вход Вход Регистрация



Процесс проектирования устройств обработки электрофизиологических процессов составляется из следующих этапов:

a) составление медико-технических требований к устройству;

б) синтеза алгоритмов обработки на основе некоторых моделей процесса, которые идеализируются, как на входе устройства, так и после промежуточных преобразований с учетом технической реализации этих алгоритмов;

в) моделирование алгоритмов обработки на универсальной ЭВМ и их отладки па выборке реальных записей, которые хранятся в памяти машины;

г) составление функциональных и принципиальных схем или составления программы при микропроцессорной или машинной реализации устройства;

д) изготовление макету устройства, его настройки;

е) технических и клинических испытаний макету;

ж) внесение исправлений в алгоритм обработки и схемную реализацию устройства по результатам испытаний;

з) исследовательской - конструкторской разработки устройства.

Для простых и стандартных алгоритмов обработки этап "в" в процессе проектирования может быть отсутствующим. При этом отладка и оптимизация синтезированного алгоритма проводятся на этапе испытаний макету устройства на сигналах от имитаторов и реальных сигналах.

Наиболее трудоемкий этап проектирования — составление принципиальных схем и вычислительных программ — зависит от выбранной электронной базы данного блока устройства. Причем если в блоках первичной обработки для обеспечения высокого быстродействия часто применяются аналоговые и импульсные схемы, то вторичная обработка электрофизиологических процессов осуществляется в основном на логических интегральных схемах, микро: процессорах, микро- и МІНІ-ЕОМ. Сведения об использовании МІНІ-ЕОМ при проектировании устройств и систем обработки информации можно найти в роботах [10].

Примером устройства обработки, выполненного целиком на аналоговых схемах, есть анализатор формы волн ЕЕГ. Анализатор работает в реальном масштабе времени с временным описанием сигнала, расположенного в области частот от 1 до 50 Гц. Путем усреднения за определенное время с ЕЕГ выделяются шесть параметров: число сечений нулевой линии Х1, число максимумов и минимумов Х2, число точек перегиба Х3, средняя амплитуда начальной кривой Х4, средняя амплитуда первой производной X5 и средняя амплитуда второй производной Х6. Усреднения проводится низкочастотными Rс-Фильтрами. Каждый параметр имеет выход из неизменной постоянной времени усреднения (0,5 с) и регулированной постоянной времени (0,5 ÷ 100 с). Используя суммирование на операционном усилителе, анализатор вычисляет седьмой параметр Х7 [10]:

 

 

который по сути есть дискриминантной функцией. Коэффициенты Wi- этой дискриминантной функции устанавливаются с помощью прецизионных потенциометров, а их значения находятся с помощью многомерного дискриминантного анализа на цифровой ЭВМ для данного конкретного исследования или эксперимента.

Анализатор можно применять для определения глубины наркоза, стадий сна, изучение биологических обратных связей, влияния препаратов на ЕЕГ и других целей.

В данное время все более широкое применение в медицинском приборостроении находят цифровые принципы построения аппаратуры. Использование интегральных логических схем (ІС) позволяет сделать ее не только малогабаритной, но, что особенно важно, надежной и экономической.

Развитие ІС в данное время идет в основном по пути увеличения степени интеграции. Для обычных ІС степень интеграции компонентов не превышает 20-35. Схема, которая имеет степень интеграции близ сотен или тысяч компонентов, называется большой ІС (ВІС), а схемы с промежуточными значениями степени компонентной интеграции – средними (СІС).

Образ кодирования логических символов 0 и 1, связанных с по состоянию основного логического элемента ІС, определяет потенциальную (статическую или асинхронную) и импульсную (динамическую или синхронную) системы логических элементов. Основным логическим элементом называют элемент, который выполняет логические функции І, ИЛИ, НЕ или их объединение.

По принципам, схема техники, заложенными в структуру основного логического элемента, различают следующие семейства элементов на биполярных транзисторах: резисторно - транзисторной (РТЛ), диодно - транзисторной логики (ДТЛ), транзисторной логики с непосредственными связями (БСТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), транзисторной логики с отладки зв'язками (ЕЗЛ) и некоторые другие. Самого большого распространения в данное время приобрели потенциальные семейства элементов ТТЛ благодаря них хорошему быстродействия, высокой помехоустойчивости, широким логическим возможностям, малой стоимости, удобства применения.

На основе ІС строятся отдельные цифровые узлы — комбинационные логические цепи, триггерные устройства, регистры, счетчики, дешифраторы, распределители, сумматоры, с которых в свою очередь проецируется цифровое устройство. Теория ІС и вопрос проектирования цифровых устройств на ІС изложенные в руководстве [3-10].

Устройством автоматической оперативной обработки ЕКГ, выполненным на логических ІС, есть автономный прикроватный ритмокардиоанализатор РКА-01 [2], что решает задачу автоматической классификации наиболее важных с точки зрения кардиологического интенсивного наблюдения сердечных аритмий в реальном масштабе времени.

Прибор анализирует только Rr-Интервалы и распознает нормальный ритм и девять классов аритмий — тахикардию, выраженную тахикардию, брадикардию, выраженную брадикардию, синусовую аритмию, мигающую аритмию, одиночные экстрасистолы и одиночные выпадения желудочных комплексов (раздельно) с интенсивностями, что превышают 1, 3, 6 событий за 60 Rr-Интервалов, и перерывает анализ при появлению входных артефактов. Сигнал "тревога" производится автоматически только при отсутствии желудочных комплекса больше 5 с. При появлению хоть бы одного нарушения с тех, которых набирает врач на клавиатуре прибора перед началом слежения, производится сигнал "нарушение ритма".

Ритмо кардиоанализатор РКА-01 имеет структуру специализированное вычислительного устройства. Он выполнен па дискретных интегральных микросхемах серии К158 (ТТЛ). Включение его в состав мониторного оборудование расширяет диагностические возможности и качество автоматического наблюдения за по состоянию больных, а простая структура исходных сигналов позволяет легко совмещать его с ЭВМ для дальнейшей обработки информации о больном.

Согласно алгоритму распознавания классов ритмичности последовательности Rr-Интервалов ЕКГ (аритмий группы II и аритмий типа случайных событий) в РКА—01 проверяется истинность логических функции F1-F5 в текущем режиме и в случае истинности каких-нибудь с них выдается сигнал о наличии определенного класса. Функции F1-F5 отвечают классам "аритмия", "мигающая аритмия", "нормальный ритм", "одиночная экстрасистола", "одиночное выпадение комплекса QRS" и выражаются соотношениями [2]:

 

 

 

В вышеприведенных соотношениях Ω1, Ω2, ..., Ω8 — логические сменные, определяемые таким образом [2]:

 

 

где N3 — число букв a3; N2 — общее число букв а2 и а4; N1 — общее число букв а1 и а5 в анализируемой последовательности; ν(n)= TRR(n)/ TRR(n+1) Буквы аi, отвечают одноименным областям на числовой прямой, определяемым следующими соотношениями:

 

если

где f1 = 0; f2 = g1 = 0,8; f3 = g2 = 0,9; f4 = g3 = 1,2; g5 = 0.

 

Структурная схема анализатора представлена на рис. 3.1[2]. Она составляется из усилителя и выдильныка R-Зубца ЕКГ 1, схемы измерения Rr-Интервалов 2, схемы деления каждого предыдущего интервала на дальнейший 3, схемы квантования полученных отношении на пять областей 4, схемы выделения экстрасистол и выпадений 5, счетчика экстрасистол и выпадений 6, устройства индикации 7, схемы распознавания аритмий группы II 8 и схемы классификации аритмий группы I ( по средней частоте прохождения R- Зубцыв ) 9.

 

 

 

Рисунок 3.1 Структурная схема ритмокардиоанализатора РКА-01.

 

Рассмотрим детальнее блок выделения экстрасистол, выполненный в виде синхронного последовательностного устройства на логических ІС. Функциональная схема этого блока, который реализовывает логическую функцию F4, приведено на рис. 3.2 [2]. Основную логику реализуется на элементах А1 -А7. На один из пяти входов блока, каждый с которых отвечает некоторой определенной букве ai в момент действия синхроимпульса D1 поступает импульсный сигнал, который в случае появления буквы а5 переводит триггер A2 в единичное состояние. Если следующая буква в последовательности а1, то импульс из этого входа через схемы A4 и А1 поступает на выход. Если же вторая буква не а1 и не а5, то триггер A5 переходит в единичное состояние, и на схеме А6 проверяется третья по счету буква. Если третья буква а1 то на выходе, как и в случае появления а1 сразу после а5, возникает сигнал о наличии экстрасистолы. Схемы A8-A11 служат для своевременного сбрасывания триггеров А2 и А5. Вся схема управляется четверыми синхроимпульсами D1-D4, ЕКГ, что появляются за R-Зубцом, после выполнения операций деления и квантование в строгой последовательности, через одинаковые интервалы, соответствующие периоду тактовой частоты, равной 3,2 кГц.

