This series presents continuation of Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej Elektryka

Transkrypt

1

2 This series presents continuation of Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej Elektryka Editorial Board prof. dr hab. inż. RYSZARD NAWROWSKI (Chairman), dr hab. inż. JÓZEF LORENC, prof. nadzw., dr hab. inż. ZBIGNIEW NADOLNY, dr hab. inż. ANDRZEJ KASIŃSKI, prof. nadzw. Scientific Secretaries of the Conference ZKwE dr inż. ANDRZEJ TOMCZEWSKI (Scientific Secretary of the Conference) mgr DOROTA WARCHALEWSKA-HAUSER (Organising Secretary of the Conference) Reviewers KAROL BEDNAREK, KRZYSZTOF BUDNIK, ARKADIUSZ DOBRZYCKI, KONRAD DOMKE, JERZY FRĄCKOWIAK, GRAŻYNA FRYDRYCHOWICZ-JASTRZĘBSKA, JACEK HAUSER, PAWEŁ IDZIAK, JAROSŁAW JAJCZYK, LESZEK KASPRZYK, RYSZARD NAWROWSKI, ANDRZEJ ODON, WŁADYSŁAW OPYDO, PRZEMYSŁAW OTOMAŃSKI, WOJCIECH PIETROWSKI, RYSZARD PORADA, KRZYSZTOF SROKA, ANDRZEJ TOMCZEWSKI, GRZEGORZ TRZMIEL, GRZEGORZ TWARDOSZ, GRZEGORZ WICZYŃSKI, ROBERT WRÓBLEWSKI, MAŁGORZATA ZALESIŃSKA, MARIA ZIELIŃSKA Cover design PIOTR GOŁĘBNIAK Edition based on ready-to-print materials submitted by authors ISSN Edition I Copyright by POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Poznan, Poland, 2014 PUBLISHING HOUSE OF POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Poznań, pl. M. Skłodowskiej-Curie 2 tel. +48 (61) , fax +48 (61) office_ed@put.poznan.pl, Sale of the publication: Poznańska Księgarnia Akademicka Poznań, ul. Piotrowo 3 tel ; fax politechnik@politechnik.poznan.pl, Księgarnia Uniwersytetu Ekonomicznego ul. Powstańców Wielkopolskich POZNAŃ tel , faks info@ksiegarnia-ue.pl Press: Binding and duplication in Perfekt Druk Poznań, ul. Świerzawska 1 tel

3 CONTENTS Preface Krystian SZYMCZAK, Anna CYSEWSKA-SOBUSIAK Zastosowanie ultradźwięków w inżynierii biomedycznej Zbigniew KRAWIECKI, Dariusz GLOGER Wirtualny przyrząd pomiarowy do rejestracji sygnału dźwiękowego z zastosowaniem światła z lasera półprzewodnikowego Marcin JUKIEWICZ Wykorzystanie maszyny wektorów nośnych oraz liniowej analizy dyskryminacyjnej jako klasyfikatorów cech w interfejsach mózgkomputer Jarosław JAJCZYK, Krzysztof MATWIEJCZYK Diagnostyka magistrali CAN w pojazdach Piotr BAKALAREK, Leszek KASPRZYK Przepływowy podgrzewacz paliwa dla pojazdów z silnikiem Diesla Artur BUGAŁA, Grażyna FRYDRYCHOWICZ-JASTRZĘBSKA Bilans ekonomiczny pracy układów nadążnych w fotowoltaice dla lokalnych warunków miejskich Artur BUGAŁA, Grażyna FRYDRYCHOWICZ-JASTRZĘBSKA Bilans energetyczny układów nadążnych w fotowoltaice dla lokalnych warunków miejskich część I Artur BUGAŁA, Grażyna FRYDRYCHOWICZ-JASTRZĘBSKA Bilans energetyczny układów nadążnych w fotowoltaice dla lokalnych warunków miejskich część II Grażyna FRYDRYCHOWICZ-JASTRZĘBSKA, Artur BUGAŁA Układy fotowoltaiczne współpracujące z koncentratorami Robert JĘDRYCHOWSKI System kontroli pracy małych źródeł energii elektrycznej w sieciach inteligentnych oparty na sterownikach PLC Marta KOLASA, Rafał DŁUGOSZ Koncepcja zastosowania sztucznych sieci neuronowych do lokalizacji elementów powodujących pogorszenie jakości energii elektrycznej w sieciach średniego napięcia Adam TOMASZUK Simulation of high-efficiency interleaved step-up DC-DC boostflyback converter to use in photovoltaic system... 97

4 4 Contents 13. Justyna MICHALAK Ryzyko w projektach inwestycyjnych energetyki odnawialnej Alicja GŁÓW, Dariusz KURZ Sposoby ochrony instalacji fotowoltaicznych przed następstwami zacienień Tomasz JEŻYK, Andrzej TOMCZEWSKI Krótkoterminowe prognozowanie zużycia energii elektrycznej z wykorzystaniem sztucznej sieci neuronowej Ryszard NAWROWSKI, Andrzej TOMCZEWSKI, Tomasz JARMUDA Koncepcja optymalizacji struktury hybrydowej elektrowni solarnowiatrowej Ryszard NAWROWSKI, Tomasz JARMUDA Projekt hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej Damian GŁUCHY, Dariusz KURZ, Grzegorz TRZMIEL Aspekty projektowania i eksploatacji systemów przeciwpożarowych w obiektach przemysłowych Bartosz CERAN, Paul A. BERNSTEIN Application PEM fuel cells in distributed generation Damian GŁUCHY, Dariusz KURZ, Grzegorz TRZMIEL Badania efektywności pracy fotodachówek umieszczonych na różnych podłożach dachowych Damian GŁUCHY, Dariusz KURZ, Grzegorz TRZMIEL Photovoltaic thermal as a hybrid form of obtaining energy from solar radiation Marek HORYŃSKI, Jacek MAJCHER Zdalny nadzór nad inteligentnym budynkiem Marek PALUSZCZAK, Alicja TWARDOSZ, Grzegorz TWARDOSZ Rozwój systemów pomiarowych w inteligentnych sieciach elektroenergetycznych Michał FILIPIAK Analiza wybranych układów umożliwiających bezprzewodowy przesył energii elektrycznej Krzysztof WANDACHOWICZ Optymalizacja kształtu odbłyśnika z wykorzystaniem różnych postaci funkcji celu

5 Contents Małgorzata ZALESIŃSKA Analiza warunków wykonywania badań wydolności wzrokowej kierowców z zastosowaniem symulatora jazdy Piotr KIEDROWSKI Zastosowanie protokołu hot potato w sterowaniu oświetleniem drogowym analiza właściwości ruchowych w oparciu o teorię grafów Małgorzata GÓRCZEWSKA, Sandra MROCZKOWSKA Iluminacja współczesnych obiektów architektonicznych na przykładzie Collegium Novum w Poznaniu Tomasz STANKOWIAK, Sandra MROCZKOWSKA Badania ogólnodostępnych zamienników lamp ciemniowych Janusz GONDEK, Sławomir KORDOWIAK, Krzysztof RATYŃSKI Cyfrowe programowalne sterowniki hybrydowe dla diod LED Łukasz PUTZ Optimization analyze of the LED lighting installation for a quality of electrical energy Marcin WESOŁOWSKI, Ryszard NIEDBAŁA, Jacek HAUSER Wyznaczanie dyfuzyjności cieplnej przy wykorzystaniu kamery termowizyjnej Jurij WARECKI, Michał GAJDZICA Analiza procesów zachodzących podczas załączania transformatora pieca łukowego zasilanego z układu z filtrami wyższych harmonicznych Authors index

