию и модельную обработку биосигналов кардиоцикла.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (Саратов, СГТУ, 2004); 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы измерений» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002); Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, ВолгГТУ, 2002); Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, Институт проблем управления РАН, 2003); 6-й Всероссийской конференции «Студенты и аспиранты - малому наукоемкому бизнесу» (Ярославль, ЯрГТУ, 2003); 16, 18 и 20 Международных научных конференциях «Математичесике методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2003; Казань, 2005; Ярославль, 2007); Всероссийской конференции «Человеческий фактор в управлении социальными и экономическими системами» (Пенза, 2006).

Программные продукты, разработанные в рамках диссертационной работы, представлялись на Международной выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации (Новочеркасск, НТИ (ЮРГТУ), 2003) и 9-й Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО – Наука 2003» (Москва, ВВЦ, 2003).

Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение реализовано в автоматизированной системе БАРС, которая зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Личный вклад соискателя. Автором разработано модельное представление системы «сердце-сосуды» для оценки функционального состояния человека-оператора, нейросетевой метод идентификации функциональных связей в биосистемах, а также программно-аппаратное обеспечение макета биотехнической системы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи в научных журналах из списка ВАК России, 3 статьи в сборниках научных трудов, 8 докладов в трудах международных конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Общий объем диссертации составляет 153 страницы. Диссертация содержит 36 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 131 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснованы актуальность исследований, научная новизна и практическая значимость, а также сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе поставлена задача оценки функционального состояния человека-оператора на основе совместной обработки многопараметрической биоинформации. Рассмотрены различные подходы к оценке функционального состояния и проанализированы реализующие их методики. Отмечена перспективность модельного подхода к обработке биоинформации.

Модельная обработка подразумевает наличие или построение модели сигнала, процесса или объекта. Причем если раньше задача заключалась в основном в интерполяции данных эксперимента и получении функциональной зависимости наблюдаемых величин от времени, то сейчас разрабатываются новые подходы к созданию эмпирических математических моделей объектов и явлений в форме модельных дифференциальных или разностных уравнений.

Стандартный подход к построению дифференциальных уравнений по экспериментальным временным рядам опирается на теорему Такенса. В случае регистрации нескольких сигналов от элементов, образующих систему, теорема позволяет получить модель всей системы в стандартной форме, причем в качестве характеристик взаимосвязи элементов системы выступают весовые коэффициенты некоторой нелинейной функции f(t).

Пусть имеются два сигнала x1(t) и x2(t), зарегистрированных в форме временных рядов . Вектор фазовых переменных реконструируется следующим образом:

,

где n1 + n2 = n.

В случае полиномиальной аппроксимации нелинейные функции f1(Y) и f2(Y) представляются в виде полиномов некоторой степени :

где - неизвестные коэффициенты.

Реконструкция динамической системы в рассматриваемом случае подразумевает построение модели, поведение которой качественно совпадает с поведением биосистемы (качественное совпадение видов временных реализаций, структуры бифуркационных множеств в пространстве параметров и фазовых портретов). Отмечено, что для повышения адекватности модельных уравнений процесс реконструкции должен проводиться с учетом априорной информации о системе.

Поскольку биосигналы определяют значения фазовых переменных исследуемых биосистем, необходимо фиксировать их значения синхронно в одни и те же моменты времени. Синхронный съем важен также для исследования характеристик взаимной связи между биосигналами. Только в этом случае процесс регистрации сигнала не будет иметь фазовых искажений, а регистрируемые сигналы будут описывать состояние подсистем в один и тот же момент времени.

В работе предложен обобщенный алгоритм модельной обработки биосигналов, позволяющий по параметрам взаимосвязи оценить состояние человека-оператора. Отмечено, что практическая реализация алгоритма связана с созданием биотехнической системы анализа и совместной обработки биосигналов кардиоцикла на основе структурно-параметрической идентификации взаимосвязей. Показано, что разрабатываемый модельный подход к совместной обработке биосигналов накладывает дополнительные требования к регистрирующей аппаратуре.

Поскольку на практике всегда существует определенная величина рассогласования моментов квантования по времени, обусловленная шумами в электронных схемах, нестабильностью работы синхрогенераторов и многими другими причинами, была выполнена оценка требований к допустимой величине рассогласования моментов квантования при одновременной регистрации нескольких сигналов.

Сформулирована задача создания биотехнической системы, позволяющей синхронно регистрировать и совместно обрабатывать биосигналы кардиоцикла с целью оценки функционального состояния человека-оператора.

Вторая глава посвящена разработке метода совместной обработки биосигналов на основе модельных представлений.

Проведенный анализ статистических методов совместной обработки сигналов показал, что данные методы не учитывают динамику и свойства самих систем, генерирующих временные ряды. Кроме того, был выполнен анализ существующих подходов к построению моделей биосистем, отмечены их особенности и ограничения, связанные с учетом взаимовлияния подсистем. Отмечено, что в универсальных алгоритмах реконструкции не учитывается априорная информация о реконструируемой системе, поэтому такая форма представления реконструируемой модели не отражает особенностей функционирования реальной системы.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.