От простых сенсоров - к интеллектуальным

1.5. Сенсорно-компьютерные системы

С появлением во второй половине прошлого века электронных вычислительных машин появилась и возможность выполнять достаточно сложную обработку первичной информации, получаемой от сенсора. В связи с этим инженеры и ученые начали создавать "умные" сенсорно-компьютерные системы ( рис. 1.4). Сенсоры тут играют роль внешних "органов чувств" компьютера, поставляя ему первичную информацию. Сложную её обработку, подготовку к выдаче полученных результатов в наиболее удобной для пользователя форме, её документирование, систематизацию, упаковку и длительное хранение выполняет компьютер.

Рис. 1.4. Структура "пассивной" сенсорно-компьютерной системы

Вспомним, например, современные компьютеризированные электрокардиографы и электроэнцефалографы. В них от многих, установленных в определенных позициях, электродов собираются, усиливаются и обрабатываются слабые переменные электрические сигналы, обусловленные работой соответственно сердца или головного мозга. А компьютер анализирует их и выдаёт в наиболее удобной форме врачам.

В компьютерных электрокардиографах, например, не только вычисляются интервалы времени между "зубцами" кардиограммы, соответствующими сокращениям мышц сердца, и диапазон их варьирования, средняя частота пульса и другие количественные показатели. Путем сопоставления электрокардиограмм, полученных от разных точек грудной клетки, устанавливается ориентация электрической оси сердца, фиксируются экстрасистолы и другие нарушения координации сокращений разных мышц сердца.

В компьютеризированной системе магнитокардиографии [ [ 19 ] , [ 20 ] , [ 22 ] , [ 91 ] , [ 95 ] ] чувствительными элементами являются определенным образом расположенные в пространстве сверхпроводящие квантовые интерферометры, которые способны с высокой частотой и точностью воспринимать минимальные изменения магнитного потока, связанные с работой сердца. Кроме квантовых интерферометров, используют также до десятка чувствительных электродов, которые позволяют параллельно снимать также электрокардиограмму. Интерфейс состоит из электронных схем усиления и предварительной аналоговой обработки сигналов и из аналого-цифровых преобразователей. С выхода последних информация поступает в компьютер, который обрабатывает полученные данные в соответствии с достаточно сложными алгоритмами, выдаёт результаты анализа на экран монитора в виде понятных врачу условных изображений, цифровых и текстовых данных и предлагает некоторые диагностические выводы.

Еще одним примером являются пассивные компьютерные системы охраны и видеонаблюдения. Чувствительными элементами в них служат видеокамеры и датчики приближения, присутствия, изменения обстановки. Сигналы от датчиков и полученные изображения передаются в компьютер, где они маркируются указанием места обнаружения и текущего времени. Далее они обрабатываются, сопоставляются между собой и со стандартными сигналами, зафиксированными в памяти. В случае выявления тревожных изменений компьютер фиксирует их в своей долговременной памяти и вырабатывает сигналы привлечения внимания служащих, а на монитор выводится полиэкранная информация.

Структура "активных" сенсорно-компьютерных систем приведена на рис. 1.5. Здесь в состав системы входят также средства воздействия на исследуемый объект или процесс. Этими средствами управляет компьютер, который может автоматически изменять динамику, интенсивность и состав воздействий в зависимости от поступающих от сенсоров данных. Одним из примеров такой системы являются компьютерные томографы. Объектом исследования для них является головной мозг или иная часть человеческого тела. В качестве узлов воздействия используются точечные источники рентгеновского излучения, местоположение которых можно менять относительно исследуемой части тела. В качестве сенсоров используют детекторы рентгеновского излучения, расположенные в одной плоскости в разных направлениях и под разными углами.

Рис. 1.5. Структура "активной" сенсорно-компьютерной системы

В современных томографах, которые стали могучим средством диагностики заболеваний, применяют уже сотни таких детекторов одновременно. Высокопроизводительный компьютер на основе большого массива данных, полученных многими детекторами под разными углами, выполняет сложные вычисления, определяя по этим данным распределение плотности живых тканей в соответствующем сечении тела. Полученные изображения и вычисленные показатели выдаются врачам [195, 223]. С помощью компьютера врач, который проводит исследование, в зависимости от цели может изменять режимы работы, перемещать узлы воздействия и массивы сенсоров относительно человеческого тела, получая изображения его внутренней структуры также и в других сечениях, и т.д. Таким образом ("сечение за сечением") может быть получена 3-мерная картина внутреннего строения исследуемого органа. Одним из средств воздействия может быть также введение в организм человека контрастных веществ, существенно повышающих контрастность изображений и позволяющих исследовать также и динамику физиологических процессов.

В магниторезонансной томографии средствами воздействия на исследуемый орган человека являются постоянное однородное магнитное поле, последовательности радиочастотных электромагнитных импульсов и дополнительные слабые градиентные магнитные поля [ [ 194 ] , [ 309 ] ]. Магнитные моменты атомных ядер с некомпенсированным полуцелым спином ( .) ориентируются вдоль постоянного магнитного поля. А высокочастотное электромагнитное поле возбуждает их прецессию вокруг соответствующего направления. При выключении электромагнитного поля прецессия еще некоторое время продолжается. Возбужденные ядра излучают при этом электромагнитные сигналы характерной частоты. Это называют "спиновым эхом". Сенсорами являются чувствительные радиоприёмники, настроенные на частоту ядерного магнитного резонанса, а селекторами – синхронные детекторы соответствующих импульсных последовательностей. Амплитуда принятых сигналов пропорциональна концентрации соответствующих ядер в живых тканях тела. Управление излучением электромагнитных импульсов и наложением слабого градиентного магнитного поля, а также математическую обработку совокупности получаемых сигналов выполняет компьютер. В отличие от рентгеновской компьютерной томографии магниторезонансное исследование не сопровождается вредным облучением организма, которое в больших дозах может быть опасным.

Применение компьютеров предоставило пользователям не только возможность получать значительно возросшие объемы намного лучше обработанной и более достоверной информации об исследуемых объектах. Оно подняло сенсорику на принципиально более высокий уровень – на уровень диагностики. Древнегреческое слово " diagnostikos " означает "способный распознать".

При отсутствии компьютера интерпретацию получаемых от сенсоров данных, выводы из них способны были выполнять только специалисты. Физики на основе получаемых данных делали выводы о внутренней структуре, функционировании, текущем состоянии и свойствах исследуемых физических объектов, инженеры – о состоянии соответствующих машин, технических систем, о ходе технологических процессов. Врачи определяли состояние внутренних органов человека, причины, сущность заболеваний, оценивали ход лечения.

В сенсорно-компьютерных системах значительную часть сложной умственной работы, накопления баз данных, ценного опыта, необходимых для высококачественной диагностики, удалось уже переложить на компьютер!