6

7 PREFACE The publication includes contents of selected lectures delivered during the debates of the Conference on Computer Application in Electrical Engineering that was held in Poznan on April 28-29, The Institute of Electrical Engineering and Electronics of the Poznan University of Technology organized the Conference on Computer Application in Electrical Engineering for the 19 th time. The first Conference was held in 1996 and, since that time, has been held every year. Total number of 3302 lectures have been published from 1996 to During the past eighteenth years about 3500 persons participated to the Conferences, inclusive of the workers of universities, research centres, and industry, also from Czech, Germany, Romania and Ukraine. The Conference is aimed at presenting the applications of existing computer software and original programs in the field of modelling, simulation, measurements, graphics, databases, and computer-aided scientific and engineering works related to electrical engineering. The following thematic groups are foreseen: 1. ELECTRICAL ENGINEERING a. Electromagnetic field, electromagnetic compatibility b. Theory of circuits and signals c. Bioelectromagnetism d. Power engineering, renewable energy e. Electronics and power electronics f. Electrical engineering of vehicles g. Electrical heating h. Electrical machines, electrical drive i. Materials technology j. Mechatronics k. Electrical and electronic metrology l. Microprocessor technology and control systems m. Lighting technology 2. DIDACTICS, EDUCATION AND SCIENTIFIC INFORMATION Chairman of the Organising Committee ZKwE'2014 Prof. Ryszard Nawrowski, DSc

8

9 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 79 Electrical Engineering 2014 Krystian SZYMCZAK* Anna CYSEWSKA-SOBUSIAK* ZASTOSOWANIE ULTRADŹWIĘKÓW W INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ W artykule omówiono wybrane zagadnienia dotyczące wykorzystania fal ultradźwiękowych w inżynierii biomedycznej. W wielu przypadkach ultrasonografia jest jedyną możliwą do zastosowania metodą obrazowania, a nowoczesne ultrasonografy są złożonymi urządzeniami sterowanymi komputerowo. W pierwszej części pracy opisano wybrane zastosowania ultrasonografii w położnictwie. Wykorzystanie efektu przesunięcia dopplerowskiego umożliwia wykrycie ruchu narządu odbijającego wiązkę ultradźwięków i może zostać użyte do nieinwazyjnego wykrywania uderzeń serca płodu. Przedstawiono różne rodzaje prezentacji pozyskiwanych danych. W drugiej części pracy skupiono się na dezintegracji kamieni nerkowych za pomocą ultradźwiękowych fal uderzeniowych. Omówiono problematykę jednoczesnego generowania i ogniskowania fal ultradźwiękowych oraz precyzyjnej lokalizacji kamieni nerkowych. Poruszono również kwestię bezpiecznego stosowania ultradźwięków na potrzeby diagnostyki medycznej, skupiając się na środkach ochrony przed szkodliwym wpływem hałasu ultradźwiękowego i na bezpieczeństwie badań ultradźwiękowych. SŁOWA KLUCZOWE: inżynieria biomedyczna, ultradźwięki, ultrasonografia, litotrypsja 1. ZASTOSOWANIE ULTRASONOGRAFII W GINEKOLOGII I POŁOŻNICTWIE 1.1. Wstęp Ocena stanu płodu odgrywa istotną rolę we współczesnym położnictwie [2 4]. Celem monitorowania jest upewnienie się, że wszystkie narządy płodu są prawidłowo ukrwione i utlenowane, tak aby procesy metaboliczne mogły przebiegać w sposób prawidłowy. Spośród różnych technik rejestracji czynności serca płodu najczęściej stosowana jest pośrednia nieinwazyjna metoda dopplerowska. Wyznaczenie chwilowej częstości uderzeń serca płodu polega na rejestracji skurczów i rozkurczów serca, na podstawie analizy efektu przesunięcia dopplerowskiego wiązki ultradźwiękowej odbitej od poruszających się zastawek lub ścian serca płodu. Współczesne ultrasonografy umożliwiają obliczanie widm sygnałów dopplerowskich, co pozwala na zobrazowanie rozkładów prędkości * Politechnika Poznańska.

10 10 Krystian Szymczak, Anna Cysewska-Sobusiak przepływów krwi w naczyniach [3, 4]. Nieprawidłowy przepływ krwi w badaniu dopplerowskim jest bardzo ważnym sygnałem do intensywnego monitorowania płodu i przebiegu ciąży Tor pomiarowy Badanie dopplerowskie jest badaniem ultrasonograficznym pozwalającym na ocenę przepływów w krążeniu maciczno-łożyskowym. Dzięki badaniu dopplerowskiemu można ocenić ukrwienie poszczególnych struktur płodu oraz zbadać przepływy w małych naczyniach niewidocznych podczas standardowego USG. Wykorzystując efekt przesunięcia dopplerowskiego, możliwe jest wykrycie ruchu narządu odbijającego wiązkę ultradźwięków. Fala ultradźwiękowa dość łatwo przenika przez tkankę miękką, a część tej fali odbija się od powierzchni, gdzie skokowo zmienia się impedancja akustyczna tkanki, np. na styku dwóch różnych organów. Jeśli połącznie tkanek jest w ruchu względem źródła fal ultradźwiękowych, to częstotliwość odbitego sygnału będzie przesunięta względem pierwotnego sygnału zgodnie z efektem Dopplera. Dzięki temu zjawisku możliwe jest wykrywanie uderzeń serca płodu. Fale ultradźwiękowe są generowane w przetworniku sprzężonym akustycznie z powierzchnią brzucha matki dzięki zastosowaniu odpowiedniego żelu. Najczęściej stosuje się wiązkę ultradźwiękową w zakresie częstotliwości (12) MHz, gdyż fala wnika na tyle głęboko, aby w wystarczającym stopniu objąć płód. Fala ultradźwiękowa zostaje częściowo odbita od różnych powierzchni rozdzielających dwa ośrodki płodu: serce i krew. Dotyczy to szczególnie płatków zastawki. W tym przypadku, w niektórych fazach cyklu serca występują stosunkowo duże wartości prędkości ruchu. Wówczas wiązka ultradźwiękowa, odbita na granicy zastawka krew, ma częstotliwość znacznie zmienioną. Zmiana częstotliwości jest związana z prędkością odbijającej powierzchni, dzięki czemu możliwy do wykrycia jest każdy cykl uderzenia serca. Kardiotokografia jest jedną z głównych metod oceny stanu płodu, kontrolując czynności serca płodu na tle aktywności skurczowej macicy [2, 4]. Podstawowe składowe toru do ultradźwiękowej rejestracji czynności serca płodu w klasycznym kardiotokografie przedstawiono na rys Obrazowanie ultrasonograficzne W zależności od rodzaju badania stosuje się różne rodzaje prezentacji danych ultradźwiękowych: prezentację typu A (Amplitude), typu B (Brightness) i typu M (Motion) [3]: Prezentacja typu A jest to najstarszy i najprostszy sposób prezentacji danych ultradźwiękowych, który polega na wyświetlaniu chwilowych wartości

