Программное обеспечение для ЭЭГ-системы

Медицинские ЭЭГ-системы предназначены для записи электрической активности головного мозга. Для этого на голову пациента накладывают электроды, улавливающие слабые импульсы нейронов, которые усиливаются и визуализируются либо на экране, либо на бумажной ленте. Благодаря такой диагностике врачи могут выявлять и анализировать различные неврологические расстройства, включая эпилепсию и проблемы с кровоснабжением.

Сегодня перед разработчиками ЭЭГ-оборудования стоит несколько важных задач:

• повысить качество и надежность сигнала, минимизируя влияние помех за счет улучшения усилителей и электроники;
• обеспечить совместимость ЭЭГ-систем с мобильными устройствами и облачными сервисами, чтобы сделать диагностику быстрее и удобнее;
• строго соблюдать международные стандарты и требования сертификации для выпуска безопасного и качественного оборудования.

Комплексный подход к этим вызовам обеспечит выпуск эффективного и безопасного оборудования, которое будет востребовано на современном рынке.

Система состоит из одноразовой повязки с четырнадцатью электродами и блоком обработки, которая крепится на голове пациента для регистрации мозговой активности. Блок собирает данные с электродов, сохраняет их на встроенную microSD-карту и передает по Bluetooth на планшет. SDK на стороне планшета принимает поток, преобразует его и обеспечивает стабильную работу приложения.

Наше устройство должно одновременно справляться с несколькими задачами – принимать команды с мобильного приложения, обрабатывать сигналы с аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и сохранять их на карту памяти. Для этого мы выбрали операционную систему для встроенных систем FreeRTOS, которая отлично подходит для многозадачности.

FreeRTOS позволяет одновременно принимать команды, обрабатывать данные, хранить их в буфере и записывать на SD-карту. Задачи работают в тесном взаимодействии: одна ждет сигнала на запуск, другая обрабатывает данные, третья сохраняет их.

Кроме того, FreeRTOS помогает экономить энергию. В моменты, когда данные еще не готовы или запись завершена, микроконтроллер переходит в режим сна на несколько миллисекунд, что снижает расход аккумулятора и позволяет устройству работать до 16 часов подряд – идеально для длительных ЭЭГ-сеансов.

Для взаимодействия с приложением мы создали SDK – Java-библиотеку для Android-приложения заказчика. Она распаковывает сжатые данные, превращая их в удобные форматы, и отвечает за передачу команд управления на устройство.

Наши программисты создали приложение для планшета с простым интерфейсом, которое используется для внутреннего тестирования. Вместо графики оно выводит текстовые сообщения о статусе аутентификации и количестве полученных пакетов, что облегчает отладку.

Подключение планшета к устройству сделано простым и безопасным с помощью NFC и BLE. При поднесении планшета NFC считывает специальный тег с адресом BLE, и связь устанавливается мгновенно – это удобно, когда вокруг много похожих устройств.

Для защиты от посторонних мы применили аутентификацию HMAC-SHA256. После подключения ЭЭГ-сканер отправляет планшету уникальное сообщение, которое тот должен правильно обработать и вернуть в течение секунды. Если ответ отсутствует или неверен, соединение разрывается. Так только планшет с нашим SDK может управлять исследованием.

В предоставленной заказчиком аппаратной платформе используются два микроконтроллера: PIC32 управляет всеми функциями, а модуль NINA-B311 на основе nRF52840 отвечает только за передачу данных по BLE. Такая конструкция повышает стоимость системы и не позволяет максимально эффективно использовать ресурсы.

Команда предложила заказчику упростить систему – заменить два микроконтроллера одним nRF52840 с нужной периферией и подключить АЦП напрямую. Такой шаг позволил бы сократить расходы, повысить энергоэффективность и расширить возможности по управлению Bluetooth-соединением.

Однако клиент решил оставить прежнюю схему, и мы завершили проект на базе предоставленного оборудования.

Наш прибор должен постоянно передавать сигналы ЭЭГ и одновременно сохранять их на microSD-карту. Из-за высокой частоты записи объем данных получался значительным. Нужно было максимально эффективно использовать пространство на карте и при этом поддерживать стабильную скорость передачи данных на планшет.

Мы применили нестандартное решение –  отказались от привычной файловой системы и записывали данные напрямую на карту. Наши специалисты досконально изучили механизмы работы карты, особенности ее кэширования и управления потоками. Это дало возможность оптимизировать процесс и добиться высокой скорости и надежности записи даже при больших нагрузках.

Выбор заказчиком Bluetooth-модуля NINA-B311 ограничил свободу в организации передачи данных по Bluetooth и не позволял гибко настраивать BLE. Стандартные сервисы, которые мы обычно реализуем на nRF, здесь работали недостаточно быстро. Для достижения максимальной скорости передачи мы выбрали сервис SPS от производителя u-blox – единственный вариант, обеспечивающий высокую пропускную способность.

Из-за особенностей передачи данных SPS нам пришлось создать собственный протокол поверх этого сервиса.