ЦИФРОВОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЭГ ИССЛЕДОВАНИЙ

Е.В.Ветвицкий, Д.А. Прилуцкий, С.В.Селищев

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
103498, Москва, К-498, МИЭТ
тел. 532-89-85,
common@mcs.miee.ru

Фундаментальным принципом построения современных ЭЭГ комплексов является цифровая обработка сигналов (ЦОС). Качество ЦОС, регистрации ЭЭГ зависит от предварительной обработки сигнала и аналого-цифрового преобразования (АЦП). На технические характеристики системы в целом влияет организация функциональной схемы комплекса, в том числе насыщенность микропроцессорными интегральными схемами, использование высокопроизводительных интерфейсов для связи с персональным компьютером (ПК). С развитием компьютерной техники, технологии микроэлектроники появилась возможность создавать цифровые ЭЭГ комплексы с качественно новыми характеристиками.

На рис.1 представлена типовая структурная схема блока АЦП электро-энцефалографа.



Рис.1 Типовая структурная схема блока АЦП электроэнцефалографа.

При построении многоканальных систем существенной задачей становится упрощение схемотехники каждого канала. Это позволяет улучшить технические параметры, надежность и технологичность производства приборов. Перспективными являются решения, позволяющие снизить, в первую очередь, требования к предварительной аналоговой фильтрации сигнала за счет применения алгоритмов ЦОС.

Для этого возможно:
  • увеличить частоту дискретизации входного сигнала, что снизит требования к ФНЧ;
  • повысить разрядность АЦП, увеличив входной динамический диапазон сигнала и отказаться от построения ФВЧ.

Однако высокоточные АЦП имеют значительную стоимость. При этом их быстродействие при включении в схеме с многоканальным мультиплексором ограничено. Этих недостатков лишена новая технология ЦОС – сигма-дельта аналого-цифровое преобразование [4], которая позволяет реализовать указанные выше положения (рис.2).



Рис.2 Структурная схема блока АЦП ЦУЭЭГ на основе многоканальных сигма-дельта преобразователей.

Для реализации аналого-цифрового блока электроэнцефалографа возможно использовать, например, 4-х канальное сигма-дельта АЦП AD7716 фирмы “Analog Devices” (США) [1], имеющего эффективное разрешение на уровне 20 двоичных разрядов при частоте выдачи данных 250 Гц и частоте дискретизации входного сигнала 570 кГц.

Схема отведений/коммутация каналов ЭЭГ, в том числе выбор референтного электрода, формируется программным способом на ПК. Для удержания изолинии ЭЭГ применяется цифровой ФВЧ (реализован на ПК). Частота среза фильтра задается в пределах 0.05-8 Гц в зависимости от типа клинических исследований.

Сложная структура электроэнцефалографа (рис.3), объем функциональных задач определяет использование в его составе однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ). ОМЭВМ реализует алгоритмы:
  • программирования и чтение данных с АЦП;
  • оценки качества наложения электродов путем измерения сопротивления на переменном токе;
  • калибровки каналов регистрации ЭЭГ с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти;
  • каскадирования нескольких электроэнцефалографов внутри комплекса с синхронной регистрацией ЭЭГ;
  • взаимодействия с внешними устройствами регистрации дополнительных биологических параметров по последовательному каналу;
  • самотестирования работоспособности устройства;
  • отображения информации на ЖКИ модуле;
  • поддержки интерфейса с ПК (при помощи внешнего контроллера).

Для реализации таких алгоритмов ОМЭВМ должна обладать производительностью 8-10 MIPS (миллионов операций в секунду), ОЗУ не менее 256 байт, ПЗУ – 8 кбайт, энергонезависимой памятью 512 байт, иметь развитую архитектуру, в том числе внешнюю параллельную шину данных. Такими характеристиками обладают современные 8-ми разрядные микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel (США).



Рис.3 Пример структурной схемы электроэнцефалографа.

При разработке цифрового ЭЭГ комплекса на основе ПК встает вопрос выбора интерфейса приборов внутри комплекса и с ПК. В табл.1 представлены характеристики внешних интерфейсов современного ПК.

Табл.1. Основные характеристики внешних интерфейсов ПК.

Интерфейс Последова-тельный (RS232-C) Параллельный
(IEEE 1284)		 USB FireWire (IEEE 1394)
Скорость передачи данных до 11,5 кбайт/сек до 300 кбайт/с до 1.2 Мбайт/с до 40 Мбайт/с
Количество проводов в кабеле 2-9 8-25 4 6
Наличие питания нет нет 5 В до 0.5 А 8-40 В до 1.5 А
Длина соединения до 15 метров до 3 метров до 5 метров до 4.5 метров
Количество устройств 1 1 До 127 до 63
Уровень реализации физический физический физический логический, сетевой физический логический, сетевой

Наиболее перспективным из них для применения в ЭЭГ комплексах представляется интерфейс USB [2].

USB (Universal Serial Bus) - современный скоростной интерфейс для подключения периферийных устройств, появившийся в начале 1996 года. Его основные характеристики:
  • Поддержка двух скоростей передачи данных – 1.5 и 12 Мбит/с. В настоящее время внедряется новая версия стандарта, где пропускная способность повышена до 240 Мбит/с за счет увеличения тактовой частоты на шине.
  • Разветвленная сеть протоколов, обеспечивающих передачу логически независимых потоков данных от одного устройства, высокую помехозащищенность.
  • Возможность синхронизации потоков данных от различных устройств.
  • Используется топология связанных узлов. При этом только одно устройство – концентратор USB (хаб) должно быть присоединено к ПК, а остальные, в свою очередь, подключаются хабу, образуя древовидную структуру соединений. Такая схема поддерживает одновременное подключение до 127 устройств USB.
  • Поддержка универсального стандарта авто конфигурирования “Plug and Play”, который обеспечивает подключение устройства к работающему ПК с автоматическим распознаванием и интеграцией в операционную систему (ОС).
  • В разъеме USB имеется линия питания +5В, с мощностью, достаточной для подключения обширного класса современных медицинских приборов.

Применение интерфейса USB предлагает разработчику современных компьютерных медицинских комплексов удобный путь сопряжения устройства с ПК [3] и позволяет забыть о морально устаревших каналах связи и связанных с ними проблемами. Построение ЭЭГ комплекса с использованием единого интерфейса позволяет не только эффективно решить задачу обмена информацией, но и обеспечить синхронизацию потоков данных от различных устройств – регистраторов ЭЭГ, многофункциональных стимуляторов. Высокая скорость обмена, помехозащищенность, поддержка интерфейса со стороны ОС ПК, максимальная гибкость в подключении устройств к шине – все это, в конечном итоге, увеличивает потребительские качества системы.

Разработка канала связи на основе USB складывается из поддержки стандарта на уровне устройства и написания программного обеспечения на ПК.

Поддержка USB в устройстве подразумевает использование специализированных контроллеров. Они представляют собой достаточно интеллектуальные устройства, значительно облегчающие разработку аппаратуры, обеспечивая поддержку шины на низком уровне – согласование уровней сигнала, кодирование-декодирование данных, проверка CRC кода, адресацию устройства и узлов, буферирование данных. Обеспечение стандарта USB на уровне протоколов осуществляется ОМЭВМ и соответствующим программным обеспечением.

На стороне ПК необходимо разработать драйвера ОС. В настоящее время USB поддерживается в следующих ОС: Windows 98/2000/NT5, Mac и Linux.

На кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники (технического университета) разработан цифровой комплекс на основе ПК для ЭЭГ исследований в составе 40-канального электроэнцефалографа Neurovisor-40U, фонофотостимулятора FSS2. Технические характеристики электроэнцефалографа:
  • Количество каналов 40;
  • Полоса пропускания сигнала 0-65 Гц,
  • Частота дискретизации 250 Гц;
  • Входной диапазон +130 мВ;
  • Уровень собственных шумов1 мкВ;
  • Коэфф. подавления синфазного сигнала100 дБ;
  • Входное сопротивление100 МОм;
  • Интерфейс с ПКUSB;
  • Возможность объединения до 4-х аппаратов в комплексе.
  • Фонофотостимулятор использует в качестве интерфейса связи с ПК стандарт USB, что позволяет синхронизировать его работу с электроэнцефалографом.

Литература:
  1. Kurekov S. F., Prilutski D. A., Selishchev S. V. Sigma–Delta Analoque-to-Digital converters for Biomedical Data Acquisition Systems // Proceeding of 4th European conference on engineering and medicine.– Warsaw, May 25–28, 1997.–P.163-164.
  2. Universal Serial Bus Specification. Revision 1.1. – Compag Computer Corporation, Digital Equipment Corporation, IBM PC Corporation, Intel Corporation, Microsoft Corporation, NEC, Northern Telecom, 1996. // расположена в сети Internet. - http://www.usb.org/developers/index.html
  3. Ветвицкий Е.В., Плотников А.В., Прилуцкий Д.А., Селищев С.В. Применение универсального последовательного интерфейса USB в компьютерных медицинских комплексах. // “Медицинская техника”.–2000.–№4.–С.3-7.
  4. Швец В. В., Нищирет Ю. А. Архитектура сигма-дельта АЦП и ЦАП // “Chip News”.–1998.–№2.–С.2-11.

Содержание конференции | Секция1