Архив рубрики: Биотехнические и медицинские системы

ДИАГНОСТИКА РАННИХ СТАДИЙ НАРУШЕНИЙ ВНИМАНИЯ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ НЕЧЕТКИХ РЕШАЮЩИХ ПРАВИЛ


УДК 615.47
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.031

А.В. Поляков, С.Н. Родионова, Н.Л. Коржук, Л.В. Стародубцева


Работа посвящена повышению качества дифференциальной диагностики ранних стадий нарушений когнитивных функций внимания в условиях нечеткого описания исследуемых классов состояний.Для оценки функций внимания используется прибор, разработанный на кафедре биомедицинской инженерии ЮЗГУ, позволяющий определять такие свойства внимания как концентрированность, объём, селективность, переключаемость, распределяемость и устойчивость. В качестве математического аппарата используется методология синтеза гибридных нечетких решающих правил. Базовым элементом которых является функция принадлежности к исследуемым классам состояний (норма, легкие когнитивные нарушения, умеренные когнитивные нарушения, начальная клиническая стадия) с базовой переменной, определяемой по шкалам выбранных свойств внимания.Решение о классификации принимается по максимальной величине анализируемых функций принадлежности.Полученные математические модели позволяют диагностировать ранние стадии нарушений всех исследуемых функций внимания. Экспертное доверие к полученным математическим моделям превышает величину 0,8. Если совместно с показателями внимания использовать дополнительные показатели, характеризующие функциональный резерв, уровни психоэмоционального напряжения и утомления, и энергетический разбаланс меридианных структур организма, уверенность в правильной классификации ранних стадий нарушений функций внимания достигает величины 0,9, что позволяет рекомендовать полученные результаты в практической психологии и медицине.

Ключевые слова: ранняя стадия когнитивных нарушений внимания, гибридные решающие правила, функции принадлежности, уверенность в правильной классификации.

Полный текст статьи:
PolyakovSoavtors_4_19_1.pdf

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕМ И ПАРАМЕТРАМИ ФОКАЛЬНОГО ПЯТНА ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ХИРУРГИИ


УДК 534.222
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.007

Е.Г. Домбругова, Н.Н. Чернов


Работа посвящена апробации способа управления местоположением и параметрами фокального пятна при помощи изменения физических характеристик согласующего слоя. Предложен метод определения скорости звука в согласующем слое, необходимом для корректировки местоположения фокального пятна, путем расчета среднетолщинной скорости звука в биологических тканях, располагающихся на пути распространения ультразвуковых волн. Приведены описание экспериментальной установки и методика проведения исследований. Оценено влияние изменения физических параметров согласующего слоя на распределение амплитуды давления во фронтальном срезе акустического поля, создаваемого ультразвуковым излучателем при изменении угла его наклона относительно границы раздела сред. Приводится сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования, выполненного при тех же вводных параметрах. Приведены результаты расчетов акустического поля, создаваемого фокусирующей антенной решеткой в слоисто-неоднородной среде – имитационных слоях – и оценено влияние изменения физических характеристик согласующего слоя на пространственное распределение амплитуды акустического давления в фокальной области. Результаты исследований показали возможность использования согласующего слоя с расчетными параметрами для управления местоположением фокального пятна в направлении распространения ультразвуковых волн. Разработанный способ корректировки местоположения фокального пятна можно использовать как для антенных решеток, так и для единичных излучателей, имеющих форму сферического сегмента.

Ключевые слова: среднетолщинная скорость звука, экспериментальная установка, фокусированный ультразвук, согласующий слой, преломление ультразвуковых волн.

Полный текст статьи:
DombrugovaChernov_4_19_1.pdf

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫМ РОБОТОМ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА FABRIK


УДК 621.865.8
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.004

В.В. Данилов, Д.Ю. Колпащиков, Н.В. Лаптев


В настоящее время катетерные хирургические операции стали достаточно востребованными за счёт меньшего срока реабилитации пациентов и меньших рисков при проведении подобных вмешательств. Однако данный вид операций выполняется специалистами вручную, что требует соответствующей подготовки специалиста, а также занимает много времени, и тем самым увеличивая риск врачебной ошибки. Имеющиеся сегодня роботизированные решения, являются дорогими и недоступными для большинства больниц, клиник и медицинских центров. Решением данной проблемы может стать разработка простой автоматизированной системы управления. Применение такой системы позволит увеличить точность, повторяемость, а также снизить риски, связанные с человеческим фактором. Катетер – это манипулятор, который способен изгибаться в любой точке своей структуры. Такая особенность строения позволяет манипуляторам работать в местах со сложной геометрией, в том числе и внутри человеческого организма. В связи с этим, катетеры нашли своё применение в многих сферах, включая медицину и промышленность. Однако управление данным видом роботов осложняется наличием гибких звеньев, стремящихся к бесконечности. За позиционирование и ориентацию непрерывных роботов отвечают алгоритмы прямой и обратной кинематики. Одним из наиболее перспективных подходов является алгоритм обратной кинематики прямого и обратного следования (FABRIK). В связи с этим, в данной работе представлена быстрая и надёжная система автоматического управления непрерывным роботом без обратной связи на основе алгоритма FABRIK.

Ключевые слова: непрерывный робот, катетер, автоматизация, позиционирование, FABRIK.

Полный текст статьи:
DanilovSoavtors_4_19_1.pdf

МЕТОДИКА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ НОЗОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ВИРУСНОГО ГЕПАТИТА С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЙРОННОЙ СЕТИ КАСКАДНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ


УДК 004.891.3
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.028

А.Н. Астафьев

Гепатит, являясь опасным заболеванием, требует особого отношения в диагностике и лечении, однако наличие большого количества нозологий создает определенные сложности. Важным аспектом определения нозологической формы гепатита является совмещение входных и выходных данных в начале исследования с целью формирования зависимостей, для решения схожих задач отлично подходят алгоритмы нейронных сетей, которые обучаются на реальных примерах. Применение нейронных сетей в медицине, которые имеют возможность поиска скрытых зависимостей обучаясь опытом врачей, позволяет облегчить труд, служа в роли советника. Однако открытым остается вопрос подбора наиболее эффективной топологии и методики обучения для выбранной задачи. В данной работе обосновывается необходимость задействования алгоритмов нейронных сетей для решения задачи определения нозологической формы гепатита. Проводится анализ и подбор входных факторов, характеризующих клиническое состояние больного, выходных факторов, характеризующих конкретную нозологическую форму гепатита, обосновываются преимущества построения топологии нейронной сети под конкретную задачу. Описывается алгоритм обучения и формирования нейронной сети, его использование, а также приводится сравнение каскадной нейронной сети с другими в разрезе рассматриваемой задачи. В завершении проводится описание созданной системы определения нозологической формы гепатита с применением нейронной сети каскадной корреляции, а также описывается клиническая эффективность рассматриваемого подхода.

Ключевые слова: нейронная сеть, вирусный гепатит, нозологическая форма гепатита, нейронная сеть каскадной корреляции, классификация.

Полный текст статьи:
Astafev_3_19_1.pdf

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА И БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ


УДК 681.2.089
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.26.3.011

А.В. Царёва, А.Ю. Курочкин, В.В. Алексеев


В настоящее время в медицинской реабилитации не существует мобильных средств измерений, необходимых для контроля восстановления пациента в послеоперационный период. Существующие видеосистемы контроля кинематики движений имеют высокую стоимость и габариты, вследствие чего приобретение такой системы лечебными учреждениями затруднительно. В статье описывается информационно-измерительная система для оценки техники ходьбы человека, состоящей из закрепленных на теле измерительных модулей и вычислительного устройства с соответствующим программным обеспечением для обработки полученной с датчиков информации. В ходе работы над созданием данной системы разработаны правила выбора частоты передачи для измерительных каналов, необходимых при идентификации фаз шага с использованием микромеханических датчиков. Приведены спектральные характеристики акселерометрического датчика по каждой оси ориентации соответственно. Рассмотрены варианты реализации сервера при обмене информацией по протоколу TCP IP. Разработано программное обеспечение сервера распределенной информационно-измерительной системы. Приведены экспериментальные данные передачи информации для каждого варианта обмена информацией по протоколу TCP IP. Описано решение для получения требуемой частоты передачи. В данной системе предусматривается возможность использования в домашних условиях, что поможет врачу, методисту и самому пациенту контролировать процесс реабилитации как во время пребывания в стационаре, так и после выписки.

Ключевые слова: биомеханика, медицинская реабилитация, кинематический портрет человека, техника ходьбы, передача измерительной информации.

Полный текст статьи:
TsarevaSoavtori_3_19_1.pdf

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПОЯВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ


УДК 615.47
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.25.2.013

М.А. Мясоедова , Н.А. Кореневский , Л.В.Стародубцева , М.В. Писарев


Целью исследования является разработка математических моделей оценки влияния электромагнитных полей различной модальности и интенсивности на организм человека обеспечивающих решение задач оценки состояния здоровья людей занятых в электроэнергетической отрасли с приемлемой для медицинской практики точностью. В качестве базового математического аппарата выбрана технология мягких вычислений и, в частности, методология синтеза гибридных нечетких решающих моделей разработанная в Юго-Западном государственном университете хорошо зарекомендовавшая себя при синтезе математических моделей прогнозирования, ранней и дифференциальной диагностики заболеваний со схожей структурой исследуемых классов состояний. В качестве примера описана математическая модель прогнозирования появления и развития заболеваний иммунной системы у работников электроэнергетических предприятий Курской области. Нечеткие математические модели используют функции принадлежности с базовыми переменными учитывающими напряженность электромагнитного поля промышленной частоты, стаж работы в электроэнергетике и индивидуальные факторы риска провоцирующие появление и развитие заболеваний нервной системы. В ходе математического моделирования и экспертного оценивания было показано, что использование выбранной методологии синтеза гибридных нечетких математических моделей позволило получить математическую модель прогнозирования и развития заболеваний иммунной системы у работников электроэнергетического комплекса с уверенностью превышающей 0,9.

Ключевые слова: математическая модель, нечеткая логика, профессиональные заболевания, иммунная система, электроэнергетика, прогнозирование.

Полный текст статьи:
MyasoedovaSoavtori_2_19_1.pdf

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ МЕТОДИКЕ ПРОВЕДЕНИЯ МИКРОЯДЕРНОГО ТЕСТА В БУККАЛЬНОМ ЭПИТЕЛИИ ЧЕЛОВЕКА


УДК 576.08:575.224
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.25.2.012

В.Н. Калаев , М.С. Нечаева, А.Ю. Васильева, И.Ю. Васильев, А.П. Преображенский,
И.Я. Львович


Разработанная информационная обучающая система содержит наглядный, обобщенный, структурированный материал по микроядерному анализу клеток буккального эпителия человека: историю развития метода, методику проведения, описание объектов анализа, фотографии ядерных аномалий, перечень факторов, оказывающих влияние на генетический аппарат, материалы для интерактивного оценивания результатов обучения. Обучающая система позволяет исследователю достаточно быстро и наглядно познакомиться с методикой проведения микроядерного теста, научиться анализировать микропрепараты, находить и правильно определять аномалии ядер слущивающихся эпителиоцитов, проводить статистическую обработку полученных результатов и по окончании освоения методики оценить полученные навыки с помощью интерактивного тестирования. Данная информационная система обобщает результаты российских и мировых исследований по оценке генетического гомеостаза организма человека с использованием микроядерного теста в буккальном эпителии, тем самым внося вклад в разработку стандартизированной методики и унифицирование подходов к описанию результатов экспериментов, во избежание ошибочной интерпретации полученных данных. В информационной системе представлен обучающий видеоролик, демонстрирующий сбор материала, приготовление микропрепаратов, основное оборудование и реактивы, используемые при выполнении микроядерного анализа. Информационная система способствует внедрению микроядерного теста в буккальном эпителии человека в качестве рутинной процедуры в клиническую практику, мониторинговые исследования состояния окружающей среды, оценку профессиональных рисков, позволяет разработать меры оценки генетической безопасности человека.

Ключевые слова: информационная система, микроядерный тест, буккальный эпителий человека, аномалии ядра, эпителиоциты ротовой полости.

Полный текст статьи:
KalaevSoavtori_2_19_1.pdf

ЭКСПЕРТНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТРОЛЬНО-НАДЗОРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВА ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ


УДК 05.13.10
doi: 10.26102/2310-6018/2019.24.1.044

И.В.Сафонов, Я.Е. Львович


Обеспечение качества лекарственных препаратов в настоящее время является одним из значимых положений государственной политики в области здравоохранения. Для снижения риска поступления недоброкачественных и фальсифицированных лекарственных препаратов населению, требуется оптимизация функционирования текущей системы контрольно-надзорной деятельности, направленная на оптимальное использование имеющихся ресурсы при соблюдении заданных условий и ограничений. Основной формой контрольно-надзорной деятельности являются проверки объектов обращения лекарственных препаратов или объектов контроля. Для обеспечения оптимального плана проведения проверки предлагается оптимизационная модель, позволяющая минимизировать число объектов, включенных в план проверки с учетом ограничения на плановые затраты и необходимой частоты проверки производителей, находящихся в зоне риска. При этом, должно быть обеспечено максимальное число проверяемых препаратов при проверке каждого объекта. Сформированная модель относится к задачам многоальтернативной оптимизации. Для её решения предлагается двухэтапная процедура. Решается типовая задача дискретного программирования – задача о минимальном покрытии. При поиске количества доминирующих вариантов решения задачи используются базовые вариационные процедуры, позволяющие получить несколько вариантов решений. Для выбора оптимального варианта предлагается использовать процедуры экспертного оценивания. Разработанная оптимизационная модель ориентирована на широкое применение в работе регионального отделения Росздравнадзора Воронежской области.

Ключевые слова: экспертное оценивание, оптимизационное моделирование, задача о минимальном покрытии, контрольно-надзорная деятельность, лекарственные препараты.

Полный текст статьи:
SafonovLvovich_1_19_1.pdf

КОДОВЫЕ ОБРАЗЫ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕРФЕЙСА МОЗГ-КОМПЬЮТЕР


УДК 004.5
doi: 10.26102/2310-6018/2019.24.1.025

С.А. Филист, Е.В. Петрунина, А.А. Трифонов,А.В. Серебровский


Для дешифрации ЭЭГ в интерфейсах мозг-компьютер предлагается метод, основанный на использовании кодовых образов, полученных посредством формирования множества кодовых сообщений на определенном отрезке ЭЭГ. Кодовое сообщение формируется путем кодирования сигналов ЭЭГ на выходах блока полосно-пропускающих фильтров. В частотном диапазоне ЭЭГ выделяются четыре частотных полосы, что соответствует четырем каналам на каждое отведение ЭЭГ. Кодовые сообщения четырех каналов формируют образ ЭЭГ, при декодировании которого получают управляющие сигналы, поступающие на сервоприводы робототехнического устройства. Образ из кодовых сообщений формируется на основе теории мультимножеств. Для обучения классификатора образов ЭЭГ используется программно-аппаратный комплекс, включающий электромиограф, электроэнцефалограф, блок полосно-пропускающих фильтров и вычислительное устройство, осуществляющее дискретизацию сигналов с выходов электромиографа и блока полосно-пропускающих фильтров. Метка класса образа определялась по сигналу отведения электромиографа, соответствующему классифицируемой двигательной единице. В базу данных помещаются записи с полями кодового образа и соответствующей метки класса управляющей команды. Предложенный метод является альтернативой методу дешифрации ЭЭГ на основе биологической обратной связи.

Ключевые слова: интерфейс мозг-компьютер, электроэнцефалограмма, электромиограмма, образ кодовых сообщений, мультимножество, обучаемый классификатор, алгоритм, обучающая выборка.

Полный текст статьи:
PhilistSoavtori_1_19_1.pdf

РАСПОЗНАВАНИЕ ЭЛЕКТРОМИОГРАММЫ ПРЕДПЛЕЧЬЯ И ВЫБОР ЖЕСТОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ


УДК 612.743, 612.817.2
doi: 10.26102/2310-6018/2019.24.1.017

Р.Ю. Будко , Н.Н. Чернов , Н.А. Будко , А.Ю. Будко


Актуальность настоящего исследования обусловлена одной из главных проблем, существующих на сегодня области построения интерфейсов человек-машина – это создание эффективной системы управления, непосредственно взаимодействующей с пользователем и внешними устройствами замещения функций (протезы, инвалидные коляски и т.д.). В связи с этим, данная работа посвящена исследованию возможности использования физиологичных жестов из повседневной жизни человека для управления протезом при сохранности предплечья не менее чем на треть. Ведущим подходом к исследованию данной проблемы является применение методов статистической обработки экспериментальных данных, цифровой обработки сигналов, алгоритмов машинного обучения и распознавания образов. Данный подход позволяет комплексно исследовать электромиограмму (ЭМГ) предплечья при совершении произвольных движений на разных уровнях реализации системы миоуправления. В статье представлены результаты исследования ЭМГ, записанной для 11 произвольных движений с группы испытуемых, описана процедура предобработки ЭМГ и выделение характерных признаков для распознавания сигнала, раскрыт способ классификации движений посредством искусственной нейронной сети на основе радиальных базисных функций (РБФ). Были выявлены восемь наиболее пригодных для классификации движений и ранжированы по точности классификации: расслабление (как нулевое движение), раскрытие кисти, кулак, сгибание кисти, супинация кисти, разгибание кисти, пронация кисти, щепоть. Материалы статьи представляют практическую ценность для построения систем, основанных на интерфейсе «человек-машина», а также для задач классификации в приложениях электрофизиологии.

Ключевые слова: электромиограмма, протез, биоуправление, интерфейс человек-машина, машинное обучение, искусственные нейронные сети .

Полный текст статьи:
BudkoSoavtori_1_19_1.pdf