Кореневский Н. А. 7 страница

Из приведенных формул следует, что меняя соотношение сопротивлений подключенных между выходом и входом ОУ (сопротивление обратной связи) и входных сопротивлений можно изменять коэффициент усиления схемы.

С точки зрения биомедицинских приложений дифференциальный усилитель, усиливающий разность входных сигналов, позволяет значительно уменьшить влияние тех помех, которые одинаково приложены к обоим входам, например напряжение поляризации пары электродов снимающих информацию с биообъектов.

На базе операционных усилителей строят пороговые элементы (компараторы) сравнивающие величину входного сигнала с некоторым пороговым значением. Выходное напряжение при этом принимает одно из двух фиксированных значений в зависимости от соотношений между порогом и входным напряжением. Такое применение ОУ позволяет моделировать работу нейронов в системах искусственного интеллекта. На базе ОУ строят также генераторы электрических сигналов различной формы, элементы памяти аналоговых сигналов, схемы интегрирования, дифференцирования, умножения, деления, выделения максимальных значений сигналов и т.д.

Операционные усилители являются типичными представителями микроэлектронных изделий, называемых интегральными микросхемами (интегральными схемами).

По определению интегральная схема (ИС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приёмке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое.

Часть ИС, реализующая функцию какого-либо электрорадио элемента (резистора, диода, транзистора), называется элементом интегральной микросхемы, причем эта часть выполнена неразделимо от других частей и не может быть выделена в самостоятельное изделие. Часть ИС, которая может быть выделена в самостоятельное изделие, называется компонентой интегральной схемы.

По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:

- полупроводниковые;

- гибридные;

- пленочные.

В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объёме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов.

В гибридной микросхеме имеются электронные компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводников.

В пленочных интегральных микросхемах элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика.

По функциональным признакам интегральные микросхемы подразделяются на аналоговые и цифровые ИС.

Рассмотренные выше операционные усилители являются типичными представителями аналоговых ИС.

Цифровые ИС реализуют различные виды операций в так называемой двоичной системе счисления принятой в основу работы цифровых вычислительных машин.

Среди цифровых ИС широко распространены схемы реализующие арифметические и логические операции над двоичными кодами, двоичного счета, запоминания и т.д. В современных ИС в одном корпусе могут реализовываться различные операции, вплоть до реализации вычислительной машины на одном кристалле, где содержатся наборы элементов памяти, арифметико-логическое устройство, устройство управления обеспечивающие согласование работы различных функциональных блоков, элементы связи с внешним миром и т.д.

Для связи между аналоговыми и цифровыми устройствами используют ИС решающие задачи аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования.

В ближайшее время ожидается появление сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих до 100 млн. МОП транзисторов в одном кристалле. По скорости переключения современные ИС на биполярных транзисторах работают со скоростью 15 ГГц.

Использование ИС для построения медицинских приборов позволяет значительно снизить их габариты и стоимость, повысить надежность их работы, значительно расширить функциональные возможности и т.д.

Например, известны электрокардиографы построенные всего на трех ИС.

4.3. Использование средств вычислительной техники в составе медицинских приборов, систем и комплексов

Подавляющее большинство медицинской аппаратуры содержит в своем составе средства вычислительной техники решающие различные задачи обработки данных и управления.

В простейших вариантах (например, в электронных термометрах) решаются задачи счета, фиксации и отображения результатов измерения.

В более сложных приборах кроме вычислительных операций решаются задачи контроля работоспособности аппаратуры, правильности работы оператора (врача), управления согласованной работой отдельных узлов и блоков целостной системы, реконструкций изображений из закодированных последовательностей данных, решения «интеллектуальных» диагностических задач и т.д.

Поэтому специалисты, работающие в медицинском приборостроении должны хорошо ориентироваться в принципах построения и программирования средств вычислительной техники.

Для уяснения принципа работы простейшего вычислительного устройства представим вариант его реализации в виде упрощенной структурной схемы (рис. 4.9)

Рис. 4.9. Вариант структуры вычислительного устройства.