11 Zastosowanie ultradźwięków w inżynierii biomedycznej 11 odbieranego sygnału USG w funkcji czasu. Do uzyskania obrazów w prezentacji A wystarczy głowica USG z pojedynczym przetwornikiem piezoelektrycznym, nadająca impuls pobudzający i odbierająca echa powstające w badanym ośrodku. Ten sposób prezentacji danych stosowany jest do tej pory w okulistyce. Umożliwia on łatwą ocenę struktur oka, w tym np. stwierdzenie odklejenia się siatkówki. Rys. 1. Schemat toru pomiarowego w klasycznym kardiotokografie [2] Prezentacja typu B polega na wizualizacji dwuwymiarowego przekroju, w której wartość chwilowa odbieranego sygnału moduluje jaskrawość kolejnych punktów obrazu. Obraz generowany jest w ten sposób, że głowica ultradźwiękowa emituje impulsy w postaci wąskiej wiązki w ściśle określonym kierunku. Następnie odbiera z tego kierunku echa, powstające na niejednorodnościach struktur biologicznych. Często charakterystyka kierunkowa odbiorcza jest bardziej ostra i lepiej określona, niż charakterystyka nadawcza. Wypadkowa charakterystyka kierunkowa jest iloczynem charakterystyk nadawczych i odbiorczych. Inaczej mówiąc, sygnał odbierany ze zbioru punktów ośrodka jest iloczynem zbiorów punktów pobudzonych przy nadawaniu i odsłuchanych przy odbiorze. W ten sposób tworzony jest jeden promień akustyczny. Po odsłuchaniu i zapamiętaniu wszystkich ech z tego promienia, głowica ultradźwiękowa emituje kolejny promień. Po zapamiętaniu ech ze wszystkich promieni (w współczesnych aparatach USG jest ich od 100 do 400) aparat wyświetla zapamiętany obraz. Prezentacja typu B jest najczęściej stosowana w diagnostyce USG. Możliwości jej są dodatkowo

12 12 Krystian Szymczak, Anna Cysewska-Sobusiak zwiększone przez liczne algorytmy pomiarowe. Rysunek 2 przedstawia płód w obrazowaniu typu B [6]. Prezentacja typu M nazywana dawniej TM (Time Motion), polega na odsłuchu echa z tego samego kierunku w kolejnych momentach. Odebrane echa wyświetlane są w taki sposób jak w prezentacji B, tzn. wartość chwilowa sygnału modeluje jaskrawość wyświetlanych punktów, a kolejne linie są wyświetlane obok siebie, pionowo. Obraz w prezentacji jest przewijany, to znaczy w danym kierunku jest na bieżąco zapisywana i wyświetlana ostatnia linia z prawej strony. Wcześniejsze linie przesuwane są w lewo. Rys. 2. Ultrasonograficzny obraz płodu w 14-tym tygodniu ciąży wykonany aparatem USG Logiq 200 firmy General Electric [6] USG 3D/4D ten typ obrazowania w porównaniu z prezentacją typu B umożliwia uzyskanie obrazu trójwymiarowego lepszej jakości i o wiele większej rozdzielczości. Obraz uzyskiwany w wyniku badania USG 4D jest dodatkowo rejestrowany w czasie rzeczywistym. 2. DEZINTEGRACJA KAMIENI NERKOWYCH ZA POMOCĄ ULTRADŹWIĘKOWYCH FAL UDERZENIOWYCH 2.1. Wstęp Fala ultradźwiękowa ulega osłabieniu wskutek pochłaniania, rozpraszania i odbicia [1 4]. W diagnostyce wykorzystuje się głównie zjawisko odbicia, a w terapii zjawisko pochłaniania. Wpływ ultradźwięków na kamienie moczowe zaczęto badać na początku lat pięćdziesiątych XX wieku, ale przełom w tym zakresie nastąpił pod koniec lat siedemdziesiątych, gdy została opracowana metoda ESWL (Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy), polegająca na kruszeniu kamieni w sposób najmniej

13 Zastosowanie ultradźwięków w inżynierii biomedycznej 13 inwazyjny, za pomocą wysokoenergetycznych fal uderzeniowych generowanych poza ciałem człowieka [2, 4]. W Polsce zainicjowano pierwsze badania nad litotrypsją kamieni nerkowych w roku 1987, a zaowocowały one zbudowaniem w 1989 roku pierwszego eksperymentalnego urządzenia. W 1988 roku powstało w Polsce pierwsze centrum litotrypsji w klinice Urologii AM w Warszawie, wyposażone w litotryptor Lithostar firmy Simens. W 1995 roku, w tej samej klinice, pomyślne badania przeszedł prototyp litotryptora opracowanego w Zakładzie Ultradźwięków IPPT PAN Podstawy fizyczne Dezintegracja kamieni nerkowych działa na zasadzie wytworzenia wysokiego ciśnienia (do 100 MPa) na kamieniu nerkowym, powodując jego kruszenie się na piasek. Ciśnienie o krótkim czasie trwania i dużej amplitudzie jest wytwarzane w procesie propagacji fal uderzeniowych. Fale uderzeniowe, w przeciwieństwie do fal stosowanych w diagnostyce, tworzą krótkie impulsy o charakterystycznym, nanosekundowym narastaniem czoła impulsu (rys. 3). Fale te wykazują małe tłumienie podczas przechodzenia przez wodę i tkanki miękkie, nie powodując w nich uszkodzeń. Rys. 3. Lokalizacja i monitorowanie kamienia z zastosowaniem dwóch systemów rentgenowskich w urządzeniu DORNIERA HM-1 [2]; LR- lampy rentgenowskie, WO-wzmacniacze obrazu Dezintegracja kamieni falami uderzeniowymi spowodowana jest kilkoma zjawiskami mogącymi wystąpić pojedynczo lub jednocześnie: Amplituda ciśnienia fali uderzeniowej może od razu przewyższać krótkotrwały opór ciśnieniowy kamienia. Kamień zostaje wówczas zniszczony w wyniku przejścia fali uderzeniowej.

14 14 Krystian Szymczak, Anna Cysewska-Sobusiak Fala rozciągająca, która pojawia się wskutek odbicia na tylnej stronie kamienia, prowadzi do kruszenia materiału nawet przy niewielkiej amplitudzie w związku z niską granicą wytrzymałości substancji mineralnych na rozciąganie. Wytrzymałość kamieni nerkowych na ściskanie zawarta jest w granicach (1,9217,5) MPa, a na rozciąganie (0,08 3,43) MPa. Zjawiska kawitacyjne. W trakcie ekspozycji kamienia na impuls fali uderzeniowej, na jego powierzchni i w szczelinach powstają pęcherzyki gazu (kawitacyjne), które zapadając się są źródłami fali uderzeniowej. Powstaje wówczas lokalny wzrost ciśnienia do 10 MPa. Zjawiska te prowadzą do erozji powierzchniowej i mikropęknięć Lokalizacja kamieni Efektywność procesu dezintegracji kamienia metodą ESWL zależy od precyzji zlokalizowania kamienia w nerce chorego i od pozycjonowania pacjenta tak, aby kruszony kamień znajdował się w ognisku fali uderzeniowej. Na rysunku 3 przedstawiono urządzenie DORNIERA [2], gdzie zastosowano system składający się z dwóch aparatów rentgenowskich monitorujących w czasie rzeczywistym nerkę pacjenta, a obraz obserwowano na dwóch monitorach. Uzyskiwano precyzję lokalizacji kamieni do 1 mm, ale pacjent poddawany był napromieniowaniu przez około 1 godzinę. Lokalizację USG, korzystną z punktu widzenia bezpieczeństwa pacjenta, wprowadzono po raz pierwszy w urządzeniu LT-01 (EDAP). Jednakże tylko około 50% kamieni moczowych można lokalizować tą metodą, gdyż obraz kamienia jest prezentowany w postaci trudnego do interpretacji cienia akustycznego. Doskonalenie techniki RTG, polegające na wprowadzeniu wzmacniaczy obrazu z pamięcią cyfrową i zmniejszenie ekspozycji na promieniowanie, spowodowało obecne lokalizowanie kamieni tą techniką. Podstawą skutecznej litotrypsji zlokalizowanego kamienia jest jego precyzyjne umieszczenie w ognisku głowicy udarowej i utrzymanie go w tej pozycji podczas kruszenia. Czynności te są realizowane za pomocą specjalnego, sterowanego komputerowo stołu, na którym leży pacjent. W wycięciu blatu takiego stołu znajdują się jedna lub dwie głowice udarowe, osłonięte kołpakami gumowymi i sprzęgnięte akustycznie z ciałem pacjenta warstwą żelu. 3. BEZPIECZEŃSTWO STOSOWANIA ULTRADŹWIĘKÓW W DIAGNOSTYCE MEDYCZNEJ Jedną z głównych przyczyn, dla których metody ultrasonograficzne stosuje się powszechnie w diagnostyce medycznej, jest przekonanie, że metody te są całkowicie nieszkodliwe dla zdrowia pacjenta. Kilkudziesięcioletnie doświadczenia potwierdzają tezę, że fale ultradźwiękowe o natężeniach

