УДК 621.28

АВТОМАТИЗАЦИЯ СБОРА И АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИИ В УПРАВЛЯЕМОМ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Альбертин Сергей Викторович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт Физиологии Им. И.П. Павлова российской академии наук, г. Санкт-Петербург
Старший научный сотрудник, лаборатория физиологии высшей нервной деятельности

Аннотация
Разработан аппаратно-программный комплекс для автоматизированного сбора и анализа информации в управляемом электрофизиологическом эксперименте, отличительной особенностью которого является введение гибких систем контроля и управления работой электро-физиологической установки. Аппаратно-программный комплекс обеспечивает возможность осуществления непрерывного мониторинга экспериментатором получаемой информации, ее индикацию, выборочный анализ, а также надежную регистрацию и сохранение данных не только в цифровой, но и аналоговой форме, что допускает производить оценку и коррекцию результатов эксперимента в стандартных условиях и в поисковом режиме.

Ключевые слова: автоматизированный сбор и обработка информации, маркировка, мониторинг и выборочный анализ биопотенциалов, оптимизация человеко-машинного интерфейса, электрофизиологический эксперимент


AUTOMATED ELECTROPHYSIOLOGICAL EXPERIMENT: SEEKING OF ALTERNATIVE APPROACHES

Albertin Sergey Viktorovich
Federal State Institution of Science Institute of Physiology I.P. Pavlova Russian Academy of Sciences, St. Petersburg
Senior scientist, laboratory of physiology of higher nervous activity

Abstract
Programmable apparatus system designed for automatic collection and treatment of physiological data in controlled biomedical experiment was developed. A salient feature of presented apparata system is introducing of flexible programmable links which provide executive commands for operation and control of biomedical experiment. Programmable apparatus system provides continuous monitoring, marking, selected analysis and recording of biopotentials in digital as well as analogous forms giving additional facilities for human-computer interface in standard and biofeedback experiments.

Keywords: ; marking, automatic collection and treatment of physiological information, human-computer interface, monitoring and selected analysis of evoked potentials, programmable biomedical experiment


Рубрика: 03.00.00 БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Альбертин С.В. Автоматизация сбора и анализа информации в управляемом электрофизиологическом эксперименте // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/08/57013 (дата обращения: 20.11.2016).

В настоящее время в биомедицинских исследованиях широко используются возможности мощных персональных компьютеров, обладающих высоким быстродействием и большим объемом оперативной и дисковой памяти, разработаны и применяются разнообразные математические программы обработки регистрируемых биопотенциалов [1, 264С.; 2, С.519-605]. Вместе с тем в научной литературе неоправданно мало внимания уделяется вопросам оптимального взаимодействия компьютерной техники с тестирующей, преобразовательной и контрольно – измерительной аппаратурой, входящей в состав автоматизированных систем сбора информации в исследовательском эксперименте [3, P.31]. Особенно это относится к психофизиологическим экспериментам с формированием биологической обратной связи, требующим совмещения высокой стандартизации (повторяемости) условий тестирования с возможностью изменения условий эксперимента, экстренного подключения необходимых приборов и устройств в зависимости от текущих результатов опыта, состояния тестируемого объекта (испытуемого) и требуемого изменения параметров регистрации тестируемых вызванных биопотенциалов (ВП) [1, 264С; 3, P.31]. Важное значение в этих условиях имеет минимизация артефактов при введении биопотенциалов в компьютер в on line режиме, возможность непрерывного мониторинга экспериментатором получаемой информации, ее индикация, выборочный анализ, а также надежная регистрация и сохранение данных не только в цифровой, но и нативной (аналоговой) форме, допускающей производить экстренную оценку и коррекцию результатов эксперимента.

Рис. 1. Блок схема стандартной установки для регистрации биопотенциалов испытуемого. Пунктиром на схеме обозначен блок устройств взаимодействия с объектом исследования.

