Средства автоматизированного проектирования реабилитационной техники. Список экзаменационных вопросов.
Блок 1.
1. Автоматизация каких процедур проектирования возможна с помощью САПР? Классификация САПР по сфере применения.
САПР – система автоматизированного проектирования. Программный пакет, который призван создавать конструкторскую и технологическую документацию, 3D модели и чертежи. Базируется на двух основных подсистемах: проектирование и обслуживание. С помощью первой осуществляется само построение схем, чертежей. Вторая служит для управления первой.
Наиболее очевидной и востребованной функцией комплексов САПР является возможность построения компьютерной 2D- и 3D-модели разрабатываемого изделия.
Основные составляющие модули:
Построение двумерных систем и геометрическое 3D-моделирование.
DesPM – Design Process Management – управление процессом конструирования.
PDM — Product Data Management – организация и оптимизация заложенных данных.
Диалоговый модуль – дает возможность эффективного общения пользователя с программой.
Совокупность технических средств – измерительные приборы и инвентарь для построения.
Математическая база, включающая в себя алгоритмы решения проблем и функции преображения данных.
Информационное обеспечение – энциклопедический набор знаний, к
которому имеет доступ пользователь.
1
Языковая надстройка с возможностью перевода текста.
Базовая совокупность средств, необходимых при стандартных ситуациях проектирования.
Основная цель разработки платформы – это повышение эффективности труда инженеров с помощью обеспечения взаимодействия с электронно-
вычислительными машинами. Оно достигается следующими факторами:
облегчается процесс конструирования для сотрудников всех отраслей;
уменьшаются сроки завершения проектов в целом;
сокращается начальная стоимость работы проектирования за счет устранения издержек и оплаты многочасового труда работников;
улучшается качество готового продукта и каждого отдельного этапа;
практически убирается статья расходов на тестирование изделий и устранение погрешностей.
Такой результат достигается за счет ряда достоинств автоматизации:
обширная и доступная информационная база, заложенная в структуре программы;
автоматический сбор и классификация всех сопутствующих документов;
возможность системы параллельного конструирования и,
соответственно, предоставления объема работ на текущий момент
моделирования;
заложенная в программе библиотека готовых решений;
режим проверки и испытаний готового продукта путем математического моделирования;
подбор и предложение максимально выгодных методов моделирования при минимизации расходов;
2
сбор и классификация информации для наиболее выгодного
управления предприятием.
Классификация САПР по сфере применения (отраслевому
назначению):
MCAD – mechanical CAD – это сфера машиностроения любой сложности: от ракетных установок и автомобилей до примитивного тостера;
EDA или electronic CAD – это группа радиоэлектронных разработок,
необходимая для разработки как целого проекта, так и его элементов:
микросхем, плат и других деталей.
AEC СAD или CAAD – программное обеспечение для архитекторов
истроителей. Используется для возведения зданий, строительства дорог и элементов инфраструктуры любой сложности.
Классификация по цели использования:
Повторяет три составляющих классического САПРа:
CAD – отвечает за проектирование и создание чертежей;
CAE – модуль для автоматических подсчетов и аналитических процессов;
CAM – подготовка производства и управление всей системой.
Они могут быть как воплощены в раздельных платформах, так и объединены в одной – это комбинированные программы. Также возможны надстройки с соответствующими функциями на базовой комплектации.
2. Возможности САПР в области разработки биотехнических
(радиоэлектронных систем).
Радиоэлектроника – область науки и техники, охватывающая теорию,
методы создания и использования устройств для передачи, приёма и преобразования информации с помощью электромагнитной энергии.
3
Для разработок радиоэлектронных схем используется EDA или electronic CAD – группа радиоэлектронных разработок, необходимая для разработки как целого проекта, так и его элементов: микросхем, плат и других деталей.
Печатная плата (printed circuit board, PCB) – пластина из диэлектрика,
на поверхности или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического
имеханического соединения различных электронных компонентов.
Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
Схема электрическая – графическое изображение, используемое для передачи с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений структуры электронного устройства. Включает условные графические обозначения (УГО) электронных компонентов и связей между их выводами.
Возможности:
Разработка схемы электрической принципиальной (Э3) электронного устройства.
Цифроаналоговое моделирование схемы устройства.
Размещение (расстановка) электронных компонентов и внешних соединительных разъемов на печатной плате.
Оптимизация плана размещения компонентов с целью минимизации длин предполагаемых электрических соединений, обеспечения равномерного теплового рассеивания, создания приемлемой электромагнитной среды для передачи сигналов без искажений. Размещение (расстановка) электронных компонентов и соединительных разъемов на печатной плате является комплексной задачей, при решении которой требуется достижение компромиссов по следующим основным критериям:
4
o Расстановка компонентов с соблюдением установленных правил на минимально допустимые расстояния между их корпусами и выводами.
o Минимизация суммарной длины планируемых к реализации соединений с учетом требований по быстродействию и помехозащищенности
(дифференциальные пары, функционально связанные группы, цепи синхронизации).
o Обеспечение равномерного распределения плотности соединений на печатной плате.
o Учет теплового рассеивания и электромагнитного излучения электронных компонентов.
Прокладка (трассировка) электрических соединений между эквипотенциальными выводами размещенных компонентов в соответствии с заданными правилами проектирования, регламентирующими ширину соединений, минимально допустимые зазоры с другими элементами печатного монтажа, обеспечения требований быстродействия и помехозащищенности. Трассировка соединений является ключевым этапом конструкторского проектирования радиоэлектронной аппаратуры, решает задачу прокладки соединений на слоях печатной платы между эквипотенциальными выводами компонентов с учётом заданных правил и ограничений, основными среди которых являются ограничения на ширину проводников и минимально допустимые зазоры между элементами печатного монтажа. Показателями эффективности применяемых методов трассировки являются полнота реализации электрической схемы, минимальная суммарная длина построенных соединений, количество использованных слоев и межслойных переходов. Бывает ручная, автоматическая и интерактивная
(что-то среднее между двумя предыдущими).
Контроль соответствия структуры печатного монтажа исходной электрической схеме и технологическим ограничениям производства.
5
Выпуск конструкторской и производственной документации на электронные устройства.
Контроль целостности проектных данных, отслеживание внесенных изменений, обмен проектной информацией с другими автоматизированными системами.
Логическое моделирование цифровых устройств – один из распространенных способов проверки поведенческих и функциональных свойств проектируемых цифровых устройств и нацелено на сокращение затрат, связанных с созданием и испытаниями опытных образцов.
Моделирование аналоговых устройств позволяет проводить анализ рабочих режимов и осуществлять оценку параметров схемы без изготовления
еемакетных образцов:
o Анализ схемы по постоянному и переменному току
o Анализ переходных процессов и передаточной функции o Анализ шумов и устойчивости
o Температурный анализ при изменении рабочей температуры
o Параметрический анализ при изменении параметров моделей электронных компонентов (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы,
функциональные источники и др.) |
|
|
|
3. Системы |
автоматизированного |
проектирования |
и |
конструирования |
(САПР) медицинской |
техники, определения, |
|
назначение, применение, история и тенденции развития. Обзор САПР.
Система DentCAD британской компании Delcam, применяемая в стоматологии
Система AccuShape, применяемая при пластике дефектов черепа, и
другие продукты американской компании MedCAD
Программа TinkerCell, позволяющая создавать модели сетей молекулярно-биологических взаимодействий из доступных в базах данных
6
клеточных «частей» и наблюдать их динамику, позиционируемая как САПР для биологов
Медицинских САПР, к которым следует относить более узкий класс компьютерных систем – системы поддержки хирургических операций, или
CAS-технологии (ComputerAssisted/AidedSurgery)
В рамках концепции биологических САПР можно выделить класс прикладных систем, как медицинские САПР. Предлагается различать следующие способы применения САПР в зависимости от целей применения
иосновного объекта проектирования
технические САПР при проектировании технических объектов и процессов (традиционный подход);
технические САПР при проектировании медицинских объектов и процессов в биомедицинской инженерии и биопромышленности
(современные тенденции);
биологические САПР при прогнозировании состояния здоровья человека (медицина ближайшего будущего);
биологические САПР для коррекции генетических дефектов в организме человека и животных (медицина будущего);
биологические САПР при проектировании технических объектов в бионике (техника ближайшего будущего).