15 Zastosowanie ultradźwięków w inżynierii biomedycznej 15 stosowanych w diagnostyce medycznej nie wywołują skutków ubocznych [3, 4]. W rezultacie jedyną powszechnie dostępną metodą obrazowania stosowaną w monitorowaniu ciąży i prognozowaniu terminu porodu jest ultrasonografia. Propagacja fali ultradźwiękowej wiąże się jednak z depozycją w ośrodku energii, która doprowadza do lokalnego wzrostu temperatury o wartości zależnej od natężenia fali i czasu jej oddziaływaniania. Największe wartości natężenia (do 800 mw cm -2 ) występują przy badaniach typu cwd (continuous wave Doppler). Przy obrazowaniu echograficznym wartość natężenia rzadko przekracza 100 mw cm -2. Czas badania wynosi kilkadziesiąt sekund. Aby wywołać wzrost temperatury powyżej 42ºC, tj. hipertermię, jak wykazują próby stosowania ultradźwięków w terapii nowotworowej, konieczne jest zastosowanie natężeń fali ultradźwiękowej o wartościach znacznie większych niż na potrzeby diagnostyczne. Kolejnym szkodliwym zjawiskiem jest tzw. kawitacja (powstawanie w cieczy pęcherzyków wypełnionych gazem przy spadku ciśnienia poniżej wartości progowej). Czynnikami, które do tego prowadzą, są: wartość ujemnego ciśnienia wywołanego propagacją fali akustycznej i czas trwania impulsu ultradźwiękowego. W 1976 roku Amerykański Instytut Ultradźwięków określił dopuszczalne dawki ultradźwięków stosowanych w medycynie. Zgodnie z nimi nie zauważono żadnych znamiennych oddziaływań ultradźwięków in vivo na tkanki ssaków przy natężeniach fali poniżej 0,1 W/cm 2 (bez ogniskowania) oraz 1W/cm 2 przy ogniskowaniu (wartość szczytowa w przestrzeni, uśredniona w czasie, oznaczona skrótem SPTA (Space Peak Time Average), mierzona w wodzie). Przy większych natężeniach nie stwierdzono zmian biologicznych, gdy iloczyn natężenia i czasu działania ultradźwięków był mniejszy niż 50 Ws/cm 2, przy czasie działania ultradźwięków w zakresie (1500) s (bez ogniskowania) oraz krótszego niż 50 s dla wiązki zogniskowanej. W 1992 roku amerykańskie organizacje NEMA (North American Manufactures Association) i AIUM (American Institute of Ulrasound in Medicine) wyraziły zgodę na dobrowolną standaryzację ultradźwiękowego sprzętu diagnostycznego oraz umieszczanie odpowiedniej informacji na ekranie aparatu. 4. PODSUMOWANIE Nowoczesne ultrasonografy są złożonymi urządzeniami sterowanymi komputerowo. Ultrasonografia znajduje obecnie coraz szersze zastosowanie w inżynierii biomedycznej zarówno na potrzeby diagnostyki, jak i terapii. W artykule przedstawiono przykłady: diagnostycznego zastosowania obrazowania USG we współczesnym położnictwie oraz terapeutycznego zastosowania ultradźwiękowych fal uderzeniowych do kruszenia kamieni nerkowych. Postęp technologiczny umożliwia budowę wielofunkcyjnej aparatury o bardzo wysokiej rozdzielczości i specjalistycznym oprogramowaniu pozwalającym na 2-, 3- i nawet 4-wymiarowe obrazowanie. W pracy poruszono również kwestię bezpieczeństwa badań

16 16 Krystian Szymczak, Anna Cysewska-Sobusiak ultradźwiękowych. Ultrasonografię uznaje się za skuteczną i bezpieczną technikę, ale ze względu na możliwość powstawania w organizmie człowieka efektów termicznych i kawitacyjnych konieczny jest dobór fali akustycznej o odpowiedniej częstotliwości i możliwie najmniejszej mocy. LITERATURA [1] Pawlicki G., Podstawy inżynierii biomedycznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [2] Polska Akademia Nauk, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, Tom 2, Biopomiary, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa [3] Polska Akademia Nauk, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, Tom 8, Obrazowanie biomedyczne, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa [4] Hrynkiewicz Z.A., Rokita E., Metody diagnostyki medycznej i terapii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [5] Tadeusiewicz R., Śmietański J., Pozyskiwanie obrazów medycznych, Wyd. Studenckiego Towarzystwa Naukowego, Kraków [6] Dostęp r. APPLICATION OF ULTRASOUNDS IN BIOMEDICAL ENGINEERING This paper describes the selected problems concerned with the common use of ultrasounds in biomedical engineering. The modern USG units are the complex computercontrolled devices. In a lot of cases ultrasonography is only one method which may be safely used in medical imaging. Firstly, some selected applications of ultrasonography in obstetrics are presented. Different kinds of the acquired data presentation are described. Secondly, specific questions concerning disintegration of the kidney stones by the use of the ultrasonic shock waves are mentioned. Safe applying the ultrasounds has been also raised, focusing on the means of the protection from the harmful influence noise of ultrasounds and on the safety of ultrasonic investigations.

17 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 79 Electrical Engineering 2014 Zbigniew KRAWIECKI* Dariusz GLOGER* WIRTUALNY PRZYRZĄD POMIAROWY DO REJESTRACJI SYGNAŁU DŹWIĘKOWEGO Z ZASTOSOWANIEM ŚWIATŁA Z LASERA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO W artykule opisano budowę i działanie wirtualnego przyrządu pomiarowego służącego do rejestracji sygnałów dźwiękowych. Nośnikiem informacji jest modulowane falą akustyczną światło z lasera półprzewodnikowego. W pracy opisano poszczególne elementy wchodzące w skład przyrządu oraz aplikację sterującą jego działaniem. Aplikacja została napisana w środowisku programistycznym LabVIEW. Jest ona narzędziem, które może być wykorzystywane do pozyskiwania, interpretacji, odtwarzania oraz analizy sygnałów dźwiękowych. Zrealizowany etap prac potwierdzony został przykładowymi pomiarami. SŁOWA KLUCZOWE: wirtualny przyrząd pomiarowy, fotodetektor, laser półprzewodnikowy 1. WPROWADZENIE Technika rejestracji fali akustycznej z wykorzystaniem światła lasera jest alternatywą do rozwiązań, w których stosuje się tradycyjny mikrofon. Nie jest jednak tak powszechnie stosowana. Rozważając praktyczną realizację układu pomiarowego należy zwrócić uwagę na szereg czynników, które związane są m.in. ze specyfiką sygnału pomiarowego jako nośnika informacji oraz właściwościami optycznymi zestawianego kanału pomiarowego. Należą do nich: rozpraszanie i pochłanianie promieniowania optycznego w torze pomiarowym, odległość, kąt padania, kąt odbicia światła laserowego pomiędzy nadajnikiem, źródłem dźwięku (powierzchnią odbijającą) i odbiornikiem itd. Są to czynniki, które ze względów metrologicznych mają znaczenie gdyż wpływają na wartość i jednocześnie jakość rejestrowanego sygnału. W niniejszym artykule opisany został pierwszy (początkowy) etap prac, który związany jest z wykonaniem wirtualnego przyrządu pomiarowego do rejestracji i analizy sygnałów akustycznych, których nośnikiem będzie odbite od źródła dźwięku promieniowanie optyczne (światło z lasera półprzewodnikowego). * Politechnika Poznańska.

18 18 Zbigniew Krawiecki, Dariusz Gloger 2. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE Przyjęto, że konstruowany przyrząd będzie wykonany jako mobilne stanowisko pomiarowe. Wobec tego urządzenia zastosowane do budowy powinny posiadać własne zasilanie np. z baterii lub akumulatora. Dodatkowo przewiduje się możliwość ich zasilania także z sieci energetycznej. Sterowanie będzie realizowane z poziomu komputera PC i najlepszym rozwiązaniem w takim przypadku jest zastosowanie jednostki mobilnej (laptopa) oraz wykorzystanie komunikacji z urządzeniami peryferyjnymi w oparciu o dostępne magistrale. Komputer PC z napisanym oprogramowaniem sterującym będzie pełnił funkcję kontrolera, tzn. jednostki nadzorującej działanie wirtualnego przyrządu z funkcją wyzwalania pomiarów. Urządzenia peryferyjne będą tworzyły funkcjonalnie dwa bloki: jeden odpowiedzialny za sterowanie diodą laserową czyli będzie to blok nadajnika i drugi pełniący funkcję odbiornika sygnału. Przewiduje się, że sprzętowo blok nadajnika promieniowania optycznego zostanie zrealizowany z diody laserowej z układem kontrolno-sterującym. Układ ten będzie sterowany (wyzwalany) zewnętrznym sygnałem. Natomiast blok odbiornika sygnału będą tworzyły: detektor promieniowania optycznego, przedwzmacniacz sygnału, filtr dolnoprzepustowy i karta pomiarowa. Schemat blokowy takiego stanowiska (wirtualnego przyrządu pomiarowego) został przedstawiony na rysunku 1. Rys. 1. Schemat blokowy wirtualnego przyrządu pomiarowego Na obecnym etapie uruchamiania przyrządu pomiarowego pewne elementy budowy zostaną uproszczone tzn. pominięty zostanie w części nadawczej układ kontrolno-sterujący z diodą laserową a w to miejsce zostanie wykorzystany typowy wskaźnik laserowy. Przyjęto, że pomiary sygnałów będą wykonywane dla stosunkowo niewielkich odległości, nie przekraczających 1 m między nadajnikiem a źródłem dźwięku oraz między źródłem dźwięku i fotodetektorem.

19 Wirtualny przyrząd pomiarowy do rejestracji sygnału dźwiękowego 19 Aplikacja sterująca pracą stanowiska powinna umożliwiać rejestrację surowych wyników pomiarów do pliku tzn. próbek sygnału, rejestrację pliku muzycznego z rozszerzeniem wav oraz późniejszy odczyt tych danych. Wyniki pomiarów kartą DAQ powinny być prezentowane na wyświetlaczu graficznym w funkcji czasu. Program powinien z zarejestrowanych próbek wyznaczyć wartość maksymalną, minimalną i skuteczną napięcia oraz poziom sygnału w decybelach. Wśród dodatkowych funkcji przewiduje się analizę sygnału z zastosowaniem transformaty FFT, wyznaczenia widma tercjowego i oktawowego rejestrowanego sygnału. 3. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA STANOWISKA W oparciu o przyjęte założenia zbudowane zostało stanowisko i napisana aplikacja do jego obsługi. Komputer z aplikacją steruje działaniem karty pomiarowej, która pełni funkcję urządzenia rejestrującego sygnał pomiarowy. Zastosowany został model karty NI-USB 6210 firmy National Instruments [2]. Jest to karta, którą producent wyposażył w 16 bitowy przetwornik A/C o maksymalnej częstotliwości próbkowania 250 ks/s, 16 analogowych multipleksowanych kanałów pomiarowych, 2 wyjścia analogowe, 4 wejścia cyfrowe i 4 wyjścia cyfrowe. Do rejestracji sygnału wykorzystany został jeden z kanałów analogowych karty, przy czym jego numer jest ważny przy zmianie połączeń w układzie. Pomiar sygnału może być wykonywany na jednym z czterech zakresów pomiarowych karty: ±0,2 V, ±1 V, ±5 V, ±10 V. Niedokładność pomiaru wyznaczona dla pełnej skali najmniejszego zakresu pomiarowego wynosi Δ = ± 0,088 mv a dla zakresu największego Δ = ± 2,69 mv. Komunikacja między komputerem PC (kontrolerem) a kartą jest realizowana z użyciem magistrali USB 2. Do obsługi magistrali komunikacyjnej wykorzystano sterowniki zastosowanego środowiska programistycznego. Konfiguracja ustawień parametrów przetwarzania i pracy karty jest wykonywana programowo. Jako źródło promieniowania optycznego wykorzystano typowy wskaźnik laserowy, który składa się z lasera półprzewodnikowego o mocy 1 mw, emitującego światło barwy czerwonej w zakresie długości fali od 650 nm do 670 nm i układu optycznego z soczewką skupiającą (kolimatorem). Detektorem jest fotodioda BPW34 pracująca w zakresie długości fali od 430 nm do 1100 nm, z maksymalną czułością dla długości fali 900 nm. Pole powierzchni światłoczułej tej fotodiody wynosi 7,5 mm 2 a kąt detekcji φ = ±65 [3]. Dodatkowo, wyłącznie do celów testowych, na stanowisku jako powierzchnia odbijająca została przygotowana z polichlorku winylu membrana o grubości 0,15 mm. Jest bezbarwna, z obu stron posiada połyskująca powierzchnię. Została zamocowana na statywie i osadzona w okrągłej aluminiowej ramce o średnicy 160 mm. Źródłem dźwięku, również do celów testowych, jest wysokiej klasy głośnik stosowany jako monitor studyjny M1Active MKII, firmy Alesis, o paśmie

20 20 Zbigniew Krawiecki, Dariusz Gloger przenoszenia mieszczącym się w zakresie od 40 Hz do 23,5 khz [6]. Układ fotodetektora (fotodioda z szeregowo połączonym rezystorem) zamienia padające na powierzchnię światłoczułą fotodiody promieniowanie optyczne na sygnał elektryczny. Do wstępnej obróbki odebranego sygnału zastosowano przedwzmacniacz i filtr dolnoprzepustowy. Urządzenie zostało zaprojektowane, wykonane i przebadane eksperymentalnie [5]. Wyniki testów wskazują, że przedwzmacniacz charakteryzuje się bardzo dobrą transmisją sygnału w szerokim paśmie częstotliwości słyszalnych od 20 Hz do 20 khz oraz małymi szumami własnymi układu przy dużym wzmocnieniu. Na rys. 2 przedstawiono widok wykonanego stanowiska pomiarowego. Rys. 2. Widok wykonanego stanowiska pomiarowego, gdzie: a) wskaźnik laserowy, b) fotodetektor, c) membrana, d) źródło dźwięku, e) przedwzmacniacz sygnału, f) karta pomiarowa, g) komputer z aplikacją w LabVIEW Położenie źródła światła i detektora promieniowania optycznego względem zbudowanej membrany zostało dobrane doświadczalnie. Przy wyłączonym źródle dźwięku, odbite od powierzchni membrany światło z lasera tworzy plamkę na powierzchni światłoczułej fotodiody. Wzajemne położenie elementów w układzie optycznym dobrano tak, aby plamka w możliwie największym stopniu obejmowała powierzchnię fotodiody. Dźwięk z głośnika gdy dociera do umieszczonej przed nim dodatkowej membrany wprawia ją w drgania. Odbita od drgającej membrany wiązka światła laserowego zaczyna zmieniać swoje położenie jednocześnie zmieniając pole oświetlanej powierzchni fotodiody. Wywołuje to zmianę prądu płynącego przez fotodiodę i jednocześnie zmianę napięcia na włączonym w szereg rezystorze. W dalszej kolejności sygnał jest odpowiednio wzmocniony w przedwzmacniaczu, odfiltrowany przy użyciu filtru dolnoprzepustowego i

21 Wirtualny przyrząd pomiarowy do rejestracji sygnału dźwiękowego 21 doprowadzony do wejścia analogowego karty pomiarowej. Za pomocą aplikacji sterującej stanowiskiem uruchomiona zostaje rejestracja sygnału, który możemy nazywać sygnałem audio, ponieważ odwzorowuje dźwięk i mieści się w granicach częstotliwości słyszalnych. Sygnał ten może zostać zapisany do popularnego formatu muzycznego wav lub pliku z rozszerzeniem tdms, który zawiera dane o zarejestrowanych próbkach. 4. APLIKACJA STERUJĄCA PRZYRZĄDEM Oprogramowanie zostało napisane w środowisku LabVIEW firmy National Instruments [1, 7]. W algorytmie aplikacji wyodrębnione zostały cztery podstawowe moduły: moduł do sterowania kartą pomiarową, moduł do rejestracji wyników pomiarów, moduł do odczytu wyników z pliku, moduł przetwarzania i analizy wyników pomiarów. Moduł do sterowania kartą pomiarową wykorzystuje dostępny w środowisku LabVIEW kreator konfiguracji zadania pomiarowego. Kreator ten obsługuje rodzinę kart wielofunkcyjnych oznaczonych symbolem DAQmx i umożliwia ustawienie wybranych parametrów pracy karty DAQ. W swojej strukturze ma zaimplementowane algorytmy pomiaru różnych wielkości np. napięcia, temperatury, odkształceń (naprężeń), prądu, rezystancji, częstotliwości, położenia, wibracji, natężenia dźwięku itd. Okno dialogowe kreatora zostało przedstawione na rysunku 3. Rys. 3. Okno dialogowe kreatora zadania pomiarowego dla wielofunkcyjnych kart DAQmx

22 22 Zbigniew Krawiecki, Dariusz Gloger W związku z tym, że kreator przystosowany został do obsługi znacznej grupy kart pomiarowych niektóre z wyświetlonych wielkości nie są obsługiwane przez zastosowany model karty. W prezentowanym rozwiązaniu wirtualnego przyrządu zadanie pomiarowe skonfigurowano na pomiar napięcia, do którego przypisany został wirtualny kanał pomiarowy. W kolejnym oknie dialogowym możliwa jest zmiana częstotliwości próbkowania (1), liczby zbieranych próbek (2), zakresu mierzonego sygnału (3), trybu pracy wzmacniacza programowalnego w karcie (4). Parametry te są ustawiane w panelu konfiguracyjnym przedstawionym na rysunku 4. Zamieszczone na rysunku wartości parametrów są to nastawy standardowe ustawione przez producenta sprzętu i możliwa jest ich zmiana w trakcie realizacji pomiarów. Rys. 4. Panel konfiguracji parametrów przetwarzania sygnału i pracy karty DAQ Przyjęto częstotliwość próbkowania o takiej wartości, która jest powszechnie stosowana w cyfrowych urządzeniach rejestrujących tzn S/s. Natomiast liczba próbek będzie ulegała zmianie w zależności od czasu rejestracji. W aplikacji oprócz funkcji, które zarządzają stanowiskiem zaimplementowano algorytmy wyznaczania: wartości maksymalnej, minimalnej i wartość skutecznej napięcia. Wartość skuteczna napięcia obliczana jest zgodnie z zależnością (1): U 1 1 n 2 u i n i0 gdzie: n oznacza numer próbki pomiarowej o wartości chwilowej napięcia u i. Na rysunku 5 przedstawiono panel programu do odczytu danych z pliku z prezentacją wyników w formie graficznej w postaci przebiegu czasowego i widma częstotliwościowego. Pozostałe wymienione w pracy funkcje pomiarowe są dostępne na kolejnych panelach aplikacji. (1)

23 Wirtualny przyrząd pomiarowy do rejestracji sygnału dźwiękowego 23 Rys. 5. Panel programu do odczytu danych z pliku Widoczny na rysunku 5 wynik przykładowego pomiaru jest to sygnał zarejestrowany przy użyciu wykonanego wirtualnego przyrządu pomiarowego gdy do głośnika M1Active MKII doprowadzony został przebieg sinusoidalny o częstotliwości 1 khz. Widoczne zniekształcenia obwiedni sygnału, które są dodatkowo potwierdzone występowaniem składowych harmonicznych (analiza FFT), prawdopodobnie wynikają z właściwości fizycznych zastosowanej na stanowisku membrany, stopnia jej naprężenia w aluminiowej ramce, właściwości akustycznych otoczenia itd. Przypuszcza się, że w wyniku dalszych prac będzie możliwa modyfikacja stanowiska w celu poprawy właściwości metrologicznych tak, aby ograniczyć wpływ tych elementów, które powodują zniekształcenie sygnału w torze pomiarowym. 5. PODSUMOWANIE Opisany w pracy wirtualny przyrząd pomiarowy został wykonany z zastosowaniem nowoczesnych technik, w których do budowy stanowisk pomiarowych wykorzystuje się elementy sprzętowe i programowe. Podstawowym jego przeznaczeniem jest pomiar sygnałów akustycznych z wykorzystaniem

24 24 Zbigniew Krawiecki, Dariusz Gloger światła laserowego jako nośnika informacji dźwiękowej w układzie lasermembrana-fotodetektor. Przewiduje się, że zastosowania mogą być szersze jak np.: wykrywanie drgań, wibracji, prędkości wirowania ruchomych elementów maszyn itd. Napisana w środowisku LabVIEW aplikacja działa poprawnie i umożliwia konfigurację karty pomiarowej, rejestrację wyników pomiarów do pliku, odczyt wyników z pliku oraz przetwarzanie i ich analizę. Przeprowadzone zostały przykładowe pomiary w celu sprawdzenia poprawności działania przyrządu. Na dalszym etapie prac przewiduje się wykonanie serii pomiarów dla różnych membran i różnych sygnałów testowych, przeprowadzenie pomiaru sygnału w funkcji jego częstotliwości, wykonanie badań porównawczych z zastosowaniem analizatora sygnałów akustycznych XL2 firmy NTI. LITERATURA [1] LabVIEW User Manual, National Instruments Corporation, [2] NI USB-621x User Manual, [3] Dokumentacja techniczna fotodiody BPW34 firmy Vishay. [4] Davis G., Jones R., The Sound Reinforcement Handbook Second Edition, Hal Leonard Publishing Corporation, USA [5] Gloger D., Odon A., Microphone preamplifier for professional purposes, Academic Journals, Poznań [6] M1 Active Mk2 Reference Manual, Alesis Corporation, [7] Otomański P., Krawiecki Z., Odon A., The application of the LabVIEW environment to evaluate the accuracy of alternating voltage measurements, Journal of Physics: Conference Series, 13 th IMEKO TC1-TC7 Joint Symposium: Without Measurement No Science, Without Science No Measurement, vol 238, 1-3 September 2010, City University London, UK, pp VIRTUAL MEASURING INSTRUMENT FOR RECORDING SOUND SIGNAL WITH THE USE OF SEMICONDUCTOR LASER LIGHT This paper describes the structure and operation of a virtual measuring instrument designed to record sound signals. The light beam coming from a semiconductor laser, modulated by acoustic wave is the information carrier. All the particular elements of the instrument and the application controlling its operation are presented. The application was created in the LabVIEW software environment. It is a tool that can be used in order to obtain, interpret, play and analyze the sound signals. The achieved stage of the work has been confirmed with the selected measurements.

25 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 79 Electrical Engineering 2014 Marcin JUKIEWICZ* WYKORZYSTANIE MASZYNY WEKTORÓW NOŚNYCH ORAZ LINIOWEJ ANALIZY DYSKRYMINACYJNEJ JAKO KLASYFIKATORÓW CECH W INTERFEJSACH MÓZG-KOMPUTER Głównym celem artykułu jest porównanie skuteczności klasyfikacji cech dwóch algorytmów klasyfikujących wykorzystywanych w interfejsach mózg-komputer: SVM (ang. Support Vector Machine, Maszyna Wektorów Nośnych) oraz LDA (ang. Linear Discriminant Analysis, Liniowa Analiza Dyskryminacyjna). W artykule przedstawiono interfejs, w którym użytkownikowi prezentowane są dwa bodźce migające z różną częstotliwością (10 i 15 Hz), a następnie za pomocą elektrod elektroencefalografu mierzona jest odpowiedź elektryczna mózgu. W takich interfejsach sygnał zbierany jest zwykle w okolicach potylicznych (nad korą wzrokową). W prezentowanym rozwiązaniu sygnał mierzony jest z okolic czołowych. W przetwarzaniu i analizie sygnału zastosowano algorytmy statystycznego uczenia maszynowego. Do ekstrakcji cech sygnału wykorzystano Szybką Transformatę Fouriera, do selekcji cech: test t-welcha, a do klasyfikacji cech: SVM oraz DLA. Na podstawie odpowiedzi uzyskanej z klasyfikatora możliwe jest np. wysterowanie kierunku skrętu robota mobilnego lub włączenie czy wyłączenie oświetlenia. SŁOWA KLUCZOWE: interfejs mózg-komputer, brain-computer interface, Support Vector Machine, Maszyna Wektorów Nośnych, Linear Discriminant Analysis, Liniowa Analiza Dyskryminacyjna 1.1. Interfejsy mózg-komputer 1. WSTĘP Interfejs mózg-komputer (BCI) to urządzenie, które pozwala osobom sparaliżowanym sterować np. robotem, protezą bądź wózkiem inwalidzkim wykorzystując jedynie reakcje własnego mózgu. Pozwala ono na bezpośrednie przełożenie intencji człowieka na sygnały sterujące, tworząc bezpośrednią ścieżkę komunikacji pomiędzy ludzkim mózgiem a urządzeniami zewnętrznymi, bez udziału mięsni i obwodowego układu nerwowego. Urządzenia te mogą być jedynym możliwym sposobem komunikacji osób niepełnosprawnych, np. z porażeniem dziecięcym, po udarze lub z urazami mózgu czy rdzenia kręgowego [1, 2]. * PolitechnikaPoznańska.

26 26 Marcin Jukiewicz W interfejsach nieinwazyjnych powszechnie stosowany jest elektroencefalograf (EEG) z uwagi na szybką odpowiedź elektryczną mózgu na zmieniające się bodźce, względną łatwość akwizycji sygnału oraz niższe koszty systemu w porównaniu z innymi metodami monitorowania aktywności mózgu (magnetoencefalografia, spektroskopia bliskiej podczerwieni, pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa lub funkcjonalny rezonans magnetyczny) [2, 3]. Interfejsy wymagają bodźców zewnętrznych. Bodźce mogą być słuchowe, somatosensoryczne lub wzrokowe [2]. Oznacza to, że takimi bodźcami mogą być różne dźwięki, stymulacja dotykowa lub migające światła o różnych częstotliwościach. Spontaniczna, elektryczna reakcja mózgu pojawiająca się na powierzchni mózgu w wyniku zarejestrowania przez człowieka zewnętrznego bodźca nazywana jest potencjałem wywołanym. W typowym interfejsie mózgkomputer każdy bodziec jest związany z poleceniem, które steruje aplikacją bądź urządzeniem zewnętrznym. Aby wybrać polecenie, użytkownik musi skupić swoją uwagę na odpowiednim bodźcu Wzrokowe potencjały wywołane Aby wybrać polecenie, użytkownik musi skupić swoją uwagę na odpowiednim bodźcu. Wzrokowe potencjały wywołane stanu ustalonego SSVEP (ang. Steady State Visual Evoked Potentials) to reakcja mózgu obserwowalna głównie w korze wzrokowej, podczas gdy osoba badana skupia uwagę na obrazie (wyświetlanym na ekranie monitora) migoczącym z częstotliwością powyżej 4 Hz. Częstotliwością dominującą w sygnale elektrycznym zmierzonym w okolicach potylicznych jest więc częstotliwość, z jaką migocze bodziec obserwowany przez badanego oraz jego harmoniczne. Rys. 1. Umiejscowienie elektrod przedczołowych i potylicznych wg standardu W sytuacji, kiedy bodźców jest więcej i każdy pulsuje z inną częstotliwością, można stwierdzić, na który z obiektów patrzy badany [2, 7].

27 Wykorzystanie maszyny wektorów nośnych oraz liniowej analizy 27 Do pomiaru sygnału znad kory wzrokowej (obszar potyliczny), wykorzystywane są głównie elektrody encefalografu oznaczone jako O1, O2 i Oz, zgodnie z międzynarodowym standardem (rys. 1) [2] Przedstawienie problemu Montaż i korygowanie umiejscowienia elektrod na potylicy może być uciążliwe z uwagi na owłosienie w tym rejonie głowy oraz szczególnie kłopotliwe u osób o ograniczonej sprawności ruchowej (np. pacjenci leżący). Dlatego warto rozważyć możliwość pomiaru reakcji SSVEP w rejonach innych niż płat potyliczny. W tym artykule zaproponowano wykorzystanie sygnału mierzonego z kory przedczołowej [5, 6]. Jest to miejsce istotne z uwagi na brak owłosienia czoła, ma jednak pewne wady. Sygnał z tej okolicy zawiera głównie tak zwane fale alfa o częstotliwości (8-13) Hz i beta (13-30) Hz, związane z poziomem skupienia i zrelaksowania osoby badanej oraz składowe pochodzące od aktywności mięśni czoła [4]. Częstotliwość, z jaką miga bodziec, nie jest więc częstotliwością dominującą w sygnale pozyskiwanym z tych okolic. 2. BADANIA WŁASNE Badanemu prezentowane były bodźce w postaci dwóch żółto-zielonych szachownic, z których każda była kwadratem o wymiarach (7x7) cm. Szachownicę lewą wyświetlano z częstotliwością 15 Hz, natomiast szachownicę prawą z częstotliwością 10 Hz. Prezentowano je na 14-calowym monitorze LED, umieszczonym w odległości 50 cm od osoby badanej. Do pomiaru sygnału z głowy użyto jednej, suchej elektrody czołowej Fp1 (rys. 1) oraz jednej elektrody referencyjnej zamontowanej na uchu. Sygnał rejestrowano z częstotliwością próbkowania równą 512 Hz. W każdym z piętnastu powtórzeń badany proszony był, aby najpierw skupiał wzrok na lewej szachownicy przez 1 s, a następnie, także przez 1 s, na prawej szachownicy. W ten sposób uzyskano 30 jednosekundowych próbek. Do analizy sygnału wykorzystano środowisko MATLAB. Na rys. 2 przedstawiono kolejne etapy analizy sygnału, omówione poniżej. Sygnał został poddawany filtracji cyfrowej za pomocą filtru pasmowoprzepustowego tak, aby do dalszej analizy pozostało jedynie pasmo częstotliwości (5,0-49,5) Hz. Następnie wykorzystano 1024-punktową FFT do ekstrakcji cech sygnału. Uzyskane w ten sposób cechy zostały znormalizowane w przedziale od 0 do 1. Selekcja wykorzystywana jest do minimalizacji liczby cech poddawanych dalszej analizie, poprzez uszeregowanie ich od cech najistotniejszych do najmniej istotnych. Odrzucenie cech nieistotnych pozwala na znaczne przyspieszenie działania interfejsu w czasie rzeczywistym. Do selekcji użyto testu t-welcha.

28 28 Marcin Jukiewicz Rys. 2. Schemat blokowy prezentujący kolejne etapy przetwarzania sygnału W ostatnim etapie uczenia interfejsu próbki poddawane są pięciokrotnemu sprawdzianowi walidacji krzyżowej. Z pełnego zbioru wydzielanych jest 6 próbek, które stają się zbiorem testowym, reszta próbek to zbiór treningowy. Do klasyfikacji używane są dwa algorytmy: Maszyna Wektorów Nośnych SVM (ang. Support Vector Machine) oraz Liniowa Analiza Dyskryminacyjna LDA (ang. Linear Discriminant Analysis). Klasyfikacja odbywa się przy użyciu k cech (gdzie k = 1,2,,90), W zebranych wynikach klasyfikacji obu algorytmów ustala się, które odpowiedzi są prawidłowe, a które nie i na tej podstawie wyznaczana jest skuteczność danego klasyfikatora. W ostatniej fazie ustalana jest optymalna (o największej skuteczności rozpoznania bodźca) liczba wyselekcjonowanych wcześniej cech. Tylko te cechy wykorzystywane są w etapie testowania interfejsu. W tym etapie badany poddawany jest kolejnym 30 próbom. W każdej z prób informuje się go, na której z szachownic ma skupić wzrok. 3. ANALIZA WYNIKÓW W tabeli 1 zamieszczono wyniki pozyskane w badaniach 10 osób. Tabela przedstawia skuteczność klasyfikacji w fazie testowej dwóch algorytmów: Maszyny Wektorów Nośnych oraz Liniowej Analizy Dyskryminacyjnej. Maszyna Wektorów Nośnych umożliwiła uzyskanie skuteczności w przedziale od 63% do 87%. Średnia wartość skuteczności tego algorytmu wyznaczona na podstawie wyników uzyskanych od wszystkich osób wynosi 77%. Liniowa Analiza Dyskryminacyjna umożliwiła uzyskanie skuteczności w przedziale od 67% do 90%. Średnia wartość skuteczności tego algorytmu wyznaczona na podstawie wyników uzyskanych od wszystkich osób wynosi 80%.

29 Wykorzystanie maszyny wektorów nośnych oraz liniowej analizy 29 Tabela 1. Skuteczność klasyfikacji w fazie testu Podmiot LDA Faza testu SVM Osoba 1 90% 83% Osoba 2 67% 63% Osoba 3 90% 87% Osoba 4 80% 63% Osoba 5 57% 77% Osoba 6 80% 80% Osoba 7 87% 87% Osoba 8 90% 67% Osoba 9 77% 80% Osoba 10 83% 80% średnia 80% 77% 4. PODSUMOWANIE W przedstawionych badaniach dokonano analizy dwóch algorytmów uczenia maszynowego na potrzeby dwuklasowego interfejsu mózg-komputer, bazującego na analizie sygnału pobranego z kory przedczołowej. Lepszym rozwiązaniem od Maszyny Wektorów Nośnych okazała się Liniowa Analiza Dyskryminacyjna. Dla algorytmu LDA średnia (dla 10 osób) skuteczność klasyfikacji jest o 3% większa niż w przypadku algorytmu SVM, dając skuteczność rozpoznania bodźca w przedziale od 67 do 90%. Należy sądzić, że polepszenie wyników rozpoznania bodźca oraz zwiększenie liczby klas powinny być możliwe przez zwiększenie liczby elektrod pomiarowych zamontowanych na czole badanej osoby. Otrzymane dotąd wyniki są na tyle obiecujące, że przedmiotem planowanych dalszych prac nad interfejsem mózgkomputer będzie modyfikacja układu pomiarowego.

30 30 Marcin Jukiewicz LITERATURA [1] Birbaumer N., Breaking the silence: Brain computer interfaces (BCI) for communication and motor control. Psychophysiology, Volume 43, , ISSN , [2] Graimann B., Allison B., Pfurtscheller G., Brain Computer Interfaces: A Gentle Introduction, Brain-Computer Interfaces The Frontiers Collection [3] Schalk G., McFarland D. J., Hinterberger T., Birbaumer N., Wolpaw J R., BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System, IEEE Transations on Biomedical Engineering, vol. 51, no. 6, pp , [4] van Drongelen W., Signal Processing for Neuroscientists, Academic Press, [5] Vialatte F,, Maurice M., Dauwels J., Cichocki A., Steady-state visually evoked potentials: Focus on essential paradigms and future perspectives, Progress in Neurobiology 90, pp , [6] Wang R., Zhang Y., Gao X., Gao S., Lead selection for SSVEP-based binocular rivalry, in 2005 First International Conference on Neural Interface. [7] Wolpaw J. R., Birbaumer N., McFarland D. J., Pfurtscheller G., T. M. Vaughan, Brain computer interfaces for communication and control, Clinical Neurophysiology 113, pp , USING SUPPORT VECTOR MACHINE AND LINEAR DISCRIMINANT ANALYSIS FOR FEATURES CLASSIFICATION IN BRAIN-COMPUTER INTERFACES The main aim of this article is to compare the effectiveness of the classification of the two classifiers used in brain-computer interfaces: SVM (Support Vector Machine) and LDA (Linear Discriminant Analysis). The article presents an interface in which the subject is presented the two stimuli flashing at different frequencies (10 and 15 Hz) and then by using EEG electrodes electrical response of the brain is measured. In these interfaces, the signal is typically collected in the occipital area (on the visual cortex). In the presented solution the signal is measured form the prefrontal cortex. For signal processing and analysis statistical machine learning algorithms were used. For features extraction Fast Fourier Transform was used. For features selection Welch s t test was used. For features classification was used SVM and DLA. Based on the responses obtained from the classifier it is possible to control the direction of a mobile robot s movement or turning the lights on and off.