Рис. 2. Блок-схема установки для автоматизированной регистрации и анализа вызванной био-электрической активности испытуемого. Пунктиром обозначен блок устройств взаимодействия с объектом исследования, штрих-пунктиром – блок фоторегистратора ФОРПМ.

Решение данной задачи с помощью стандартных компьютерных систем (рис.1), используемых для сбора и анализа биопотенциалов является проблематичным. Следует учесть, что при компьютерном усреднении биопотенциалов нельзя различить индивидуальные ВП в суперпозируемых ответах. Машинное усреднение форм ВП по сериям подавляет индивидуальные особенности ВП в серии, поэтому, по данным ряда исследователей [1, 264С; 3, P.31] , при большом разбросе форм ВП мониторинг невозможен. Кроме того, многие ЭЭГ- феномены (пик-волны, спайки, пароксизмальные разряды, сонные веретена и т.д.) практически не поддаются прямому компьютерному анализу, что затрудняет машинную селекцию и статистический сбор тестируемых биопотенциалов, а также интерпретацию полученных при этом результатов.

При использовании стандартных систем сбора информации также ощущается острый недостаток средств визуального контроля, маркировки и выборочного анализа биопотенциаов, а также отсутствие надежных дублирующих аппаратно-программных средств, обеспечивающих со-хранение данных и продолжение запланированного эксперимента при возникновении различных внештатных ситуаций: программных ошибках, сбоях дисковой памяти, «зависании» используемой операционной системы, аппаратных неисправностях компьютера и устройства ввода/вывода сигналов.

Одним из возможных решений вышеуказанных проблем электрофизиологического эксперимента с использованием компьютерной техники является введение полуавтоматического режима работы экспериментальной установки, предусматривающего передачу части функций, связанных с программированием эксперимента, управлением тестирующей, преобразовательной и регистрирующей аппаратуры, от компьютера специализированному электромеханическому устройству – коммутатору, выполненному на релейных схемах и контролируемому оператором (см. блок-схему на рис.2).

Рис.3. Принципиальная схема автоматизированной экспериментальной установки. Пунктиром выделен фоторегистратор с программным механизмом и маркиратором. Кн1, Кн.2, Т1-Т5 – пульт управления экспериментатора. Спецификация остальных элементов установки дана в тексте статьи.

На рис. 3. показана разработанная нами схема автоматизированной установки для сбора и анализа вызванной биоэлектрической активности (ВП, ЭЭГ, КГР и зрачковых реакций) с использованием сконструированного нами инновационного устройства – фоторегистратора с управляющим программным механизмом и специальным маркиратором (ФОРПМ), использование которого позволяет оптимально организовать человеко-машинный интерфейс в системе управляемого электрофизиологического эксперимента с использованием персонального IBM компьютера [4, С.62].

Состав и устройство установки. ФОРПМ (на схеме выделен пунктиром) является основным элементом предлагаемой автоматизированной установки. Он выполнен на базе венгерской фотокамеры TYP MFI-1 со снятым затвором (может быть также использована любая стандартная фотокамера, при этом используется лишь ее корпус, объектив и фотокассеты – ФК) и включает в себя следующие дополнительно введенные узлы и элементы: электродвигатель Д, который посредством редуктора связан с цейтрафером 1 лентопротяжного механизма и с кулачковыми механизмами К1, К2, К3 и К4, толкатели которых упираются в подпружиненные к ним контактные выключатели КВ1-КВ4; пусковое реле Р1; кнопку двигателя Кн1; прозрачную фотоленту с нанесенной маркирующей записью – фотожурнал (ФЖ), которая располагается перпендикулярно экспонируемой пленке 2, контактирует со светочувствительным слоем последней и проходит через дополнительно проточенный фильмовый канал и лентопротяжный механизм фотожурнала. Лентопротяжный механизм содержит цейтрафер3, укрепленный на распредели-тельном валу редуктора, приемную 4 и подающую 5 катушки и шкив подмотки 6, а также опорную панель 7 для экстренного ручного нанесения (фломастером, маркером) информации в предназначенные для этого кадры ленты фотожурнала (рис.3). Фотоимпульсная лампа (ФИЛ) укреплена в проеме окна тубуса фоторегистратора и предназначена для экспонирования маркирующей записи. Маркирование производится на отдельный кадр экспонируемой пленки с помощью маркирующей ленты – фотожурнала, ортогонально вводимой в плоскость кадрового окна фото-регистратора ФОРПМ (рис. 4).