 

 

Рисунок 3.2 – Блок выявление экстрасистол.

 

Следует отметить, что именно малый уровень интеграции ІС обеспечивает их самую большую универсальность. С повышением уровня интеграции универсальность схем снижается. Из больших интегральных схем наиболее универсальными есть ВІС оперативной и постоянной памяти. Именно поэтому первыми в устройствах обработки электрофизиологических процессов стали применяться ВІС оперативное запоминающего устройства (ОЗУ), что служат для накопления, хранение и текущего обновления информации, которая отображается на электронно-лучевой трубке (ЕПТ). Дальше рассматриваются два таких прибора — ритмокардиоскоп РКС-01 и осцилоскоп с цифровой памятью ОС2П-01[2,3].

Прибор РКС—01 воссоздает на экране ЕПТ последовательность точек X (n), координатами которых являются значения двух сопредельных Rr-Интервалов TRR (п) и TRR (n + 1). Наблюдаемая траектория перемещения X (п) по экрану, а также конфигурация корреляционного поля, которое получается в результате накопления определенного числа точек, позволяют оперативно следить за по состоянию сердечного ритма и его функциональными и патологическими изменениями у здорового и больного человека. Основой прибора служит ОЗП емкостью 64 x 64 бит, состояние которого в данный момент времени и отображается на ЕПТ. Оперативный ЗП выполнено на шестнадцати ВІС К527 РУ-2 емкостью 256 бит каждая.

Осцилоскоп с цифровой памятью ОС2П-01 [17] есть удобным диагностическим прибором, который также можно использовать как периферийное устройство введения записей электрофизиологических процессов в ЭВМ с визуальным контролем записи, которая вводится, и вывода их из памяти осцилоскопа на аналоговый регистратор. Входной аналоговый сигнал с частотой дискретизации до 500 Гц превратится в аналого-цифровом преобразователе прибора в 8-разрядный двоичный код, который помещается в ОЗП с произвольным доступом емкостью 1024 байт. Со временем по программе, которая реализовывается на ІС в блоке управления, информация поступает в ОЗП, а на место, которое освободилось, записываются выборочно нового сигнала. Опрос ОЗП для формирования изображения на ЕЛТ осуществляется с частотой строчной развертки, которая обеспечивает получение "неугасающего" изображения кривих.

Оператор, наблюдая сигнал в виде отрезка подвижной кривой, может остановить изображение для внимательное его рассмотрения, сохранить его в ОЗП, передать в ЭВМ участок, который интересует, а также вывести информацию из памяти на аналоговый регистратор.

Сложная текущая обработка ЕКГ осуществляется системой наблюдения за по состоянию инфарктных больных на основе семейства МИКРО-ЕВМ "Электроника С5" [10].

Аппаратура, которая входит в систему обработки ЕКГ составляется из блока усиления и фильтрации кардиосигнала (БУФФ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока адаптивного сжатия (БС), буферного ЗП (БОЗП), микро-еом "Электроника С5-11", что составляется с ОЗП, ПЗП, УВВ, арифметико-логического устройства (АЛП) и пристрою микропрограмного управления (ПМПУ), блока управление и индикации (БУЇ). Начальная ЕКГ после усиления, фильтрации и аналого-цифрового преобразования с частотой 500 Гц имеет вид последовательности 8- разрядных отсчетов. Эта последовательность поступает в блок сжатия, где реализованный алгоритм сжатия данных с трьохпараметричною адаптацией — по интервалу аппроксимации, по степени аппроксимирующего полинома и по параметру изменения его степени. Используется аппроксимация нулевого и первого порядка.

Краткие дани в виде 16- разрядных слов со средней скоростью 50 слов в секунду через розривнююче буферное ЗУ поступают на вход одноплатной микро-ЕВМ. В ее ПЗП, расширенному до 2К 16- разрядных слов, содержатся программы алгоритмов выявления Qrs-Комплексов и распознавания 32 видов аритмий по результатам классификации формы этих комплексов и признакам изменения Rr-Интервалов ЕКГ. Алгоритм сжатия данных выполнен в виде специализированного вычислителя на Ттл-Микросхемах с малой и средней степенью интеграции.

Применение микропроцессорных средств при проектировании систем обеспечивает большой экономический эффект за счет значительного сокращения затрат и сроков на разработку устройств и освоения их серийного производства, снижение затрат на эксплуатацию и обслуживание, повышение надежности и расширение возможностей систем при стоимости, более рядом в сравнении со стоимостью систем на жесткой логике [10].

 

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру