Автоматизированное рабочее место исследователя на примере экспериментальной установки для многоэлектродного картирования миокарда
Москаленко А.В.*), Медвинский А.Б.*), Тихонова*) И.А., Сидоров В.Ю.**), Кукушкин Н.И.**), Косарский**) Л.С., Стармер Ч.Ф.***)
*)Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН
**)Институт биофизики клетки РАН
***)Медицинский университет Южной Каролины, Чарльстон, Южная Каролина, США
Скачать:
1.Введение
1.1. Автоволны в сердце
Миокард являет собою пример возбудимой среды с восстановлением. Возбуждением в таких средах называют процесс переключения элементов среды из высокоэнергетического состояния в состояние с низким содержанием энергии [1]. Во многих случаях такой процесс способен распространяться по среде, формируя волну возбуждения (автоволну). Поскольку автоволна поддерживается за счет распределенного источника энергии, ее форма, амплитуда, скорость и другие параметры зависят только от свойств самой среды и в однородных средах сохраняются постоянными. Сердечная ткань, однако, характеризуется существенной неоднородностью, что создаёт условия для возникновения анормальных источников возбуждения и нарушений сердечного ритма,нередко являющихся причиной внезапной смерти [3].
1.2. Аритмии и многоэлектродное картирование миокарда
Опасные для жизни аритмии часто обусловливаются циркуляций волн возбуждения [2]. Профилактика и лечение таких состояний требует умения воздействовать на автоволновые процессы в сердце. Исследование механизмов возникновения аритмий требует детального анализа пространственно-временных распределений мембранного потенциала. Для регистрации и визуализации этих распределений применяют, в частности, метод многоэлектродного картирования миокарда [5, 6].
Метод многоэлектродного картирования миокарда заключается в длительной регистрации электрической активности миокарда одновременно во многих точках препарата для последующего восстановления картины пространственно-временной организации процесса возбуждения.
Кроме этого, регистрацию приходится синхронизировать с электрическими воздействиями на препарат, необходимыми как для поддержания как нормального функционального состояния препарата (базовая стимуляция), так и для формирования специфических состояний, определяемых экспериментальной задачей (тестирующие воздействия).
1.3. Постановка задачи
По ходу эксперимента исследователю-экспериментатору неизбежно приходится вести протокол, определять параметры состояния препарата, проводить регистрацию динамики состояния препарата под воздействием наносимые тестирующих импульсов и т.п.. Необходимо также иметь возможность быстро определять ценность получаемых данных с целью последующей корректировки режима функционирования препарата. Все эти задачи в комплексе решаются при помощи автоматизации исследования на базе применения современной компьютерной техники и технологии.
Идея автоматизации процесса проведения эксперимента и последующего анализа экспериментальных данных получила наиболее широкое распространение со времени массового внедрения дешевых персональных ЭВМ, и к настоящему времени уже накоплено достаточное количество реализаций автоматизированных рабочих мест (АРМ) исследователя-экспериментатора. Тем не менее, каждая такая конкретная реализация неизбежно обладает специфическими особенностями, обусловленными специфичностью решаемых экспериментальных задач, и таким образом, представляет самостоятельный интерес.
2. Экспериментальная установка многоэлектродного картирования миокарда
На основании опыта использования установки “Волна”, сконструированной и реализованной в Институте биологической физики [4], нами была разработана новая аппаратно-программная реализация экспериментальной установки для многоэлектродного картирования миокарда.
В рамках АРМ пришлось решать следующие задачи:
Высокочастотная регистрация и накопления данных
(раз в миллисекунду пакетами по 64 экземпляра с частотой 100 кГц в пакете) в режиме реального времени при непрерывном управлении электрической стимуляцией препарата.
В наших экспериментах с этой целью обычно используются две матрицы униполярных внеклеточных электродов (по 32 электрода в каждой). Отдельный пакет представляет собою результат считывания данных регистрации мгновенного состояния препарата. Регистрация динамики функционального состояния препарата производится на частоте 1000 пакетов в секунду. В связи с этим требуется обеспечение быстрой оцифровки и записи состояния множества точек миокардиальной поверхности.
Для осуществления такого режима мы использовали распределенную вычислительную систему, состоящую из микрокомпьютера L1250 (ведомая машина) с сигнальным процессором ADSP2105 [11] и персонального компьютера (ведущая машина) с процессором I486. Микрокомпьютер L1250 является разработкой фирмы L-Card, он устанавливается непосредственно в ISA-разъем на системной плате IBM-совместимой машин; поддерживает обмен данными с ведущим компьютером по DMA; имеет специальный порт команд для получения управляющих запросов от ведущего компьютера. [9]
Рис.1. Функциональная блок-схема разработанной экспериментальной установки.
Обозначения римскими цифрами:
I - источник данных, многоэлектродная матрица;
II - мультиплексор;
III - микрокомпьютер L1250;
IV(пунктиром) - ISA-разъем;
V - персональный компьютер;
VI - устройство внешнего хранения информации.
Обозначения арабскими цифрами в кружках:
1 - 64-разрядный канал данных;
2 - 1-разрядный канал данных;
3 - передача данных на ведущий компьютер;
4 - ТТЛ-импульсы для синхронизации мультиплексора (частота 1 кГц);
5 - ТТЛ-импульсы для синхронизации L1250 (частота 100 кГц);
6 - запросы от ведущего компьютера в порт команд L1250.Программа для L1250 написана на языке Assembler для ADSP2105 [10]; она поддерживает FIFO-буфер для предупреждения случайной потери данных в процессе их передачи на ведущую машину.
Программа для персонального компьютера написана на Object Pascal; часть кода написана с использованием встроенного ассемблера. Частично использовались функции стандартного фирменного драйвера.
Автоматизация ведения протокола эксперимента.
В протоколе автоматически регистрируется время и параметры наносимых воздействий, а также время и параметры сохраняемых записей. Возможна вставка свободного текста комментариев. Разработан специальный формат протокольного файла, облегчающий сортировку и поиск требуемых протокольных регистраций и поддерживающий некоторые механизмы безопасности хранения данных.
Реализация различных средств визуализации первичных данных с целью экспресс-оценки их научной значимости.
В качестве таких средств используются а) псевдо-ЭКГ [7,8]; б) временная развертка сигнала отдельно от каждого электрода; в) мгновенная картина пространственного распределения сигналов под каждой матрицей электродов.
Выбор пользовательского интерфейса.
С целью упрощения решения этой задачи использован стандарт графического интерфейса пользователя [12]. Программа разрабатывалась для работы в операционной среде Windows 3.1[13]. Разработка ПО осуществлена в среде программирования Delphi 1.0 [15] с использованием объектно-ориентированной технологии [14].
Удешевление организации АРМ.
Микрокомпьютер L1250 имеет встроенный АЦП с 16 дифференциальными каналами (или 32 с общей землей). Таким образом, для оцифровывания данных с 64 электродов требуется, как минимум, две таких платы. С целью удешевления проекта применяется один L1250; для этого все 64 канала мультиплексируются на один канал АЦП.
3. Обсуждение
Главным усовершенствованием по сравнению с прежней версией экспериментальной установки многоэлектродного картирования миокарда является создание интегрированной среды, базирующейся на многооконном интерфейсе и объединяющей в одном приложении такие функции, как мониторирование и управление ходом эксперимента, получение, сохранение, обработка и удобная визуализация получаемых данных. Нам удалось преодолеть один из существенных недостатков прежней системы: ограничение на длину записи (4 секунды при использовании 64 электродов на частоте опроса 1kHz). В новой системе использование прямой записи на диск через канал прямого доступа к памяти снимает подобное ограничение; теоретически, длина одной записи может достигать нескольких часов, на практике достаточно десятков секунд (обычное время длительности одной экспериментально вызванной аритмии).
Создаваемые удобство и комфорт существенны при проведении многочасовых экспериментов
Усовершенствованная версия установки значительно расширяет возможности экспериментатора в исследовании механизмов нарушения ритма сердца и в поисках эффективных средств предотвращения сердечных аритмий.
Данная работа была поддержана CRDF (грант RB1-166) и Медицинским университетом Южной Каролины (грант MUSC RB0-676, полученным через CRDF).
Литература
1. Кринский В.И., Жаботинский А.М. В: Автоволновые процессы в системах с диффузией. Горький, (1981), с.6-31.
2. Медвинский А.Б., Перцов А.М., Полищук Г.А., Фаст В.Г. В: Электрическое поле сердца. Москва, СЭВ (1983), с.38-51
3. Кринский В.И., Медвинский А.Б., Панфилов А.В. Эволюция автоволновых вихрей. Москва, “Знание” (1986).
4. Барилко Ш.И., Кринский В.И., Перцов А.М., Турчин Л.А., Автометрия, №3,25 (1986).
5. Арискин Н.И., Барилко Ш.И., Измайлов Е.Е., Косарский Л.С., Кринский В.И., Медвинский А.Б., Перцов А.М., Турчин Л.А., Фаст В.Г. Новости медицинской техники. В.2, с.8-11 (1983).
6. Сидоров В.Ю., Москаленко А.В., Саранча Д.Ю., Кукушкин Н.И., Медвинский А.Б. В : II открытая городская научная конференция молодых ученых города Пущино, Пущино (1997), с.147-148.
7. Кукушкин Н.И., Сидоров В.Ю., Медвинский А.Б., Москаленко А.В., Саранча Д.Ю., Стармер Ч.Ф. В: Сравнительная электрокардиология - 97. Сыктывкар, Республика Коми, (1997), с.34-35.
8. Кукушкин Н.И., Сидоров В.Ю., Медвинский А.Б., Ромашко Д.Н., Бурашников А.Ю., Стармер Ч.Ф., Саранча Д.Ю., Баум О.В. Биофизика, т.43, вып.6 (1998).
9. Платы серии L-1250 и N-1250. Техническое описание и инструкция по эксплуатации., АО "L-card", (1996).
10. ADSP-2100 Family. Assembler Tools & Simulator Manual, Analog Devices Inc., printed in USA (1994).
11. ADSP-2100 Family User’s Manual, Analog Devices Inc., printed in Canada (1995).
12. М. Минаси. Графический интерфейс пользователя. Секреты проектирования, Мир, Москва (1996).
13. Мэтт Питрек, Внутренний мир Windows(TM). Реализация операционной среды Windows, ДиаСофт Лтд., Киев (1995).
14. Ирэ Пол. Объектно-ориентированное программирование с использованием C++, ДиаСофт Лтд., Киев (1995).
15. Рэй Конопка, Создание оригинальных компонент в среде Delphi, ДиаСофт Лтд., Киев (1996).