Данный способ маркировки позволяет автоматизировать процесс маркирования с сохранением возможности экстренного ручного введения информации в маркирующий кадр; за счет увеличения маркировочного поля вводить информацию не только в кодированном виде, но и в виде лаконичной записи конкретных значений; с другой стороны, их последовательность, занесенная заранее на единую ленту – фотожурнал, освобождает экспериментатора от необходимости ведения протокола в процессе опыта. Программный кулачковый механизм ФОРПМ управляет фоторегистратором и маркирующим устройством, позволяет с помощью контактных выключателей КВ1-КВ4 отрабатывать подачу стимулов и подключать внешние устройства, а также автоматизировать работу экспериментальной установки посредством коммутации ее электрических цепей. Выполнение ФОРПМ вышеуказанных функций осуществляется без участия компьютера, что позволяет применить в составе предлагаемой установки несложные схемы АЦП/ЦАП контроллеров для оцифровки и ввода в компьютер регистрируемых биопотенциалов [5, С.559], подключаемых к последовательному или параллельному портам компьютера, управления сигналом внешней обратной связи, а также значительно упростить написание программ управления и обработки данных. Кроме устройства управления, представленного вышеописанным фоторегистратором с программным управлением и маркирующим устройством (ФОРПМ) в состав экспериментальной установки (см. схему) входят следующие приборы и устройства, предназначенные для тестирования испытуемого (на схеме – объект исследования ОИ), преобразования сигналов и регистрации биопотенциалов: ЭСУ1–электростимулятор 2-х канальный (осуществляет запуск тестируемых сенсорных сигналов); ИБ1 и ИБ2 – изолирующие блоки в выходных цепях 1-го и 2-го каналов ЭСУ1; С1-18 – осциллоскоп 2-х канальный; УБП2-03 – усилитель биопотенциалов; ЧМ – частотный модулятор; О - микрофон; ПС-100 – пересчетный прибор; МЖ – мультивибратор ждущий; ФИЛ – стандартная фото-импульсная лампа; “Синхроконтакт”– клеммы подключения цепи запуска ФИЛ; ФОР – фоторегистратор стандартный (Институт физиологии им. А.А. Богомольца, Киев); “Синхро” ФОРа – клеммы нормально-разомкнутой контактной пары реле, срабатывающего синхронно с затвором; МАГ – магнитофон; Дн – динамик для звуковой обратной связи; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ПК – персональный IBM компьютер; ИП – инфракрасный пупилометр для регистрации зрачковых реакций [6, С330]; Кн.1, Кн. 2, Т1-Т5 – пульт управления (спецификация дана на схеме).

Рис. 4. Схема маркировки регистрируемых биопотенциалов с использованием ФОРПМ. 1 – экспонируемая пленка фоторегистратора. 2 – ортогонально расположенная прозрачная лента с внесенным исследователем фотопротоколом эксперимента. Стрелками обозначено направление движения экспонируемой и маркирующей фотопленки при включении двигателя ФОРПМ. На схеме внизу – фрагмент записи регистрируемых биопотенциалов с протоколом эксперимента.

Рис. 5. Эпюра импульсной последовательности включения узлов устройства при автоматизированной работы установки в режиме парного тестирования.