Основными блоками любого вычислительного устройства являются: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции (сложение, вычитание, умножение, логическое преобразование данных и т.д.); блок памяти (БП) в котором по различным адресам (ячейки памяти) хранятся данные и команды, указывающие что делать с данными); устройство управления, обеспечивающие согласованную работу АЛУ, блока памяти и внешних устройств, подключаемых к вычислительному устройству. В варианте, приведенном на рисунке 3.8 в качестве внешнего устройства подключен медицинский аппарат (МА).

Внешними устройствами являются так же клавиатура, мышь, дисплей, принтер и т.д.

Работает вычислительное устройство следующим образом. По сигналу «сброс» схема формирования адреса (СФА) устройства управления формирует начальный фиксированный адрес (обычно нулевой), который по проводам, называемым шиной адреса (ША) передается на адресную часть блока памяти. Физически это означает, что на проводах, подключенных к полю команд и данных блока памяти появится информация, записанная в этом поле.

Провода, подключенные к полю команд и данных называются шиной данных (ШД).

После подачи сигнала «Пуск» устройство управления начинает работу которая выполняется последовательно под воздействием прямоугольных импульсов подаваемых по входу «Такт».

По каждому импульсу «Такт» УУ совершает элементарное действие, которое предписываются ему кодом команды, поступающим из поля команды БП и по другим «управляющим проводам».

Структура записей в поле команд и данных в зависимости от особенностей вычислительного устройства и желаний программиста может быть весьма различной.

Например. Команда пересылки данных из памяти БП в АЛУ имеет вид:

Она будет выполняться так. Устройство управления прочтет команду «Переслать в АЛУ» по той части поля, где на ШД «стоят» коды команды и в схеме формирования адреса поставит код адреса А1, извлекаемый из «своей» части ШД. В ответ на это БП на шину ШД выставит новую команду или данные, хранящуюся по адресу А1.

Достаточно распространен такой формат поля шины данных.

В таком варианте в части поля А1 записан адрес одного операнда, в части поля А2 – другого операнда, а часть поля «код ОП» записано что сделать с этими операндами.

Например, если код операцией определен как сложение, устройство управления расшифровав этот код вначале пошлет в АЛУ число хранящееся по адресу А1, потом число, хранящееся по адресу А2, затем сложит эти числа. Результат остается в АЛУ. Чтобы результат отправить в память надо подать команду переписать из АЛУ в БП по заданному адресу.

Как видно из приведенных примеров на вычисление каждой операции затрачивается по нескольку импульсов получаемых по входу «текст», причем различные операции затрагивают разное число тактовых импульсов.

Узнать сколько тактов тратится на каждую команду и затем рассчитать время исполнения команд участвующих в той или иной программе можно используя техническое описание конкретного вычислительного устройства.

Если в командах программы нет специальных условий, то после выполнения очередной команды СФА увеличивает адрес на единицу тем самым выбирая из БП последовательно команду за командой. Нарушить этот порядок можно воспользовавшись специальными командами переходов, в которых указывают при каких условиях следует перейти к указанному в них адресу.

В наборах команд вычислительных устройств обязательно есть команды обращения к внешним устройствам.

Например, есть команды, которые решают задачу пересылки данных и (или) команд во внешние устройства (в частности в МА) из БП. Чтобы МА «поняло» что обращаются к нему и что надо делать, во время выполнения команды устройство управления вырабатывают сигнал IOW. В варианте когда вычислительное устройство принимает команды и данные из МА оно выставляет сигнал IOR. В обеих вариантах инициатива обмена управляет вычислительное устройство.

Если разработчики хотят чтобы инициатива обмена принадлежала МА, то медицинский аппарат сообщает об этом сигналом прерывания посылаемом в УУ вычислительного устройства.

При появлении этого сигнала вычислительное устройство прерывает свою работу и выполняет действия, оговоренные в программе для каждого из типов прерываний.

Возможности УУ и АУ, состав и структура команд, объем памяти – определяют возможности вычислительного устройства по решению различных, в том числе и медицинских задач.

С позиций вычислительных и функциональных возможностей вычислительные устройства классифицируют следующим образом: микропроцессор – вычислительное устройство, содержащее арифметико-логического устройство и устройство управления с очень быстрой памятью малого объема необходимой для хранения и пересылки команд с несколькими операндами (словами и числами).

Микро-ЭВМ – вычислительная машина, выполненная на основе микропроцессоров с расширенным объемом памяти достаточным для решения различных классов вычислительных задач.

Микроконтроллер (МСU) – микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Поскольку для управления часто необходимо выполнять расчеты, то в его функции входит выполнение арифметических и логических операций. Типичный микроконтроллер в своем составе содержит микропроцессор, память достаточного объема, периферийные устройства обеспечивающие связь микроконтроллера с внешним миром. В настоящее время понятие микроконтроллера вытесняет из употребления термин однокристальная микро-ЭВМ.

Микроконтроллеры являются составной частью огромного числа электронных устройств (мобильные телефоны, измерители артериального давления и т.д.).

Персональный компьютер – универсальная ЭВМ, предназначенная для индивидуального использования. Обычно персональные компьютеры проектируются на основе открытой архитектуры и создаются на базе микропроцессоров.

Открытость архитектуры обеспечивается системой последовательных и параллельных портов позволяющих подключать к ПЭВМ различные электронные устройства и создавать локальные и глобальные вычислительные сети.

4.4. Обобщенная структура медицинской диагностической системы

Многообразие медицинских измерений порождает множество диагностических аппаратов, приборов, систем и комплексов различных типов и назначений. Однако при всем их многообразии могут быть выделены некоторые типы узлов, блоков и связей, характерных для медицинских диагностических систем. На рис. 4.10 представлен вариант структуры диагностической медицинской системы, содержащей все основные блоки обязательно присутствующие в любой диагностической аппаратуре с некоторыми наиболее часто встречающимися дополнениями [3].

Рис. 4.10. Вариант обобщенной структуры медицинской диагностической системы

Кроме объекта исследования (биообъекта - БО) в состав обобщенной структуры входят датчик (Д), измерительный преобразователь (ИП), калибратор (К), автономный регистратор (Р), цифровая система обработки данных (ЦСОД), источник внешней энергии (ИВЭ), аппаратура передачи данных (АПД). Получаемая измерительная информация сообщается исследователю (Исс) через цифровую систему отображения информации (ЦСОИ) или непосредственно с регистратора.

Основное назначение медицинской диагностической системы (МДС) – измерение физических величин, свойств и состояний, характеризующих биообъект и обработка измерительной информации таким образом, чтобы исследователь мог ее интерпретировать на языке его предметной области.

Наиболее часто в качестве измеряемых величин, которые могут быть использованы и интерпретированы исследователем, выступают биопотенциалы, активное и реактивное сопротивление, излучение, сила, давление, размер, форма, объем, температура, концентрации веществ.

Первичная регистрация измеряемых величин осуществляется с помощью датчиков (первичных сенсорных элементов), которые в общем виде преобразуют один вид энергии в другой, чаще всего в электрический сигнал. При этом желательно, чтобы датчик реагировал на тот вид энергии, который связан с измеряемой величиной и как можно меньше оказывал воздействие на объект измерения. В качестве датчиков в медицинских измерительных системах наиболее часто для измерения электрических величин (биопотенциалов, импедансов, проводимостей) используют электроды различных типов и назначений. Для измерения перемещений – потенциометры, тензодатчики, индуктивные и емкостные датчики. Тензодатчики используют также для измерения сил и давлений. Для регистрации звуковых волн (например, в фонокардиографах) используют пьезоэлектрический датчик. Измерение температуры осуществляют термометрами, термисторами, пирометрами, оптоволоконными термодатчиками и т.д.

Выбор и (или) проектирование датчиков для решения той или иной медицинской задачи осуществляется исходя из возлагаемых на него функций, типа измеряемых величин, предела их измерений, частотного диапазона и ряда других параметров. Подробно эти вопросы рассматриваются в курсах «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий» и «Измерительные преобразователи и электроды».

Сигналы, характеризующие состояние биообъекта, снимаемые с датчиков имеют небольшие амплитуды и мощности, часто «зашумлены» и не всегда могут быть интерпретированы врачом с точки зрения решаемых им задач. То есть над этими сигналами необходимо произвести определенные преобразования, чтобы с помощью регистратора (Р) или цифровой системы отображения информации (ЦСОИ) предъявить необходимую информацию в удобной для пользователя форме. Для этой цели после датчиков включаются измерительные преобразователи (ИП).

В простейшем случае измерительные преобразователи усиливают и фильтруют сигналы и (или) согласуют выходное сопротивление датчика со входным сопротивлением регистратора. В более сложных системах ИП могут измерять форму представления сигнала, например, переводя аналоговый сигнал в цифровое представление и запоминая коды фрагментов сигналов для цифровой индикации. Возможно преобразование сигнала в частотную область, например, используя преобразование Фурье и т.д.

В современных цифровых диагностических системах измерительные преобразователи преобразуют сигналы с датчиков в цифровой код для передачи его в цифровую систему обработки данных. Ряд медицинских диагностических систем снабжается аппаратурной передачей данных (АПД), обеспечивая возможность подключения к другим, как правило, более мощным (с точки зрения возможности обработки данных) системам (внешние устройства - ВУ). Такой аппаратурой снабжаются, например, прикроватные мониторы, подключаемые к достаточно мощным вычислительным больших массивов данных; расчета множества параметров ЭКГ; дифференциальной диагностики и т.д.

С целью уточнения показателей качества работы измерительной системы используют источники эталонных сигналов – калибраторы (К).

Для того чтобы проверить как можно больше число узлов измерительных тактов калибровочные сигналы подают как можно ближе к первичным датчикам, в идеальных случаях – к их выходам.

Значительное число методов медицинских исследований основывается на использовании внешней энергии, которая различными способами преобразуется тканями организма в зависимости от происходящих в них процессах. Результаты этих преобразований, регистрируемые датчиками, используются в качестве диагностической информации.

В схеме, приведенной на рисунке 4.10 внешняя энергия подводится к биообъекту от источника внешней энергии (ИВЭ). Характер и структура аппаратуры воздействия, а также способы съема и регистрации медицинской информации зависит от решаемой задачи. Например, в ультразвуковой сканерах в качестве источников воздействия используют пьезоэлектрические преобразователи, превращающие электрические колебания в ультразвуковые механические колебания, а в качестве датчике – пьезоэлектрические преобразователи, превращающие отраженные механические колебания в электрический сигнал. В аппаратах для реогафических исследований ИВЭ представляет собой генератор тока, обычно синусоидальной формы, а измеряемой величиной является импеданс. В рентгеновских установках источником внешней энергии служит рентгеновская трубка, а в ядерно-магнитных резонансных (ЯМР) томографах используют комбинированное воздействие постоянным магнитным полем, градиентным магнитным полем и зондирующими электромагнитными сигналами радиочастотного диапазона. В качестве датчиков в ЯМР – томографах используют катушки, воспринимающие электромагнитные волны, излучаемые атомами водорода, входящими в состав воды, содержащейся в организме. В ходе проведения измерений, в зависимости от изменяющихся условий (появление высокого уровня помех, нарушение контакта с биообъектом переход на различные уровни динамического диапазона измерений, изменение условий проведения измерительных процедур и т.д.), могут быть предусмотрены механизмы управления режимами датчиков, измерительных преобразователей и другими узлами системы. На рисунке 4.10 возможные контуры управления показаны пунктиром. Пунктиром показано также взаимодействие исследователя с биообъектом и медицинской измерительной системой.

4.5. Варианты обобщенных схем физиотерапевтической аппаратуры

Несмотря на многообразие физиотерапевтической техники, как и для диагностических медицинских приборов, для нее можно составить несколько типов обобщенных структурных схем. Для этого введем понятие функционального блока воздействия (ФБВ), управляющего функционального блока (УФБ), измерительного функционального блока (ИФБ) и блока отображения информации (БОИ). Отличительной особенностью физиотерапевтической аппаратуры является то, что в ней важную роль играет ФБВ, остальные блоки решают задачи его «обслуживания». В простейшем варианте физиотерапевтический прибор может состоять только из ФБВ, например, как аппараты для гальванизации и электрофореза. В более сложных приборах, системах и комплексах, например в биоуправляемой терапевтической технике, реализуется «настройка» физиотерапевтического воздействия в зависимости от информации, снимаемой с обследуемого. Тогда обобщенная схема физиотерапевтической аппаратуры можно иметь вид, приведенный на рисунке 4.11. На рисунке 4.11, а дан пример автономного физиотерапевтического прибора, в котором обратная связь от биообъекта (пациента) организуется через ИФБ, информация с которого воспринимается УФБ, который реализует программу настройки ФБВ на реализацию требуемой методики воздействия.

а) б)

Рис. 4.11. Варианты автономных приборов для физиотерапии

На рисунке 4.11, б приведен вариант, в котором функции УФБ выполняет микроконтроллер (МК), программа работы которого может использовать информации с ИФБ и информацию, вносимую с блока клавиатуры. Использование МК позволяет не только гибко управлять методиками физиотерапевтического воздействия, но и следить за работоспособностью отдельных узлов и блоков аппаратуры, например путем анализа статусной информации (пунктирные связи на рис. 4.11, б).

Современные физиотерапевтические аппараты часто реализуют несколько физических факторов воздействия с перестраиваемыми параметрами с контролем нескольких измеряемых параметров. В таком варианте мощности одного микроконтроллера может оказаться недостаточно и следует переходить на использование микропроцессорных систем (рис. 4.12) или приборно-компьютерных систем (рис. 4.13), позволяющих контролировать множество биомедицинских параметров со сколь угодно сложными алгоритмами воздействия. В схеме на рисунке 4.13 предполагается, что ИФБ и ФБВ могут иметь многоканальную структуру, блок ГРП организует гальваническую развязку по питанию защищая пациента от возможных поражений электрическим током по цепи питания.

Рис. 4.12. Схема физиотерапевтического прибора на основе микропроцессорной системы

Блок гальванической развязки по проводам, передающим исследуемый сигнал (ГРС), защищают от поражения электрическим током, который может возникнуть в информационных цепях.

Рис. 4.13. Вариант структуры компьютерной физиотерапевтической системы

Состав и структура УФБ, ФБВ и ИФБ, а также программное обеспечение микроконтроллеров и ПЭВМ определяются реализуемыми методами физиотерапии и медико-техническими требованиями, предъявляемыми к проектируемому изделию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе изучения дисциплины «Введение в направление подготовки» студенты знакомятся с организацией учебного процесса и основами их будущей профессиональной деятельности. В результате у них формируется компетенция «Способен осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности». Одновременно с этим при знакомстве со структурой и функциями биотехнических систем различных типов и назначений у студентов начинает формироваться ряд профессиональных компетенций ПК3, ПК5, ПК6, ПК20, ПК28 и ПК29, которые окончательно закрепляются в ходе изучения специальных дисциплин в течение всего времени подготовки.

Объем излагаемого материала ориентирован на освоение материала объемом 4-значные единицы (144 часа).

Для более глубокого изучения материала следует воспользоваться соответствующими разделами цитируемой литературы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Биотехнические системы: Теория и проектирование [Текст] / под ред. В.М. Ахугина. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.163 с.

2. Гусев, В.Б.Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него [Текст] учеб. пособие/ В.Г. Гусев. М.: Машаностроение, 2004. 597с.

3. Кореневский Н.А. Медицинские триборы аппараты системы и комплексы: Учебник / Текст Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев, С.П. Серегин: Курск, гос. техн. ун-т. - Курск: ОАО «ИПП «Курск», 2009.-986с.

4. Кореневский, Н.А. Узлы и элементы медицинской техники [Текст]: учебное пособие / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2009. 426 с.

5. Медицинские приборы. Разработка и применение [Tекст] / под ред. И.В. Камышко и Дж. Г. Вебстера. М.: Медицинская книга, 2004. 720 с.

6.Падерно П. И., Попечителев Е. П. Надежность и эргономика биотехнических систем/ Под ред. проф. Е. П. Попечителева – СПБ: ООО «Техномедиа»/ Из-во «Элмор», 2007. 315с.

7.Попечителев, Е.П. Инженерные аспекты медико-биологических исследований [Текст]: учеб. пособие / Е.П. Попечителев. Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1982.151 с.

8 Попечителев, Е.П. Медико-биологические исследования. Системные аспекты [Текст]: учеб. пособие / Е.П. Попечителев. Житомир: изд-во ЖНТИ, 1997. 186 с.

Кореневский Николай Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ В НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ «БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

Конспект лекций

Редактор

Компьютерная верстка и макет

Позиция плана №25. 2011

Подписано в печать. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная.

Усл. печ. л.. Уч. изд. л.. Тираж 250 экз. Заказ.

Юго-Западный государственный университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет октября, 94.

Отпечатано в ЮЗГУ.