7
Техническое обеспечение медицинских САПР должно включать специализированное медицинское оборудование.
Медицинские мониторы, диагностическое и лабораторное медицинское оборудование принципиально позволяют получать информацию о пациенте и использовать ее непосредственно в процессе моделирования его организма,
что соответствует CAD-технологии в международной практике САПР.
Преобразование данных и генерация программ управления для оборудования поддержки жизни, терапевтического и хирургического оборудования (например, для робота-хирурга) в медицинских САПР может рассматриваться как аналог технических CAM-систем. Совокупность указанных систем может образовывать замкнутую систему,
функционирующую под управлением специалиста и решающую широкий круг задач медицинской хирургии, реанимации и реабилитации.
Математическое обеспечение традиционных САПР включают методы математического моделирования объектов и процессов проектирования,
8
математические модели объектов и процессов проектирования, алгоритмы решения задач в процессе проектирования.
МО медицинской САПР – наличие специализированных математических моделей медицинских объектов и процессов. Например,
такие как модель динамики состояния пациента в зависимости от лечебного воздействия, модель Орна – Лью, модель оптимальной дозировки инъекций сильнодействующих лекарственных средств Беллмана, модель синтеза изображений в томографии и другие в зависимости от назначения медицинской САПР и объекта проектирования. Общим свойством большинства моделей, используемых при описании биологических объектов,
является их отнесение к классу «мягких».
Информационное обеспечение технической САПР определяется как совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования. Оно состоит из описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий и их моделей, правил и норм проектирования.
В отличие от них информационное обеспечение медицинской САПР состоит из описаний анатомического строения человеческого организма, его функциональных особенностей, патологий и методов их лечения и т.д. В
связи с этим к данному типу обеспечения медицинской САПР относится содержимое анатомических атласов, различных медицинских справочников,
энциклопедий и других источников медицинских знаний.
Лингвистическое обеспечение – совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования, а также для осуществления диалога проектировщик – ЭВМ и обмена данными между техническими средствами САПР.
Особенность лингвистического обеспечения медицинских САПР заключается в том, что они позволяют организовать логическую связь
9
профессионального тезауруса медицинских работников с описаниями и программной реализацией средств проектирования медицинской САПР.
Методическое обеспечение – описание технологии функционирования САПР, методов выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов. Оно включает в себя теорию процессов, происходящих в проектируемых объектах, методы анализа, синтеза систем и их составных частей, различные методики проектирования.
Методическое обеспечение медицинских САПР базируется на технологиях проведения лечебного процесса, клиническом мышлении врача,
а также на моделях процессов, происходящих в биологических объектах,
значительно отличающихся от процессов, происходящих в объектах технических.
Организационное обеспечение – совокупность документов,
определяющих состав проектной организации, связь между подразделениями, организационную структуру объекта и системы автоматизации, деятельность в условиях функционирования системы, форму представления результатов проектирования.
В отличие от технических, в организационное обеспечение медицинской САПР необходимо включить: основы организации лечебного процесса, должностные инструкции врачей, правила эксплуатации сопрягаемого с САПР оборудования и т.д.
Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования,
направленные на согласование психологических, психофизиологических,
антропометрических характеристик и возможностей человека с техническими характеристиками средств автоматизации и параметрами рабочей среды на рабочем месте.
Примером эргономического обеспечения медицинской САПР может служить система голосового управления геометрическими
пространственными моделями, которое обеспечит возможность применения
10