Р

Работа установки. На рис. 5 представлена эпюра импульсной последовательности включения узлов устройства при автоматизированной работы установки в режиме парного тестирования, который обычно используется для психофизиологических исследований, связанных с формированием поведенческих реакций при сочетанном раздражении различных анализаторов, а также формированием обратной связи при сенсорной стимуляции испытуемого. Работа программного коммутатора ФОРПМ основана на автоматическом построении сменных управляющих цепей путём последовательного образования временных логических связей, их подготовительных и исполнительных элементов. При этом управляющие цепи прерываются посредством обратных связей, или работают в импульсном режиме. Образование подготовительных элементов цепи осуществляет группа позиционных кулачковых механизмов ФОРПМ, а также тумблеры пульта управления, а исполнительных элементов – группа реле. Программа регистрации состоит из следующих актов: контроль, тест-контроль и маркировка. Каждый из них запускается вручную с помощью кнопки Кн1, или автоматически импульсом, формируемым с выхода ЦАП компьютера. При автоматическом запуске на этапе маркировки ФЖ можно осуществлять операции комплексного тестирования, давать краткие инструкции, производить оценку и корректировку функционального состояния испытуемого, изменение параметров отведения и условий регистрации.

На схеме изображено положение кулачков К3, К4 предшествующее режиму “тест-контроль”. Нормированная работа установки осуществляется, когда тумблеры Т1,Т2,Т3 включены, а Т4,Т5 – в исходном положении (см. графическую иллюстрацию автоматической работы установки).

Нажимаем на кнопку Кн. 1 “Пуск”, при этом срабатывает реле Р1, самоблокируясь контактом Р11. В процессе удержания кнопки с помощью контакта Р12 замыкается цепь питания двигателя “Д”, который вращая кулачок К1, с помощью контактов его конечного выключателя КВ1 становится на “самоблокировку” по питанию. Группа Р13 запускает лентопротяжный механизм магнитофона, а – Р14 подключает его сигнальный вход к выходу ЧМ; группа Р15 подготавливает цепь запуска ФОРа. При вращении двигателя “Д” осуществляется протяжка экспонируемой пленки ФОРПМ и маркирующей пленки ФЖ; по цепи питания через контакты КВ1 заряжается конденсатор С; КВ4 под воздействием кулачка К4 переходит в новое состояние 2, отключая цепь запуска реле Р1 и подготавливая цепь выхода 1 ЭСУ-1 на объект. Формирование кадров заканчивается в результате срабатывания кулачка К1 на отключение питания двигателя по цепи КВ1. При этом по восстановленной цепи через другой контакт КВ1 импульсно разряжается конденсатор С на обмотку реле Р2, в результате чего импульсно срабатывает группа Р21 и, совместно с “удерживающей” цепь группой Р15 и КВ3, включает затвор, а вместе с ним и лентопротяжный механизм ФОРа. Р22 и Р23 срабатывают вхолостую. В конце срабатывания затвора замыкается собственный синхроконтакт ФОРа, образуя цепь питания реле Р3, после срабатывания которого затвор становится на самоблокировку с помощью контактов Р31; подключается выход 1 и выход 2 ЭСУ-1 с помощью групп Р33, КВ4 и Р32 к объекту исследования, в результате чего осуществляется посылка тестирующих стимулов в режиме “тест-контроль” и синхронная регистрация фото-суперпозированных вызванных биоэлектрических ответов (ВО) на фоторегистраторе ФОРПМ и одиночных ВО на фото-регистраторе ФОР и магнитофоне МАГ соответствующим способом, а также оцифровка биопотенциалов и их ввод в компьютер ПК. Фотоиндикация ВО осуществляется на экранах осциллографов С1-18 и дисплея компьютера. После прохождения серии импульсов с выхода 2 ЭСУ-1 (число импульсов, кратных 10-ти устанавливается включением тумблера Т4) срабатывает реле Р4, прерывая цепи питания Р3 и Р1, в результате чего задействованные элементы исполнительных групп релейного коммутатора переходят в исходное состояние, прерывая про-цесс стимуляции и регистрации ВО.

Далее следует акт программы, реализующий маркировку информации (рис. 4). Для его инициации в позиции “II” кулачков К2 – К4 нажимаем кнопку Кн1. Посредством соответствующих контактов кнопки включается лентопротяжный механизм магнитофона. При этом сигнальный вход благодаря исходному положению групп Р14, подключен к микрофону. Удерживая кнопку, осуществляем голосом звукозапись информации о текущих условиях опыта, или текста марки ФЖ и номера очередного входа ФОРа, который вписывается в маркирующий кадр ФЖ при плановом (протокольном) проведении эксперимента. Одновременно с этим через соответствующие контакты КВ1 и кнопки Кн1 заряжается конденсатор С. После звукозаписи отпускаем кнопку Кн.1, в результате чего останавливается протяжка магнитной пленки, а конденсатор С импульсно разряжается на обмотку реле Р2, которое импульсно срабатывает. По цепи через контактные группы Р12, КВ2 и Р23 запускается двигатель ФОРПМ, блокируясь по питанию с помощью групп КВ1 и осуществляется формирование очередного кадра экспонируемой пленки ФОРПМ, а также совмещение с ним марки ФЖ. Вместе с тем, кулачки К2-К4 приводят свои КВ в новые состояния, в результате чего: благодаря переходу группы КВ2 обрывается подготовительная связь питания двигателя по цепи запуска, посредством смены позиции группы КВ3 подготавливается цепь запуска ФИЛ, а в связи с переходом группы КВ4 образуется подготовительная связь запуска реле Р1. После срабатывания группы КВ1, в результате перехода К1 в симметричное состояние, двигатель останавливается, а реле Р2, разряжая конденсатор С на свою обмотку, импульсно срабатывает. При этом с помощью группы Р22 срабатывает ФИЛ, экспонируя кадр ФЖ на фотопленку ФОРПМ.

Следующий, 3-й акт программы предусматривает осуществление регистрации ВО в режиме “контроль”. Соответствующее рабочее положение программных кулачков К2-К4, в которое они переходят с позиции II, показаны на схеме. Процесс перехода в это положение также инициируется нажатием кнопки Кн1, а последующая работа исполнительных элементов аналогична процессу реализации режима “тест-контроль”, (рассмотрено выше) с той разницей, что подготовительная связь выхода 1 ЭСУ-1 через свою контактную группу КВ4 при этом не образуется, в связи с чем реализуется режим “контроль”.

Включение предпочитаемых режимов регистрации (фоторегистратор ФОР, магнитофон, компьютер), а также повторная экспозиция информации или холостой ход регистраторов осуществляется посредством манипуляций тумблеров Т1-Т5 и кнопок Кн1, Кн2 пульта управления. В дальнейшем управление осуществляется автоматически, или циклично с помощью последовательных нажатий на пусковую кнопку Кн1. Программа эксперимента может быть легко изменена и/или дополнена путем изменения позиции программных кулачков на валу двигателя, а также подключением резервных кулачков, которые могут быть использованы для автоматического включения в соответствии с требованиями эксперимента дополнительных приборов и устройств (фото-, фоно-, механостимулятора, привода микроинъектора и т.п.).

Следует отметить, что полноценный электрофизиологический эксперимент может также обеспечиваться при работе в составе установки одного фоторегистратора с программным механизмом и маркиратором ФОРПМ (компьютер, магнитофон и фоторегистратор ФОР выклюючены). Такой режим работы установки наиболее удобен при организации поисковых (пилотных) экспериментов, связанных с необходимостью применения большого числа проб, многократного изменения в ходе опыта параметров тестирования, а также усилением контроля за функциональным состоянием объекта исследования. Двигатель ФОРПМ, осуществляющий протяжку экспонируемой пленки и фотожурнала, при необходимости, может быть отключен, запуск тестирующих стимулов в этом случае также осуществляется с помощью кнопки Кн1.

