Применение методов биорадиофотоники для обработки биоэлектрических сигналов

Предмет исследования. В работе рассмотрено применение современных и перспективных методов биорадиофотоники для обработки биоэлектрических сигналов на базе оптических и акустооптических устройств. Основные трудности применения этих методов связаны с тем, что исследуемые сигналы являются низкочастотными, и требуется разработка специальных мер адаптации рассматриваемых устройств для их обработки.

Метод. Предложено вводить информационный биоэлектрический сигнал в акустооптическую систему обработки с временны́ м интегрированием, используя модуляцию высокочастотной несущей с линейной частотной модуляцией низкочастотным информационным сигналом. Такая система должна обеспечить реализацию операции свертки с помощью ячеек Брэгга, которые ориентированы навстречу друг к другу. Предложенный подход обеспечил возможность вычисления спектра мощности биоэлектрического сигнала и его вейвлетпреобразования, причем наличие несущей с линейной частотной модуляцией обязательно для обоих видов обработки. Впервые использован метод предварительного сжатия биоэлектрического сигнала для его переноса в высокочастотную область. Это позволило вводить низкочастотный информационный сигнал в высокочастотную акустооптическую систему обработки с пространственным интегрированием. В простом акустооптическом корреляторе с опорным транспарантом на выходе фотоприемника сформирована огибающая корреляционной функции. Применен набор опорных транспарантов в многоканальном корреляторе для реализации вейвлетанализа протяженного биоэлектрического сигнала с использованием материнского вейвлета. Предварительная оптическая обработка исследуемого сигнала осуществлена на жидкокристаллических матрицах.

Основные результаты. Выполнен анализ обработки электрокардиосигналов, снятых с подопытных животных (крыс) с использованием жидкокристаллической матрицы для ввода этих сигналов в оптическую систему. Показано, что спектральная и вейвлет-обработка могут быть реализованы без использования модуляции высокочастотной несущей низкочастотным информационным сигналом.

Практическая значимость. Использование полученных результатов позволит создать новое семейство устройств вейвлет-обработки биоэлектрических сигналов, реализуемой в реальном масштабе времени, что внесет важный вклад в совершенствование диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, головного мозга и центральной нервной системы.

1. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Спектральная обработка биоэлектрических сигналов // Медицинская техника. 2021. № 1. С. 12–14.

2. Гуляев Ю.В., Зайченко К.В. Электрокардиография сверхвысокого разрешения. Задачи. Проблемы. Перспективы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2013. № 9. С. 5–15.

3. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Электроэнцефалография в расширенных амплитудном и частотном диапазонах // Научная сессия ГУАП: Сборник докладов научной сессии, посвященной Всемирному дню авиации и космонавтики. В 3-х ч. Ч. II. Технические науки. СПб.: ГУАП, 2019. С. 150–152.

4. Zaichenko K.V., Gurevich B.S., Kordyukova A.A. Method of reliable electrocardiographic control of ischemia appearance in investigations with experimental animals // Proc. of the 2021 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2021. P. 78–81. https://doi.org/10.1109/USBEREIT51232.2021.9455029

5. Yu F.T.S., Jutamulia S. Optical Signal Processing, Computing, and Neural Networks. New York: John Wiley & Sons, 1992. 419 p.

6. Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические сигнальные процессоры. М.: Science Press, 2002. 80 c.

7. Petrunkin V., Aksyonov E., Starikov G. Wavelet transform in optical processors: potentials and perspectives // Proceedings of SPIE. 2002. V. 4680. P. 256–263. https://doi.org/10.1117/12.454687

8. VanderLugt A. Optical Signal Processing. New York, N.Y.: Wiley, 1991. 632 p.

9. Feng W., Yan Y., Jin G., Wu M., He Q. Dual multichannel optical wavelet transform processor // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3804. P. 249–255. https://doi.org/10.1117/12.363971

10. Wang Y., Ma L., Shi S. An optical method for production of Haar wavelet // Optics Communications. 2002. V. 204. N 1–6. P. 107–110. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01246-4

11. Turpin T.M. Time integrating optical processors // Proceedings of SPIE. 1978. V. 154. P. 196–203. https://doi.org/10.1117/12.938255

12. Kellman P. Time integrating optical signal processing // Optical Engineering. 1980. V. 19. N 3. P. 370–375. https://doi.org/10.1117/12.7972521

13. Montgomery R.M. Acousto-optical signal processing system. Patent US3634749. 1972.

14. Zaichenko K.V., Gurevich B.S. Early diagnostics of ischemia by means of electrocardiographic signals processing using acousto-optic Fourier processors with time integration // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11075. P. 110751U. https://doi.org/10.1117/12.2535709

15. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Акустооптическая вейвлет-обработка биоэлектрических сигналов // Письма в Журнал технической физики. 2022. Т. 48. № 1. С. 36–38. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.01.51877.18988

16. Zaichenko K.V. High accuracy adaptive frequency measurements for low signals in acoustic optical processors // Proceedings of SPIE. 1994. V. 2051. P. 732–738. https://doi.org/10.1117/12.165963

17. Аристархов Г.М., Воробьев А.В., Гуляев Ю.В., Дмитриев В.Ф., Зайченко К.В. и др. Фильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства. М.: Радиотехника, 2020. 504 с.

18. Kuzmin M.S., Rogov S.A. Spatial light modulator based on liquidcrystal video projector matrix for information processing systems // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2013. V. 22. N 4. P. 261–266. https://doi.org/10.3103/S1060992X13040103

19. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Ввод низкочастотных сигналов в оптические системы обработки информации с жидкокристаллической матрицей на входе // XI международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2022. С. 611–612.

20. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Анализатор свернутого спектра с жидкокристаллическим устройством ввода сигналов // Письма в Журнал технической физики. 2014. Т. 40. № 15. С. 1–5.

21. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Обработка одномерных сигналов с растровым вводом в двумерных оптических корреляторах // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 4. С. 156–158.

22. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Оптический фурье-процессор с жидкокристаллическим устройством ввода информации // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 3. С. 23–29.