Таким образом, введение полуавтоматического режима работы экспериментальной установки, предусматривающего передачу части функций, связанных с программированием эксперимента, управлением тестирующей, преобразовательной и регистрирующей аппаратуры, от компьютера специализированному электромеханическому устройству – коммутатору, выполненному на релейных схемах и контролируемому оператором, позволяет оптимально организовать человеко–машинный интерфейс в системе управляемого эксперимента с использованием персонального IBM компьютера.

Использование в составе установки сконструированного нами фоторегистратора с управляющим программным механизмом и специальным маркиратором позволяет облегчить (оптимизировать) работу исследователя практически на всех этапах эксперимента: 1) при подготовке и планировании эксперимента (подготовка фотожурнала / фотопротокола планируемого опыта, установка кулачкового механизма для программного подключения необходимых приборов и устройств); 2) при выполнении исследования (мониторинг одиночных и суперпозированных биопотенциалов, селекция биопотенциалов для их фото-, магнитной и машинной регистрации); 3) при редактировании и анализе записанной информации (на основе полной базы данных эксперимента, синхронно зарегистрированных на фоторегистраторах ФОР, ФОРПМ, магнитофоне и жестком диске компьютера).

Использование установки в психофизиологическом эксперименте с формированием обратной связи позволяет испытуемым производить самостоятельный запуск процесса сенсорной стимуляции и регистрацию тестируемых электрографических параметров (ЭЭГ, ВО, КГР, зрачковых реакций) с помощью дистанционного нажатия испытуемым пусковой кнопки Кн1. Это дает возможность освободить испытуемых от необходимости контакта с экраном монитора, клавиатурой компьютера и дополнительных инструкций экспериментатора в процессе сеанса обучения, что позволяет создать испытуемому благоприятные процедурные условия (выключить посторонние сенсорные раздражители, лечь на кушетку, закрыть глаза и т.д.), необходимые для контроля и коррекции испытуемым своего функционального состояния. При этом также обеспечиваются оптимальные условия для мышечной релаксации, необходимые для безартефактного отведения тестируемых электрографических реакций.

Разработанная установка при необходимости может также использоваться и на подопытных животных при изучении функций сенсорных анализаторов и исследовании механизма формирования избирательного внимания к тестируемым сигналам различной модальности. Безартефактное отведение биопотенциалов в этом случае обеспечивается использованием разработанных нами неинвазивных устройств [7, С.743; 8, С.733], которые позволяют проводить поведенческое тестирование животного при ограничении их подвижности, осуществляемого без применения седативных и психотропных веществ.

Инновационные решения, использованные при разработке вышеописанной экспериментальной установки, защищены патентами РФ (№№ 2266043, 38581, 2255701, 80741). Работа поддержана грантом СПб. НЦ РАН.


Библиографический список
  1. Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике // М: Медпрессинформ. 2003.
  2. Nowotny T., Rospars J.P., Martinez D., Elbanna S., Anton S. Machine learning for automatic prediction of the quality of electrophysiological recordings. // PLoS ONE. 2013. 8, e89838, (doi: 10.1371/journal.pone.0080838).
  3. Gevins A.S. Overview of computer analysis // Methods of analysis of brain electrical and magnetic signals. Eds A.S. Gevins, A. Remond, Amsterdam: Elsevier. 1987.
  4. Альбертин С.В. Автоматизированное устройство для регистрации и анализа вызванной биоэлектрической активности мозга испытуемого // Бюл. изобр. 2005. № 35. Патент РФ № 2266043.
  5. Гельман М.М. Системные аналогоцифровые преобразователи // – М.: Мир. 1999.
  6. Альбертин С.В. Устройство для регистрации глазных рефлексов // Бюл. изобр. 2004. № 19. Патент РФ № 38581.
  7. Альбертин С.В. Головодержатель // Бюл. изобр. 2005. С. 743. Патент РФ № 2255701.
  8. Альбертин С.В. Устройство для сенсомоторного тестирования // Бюл. изобр. 2009. №6. Патент РФ № 80741.


Все статьи автора «Альбертин Сергей Викторович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация