Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

дыдущей микрокоманды; код операции блока, формируемый отдельными разрядами микрокоманд; потенциалы линий, указывающих на состояние различных узлов устройства или внешней среды; входная информация (данные).

Коммутаторы данных, используемые для организации связи как внутри устройства, так и с внешней средой, управляются обычно отдельными разрядами микрокоманды в сочетании с линиями состояний внешней среды или устройства.

Все указанные функции обеспечиваются комплектом модулей, входящих в МК. Независимо от различий, которые могут иметь место в модулях разных фирм, определенные схемные блоки являются общими для всех МК. Их различие заключается, как правило, в том, какие системные возможности они предоставляют и каким быстродействием обладают.

Таким образом, микропроцессор является первым логическим прибором общего назначения, построенным на основе БИС, который, заменяя логику с фиксированными проводными соединениями, представляет разработчикам комбинацию преимуществ БИС и программирования. Преимуществами микропроцессоров также являются:

оригинальность организации;

универсальность применения, реализуемая их способностью моделировать логику средствами программного обеспечения;

возможность быстрого внесения в систему исправлений и изменений путем перепрограммирования без каких-либо изменений в аппаратурных средствах;

сокращение затрат на обслуживание и ремонт, ибо надежность микросхемы возрастает почти на порядок. Например, использование микропроцессора вместо 50 обычных микросхем позволяет устранить 1800 межсоединений, на долю которых в электронике приходится большинство отказов.

В настоящее время микропроцессоры широко применяются в аппаратуре для контроля, автоматизации производственных процессов, проектных и исследовательских работ, управления и т.д. Значительное место в применении микропроцессоров занимают системы, используемые для обработки данных, системы управле-

431

ния технологическими процессами и числового управления станками, системы контроля потребления энергии, а в последние годы – робототехника.

Применение микропроцессоров является существенным фактором в наблюдающейся сейчас компьютеризации, поскольку делает целесообразным использование сложных средств управления даже для небольших технологических циклов.

Согласно прогнозам в 1975 г. микропроцессор должен был стать главным средством управления в промышленности. Однако действительность превзошла самые смелые предсказания. Сегодня микропроцессоры управляют прокатными станами в металлургии, контролируют трубопроводы, интерпретируют показания анализаторов, управляют процессами в самых разнообразных отраслях промышленности. Их применение будет и далее расширяться.

Микропроцессоры ускоряют рассредоточение управления. Раньше в системах распределенного управления обычно использовали мини-ЭВМ. Теперь эти функции берет на себя микропроцессор.

Вперерабатывающих отраслях промышленности микропроцессоры облегчают распределенное управление отдельными технологическими циклами. На уровне цикла они позволяют применять усовершенствованные методы управления: каскадный, с прямым каналом и т.п. Дополнительным преимуществом такого подхода является то, что независимые технологические циклы способны функционировать и при отказе основной управляющей ЭВМ.

Должно быть, самым важным из последних достижений измерительной техники является также широкое внедрение в нее микропроцессора, отражающее ее срастание с полупроводниковой технологией. Микропроцессоры все чаше и все более сложными методами применяются в контрольно-измерительной аппаратуре для решения задач сопряжения, управления, выполнения вычислений. Большим спросом пользуются также логические анализаторы, анализирующие логические состояния и временные диаграммы.

Вмедицинском приборостроении, где цена на приборы выше, а потребители меньше знакомы с электроникой, микропроцессоры позволяют снизить стоимость каждого диагноза и ускорить процесс

432

проведения медицинских анализов. Здесь к настоящему моменту микропроцессоры получили даже более широкое распространение, чем в других областях измерительной техники.

Интегральные микросхемы, в том числе и микропроцессоры, проникают в дома. Прекрасным примером может служить централизованная установка кондиционирования воздуха. Установка сама анализирует происходящие в ней операции и диагностирует неисправности с помощью гибридной (аналого-цифровой) системы, в которую входит заказной компьютерный модуль с неизменяемой программой.

Широкое применение микропроцессоров в различных областях, кроме прочего, еще определяется тем, что в отличие от обычных ЭВМ микропроцессор, представляющий собой миниатюрный кристаллик, легко можно разместить где-нибудь в уголке станка, электрической пишущей машинки, электронных весов, кассового аппарата, кухонной печи с СВЧ нагревом, в светофоре, в сложном научном приборе и во множестве других устройств, возможности которых будут несравненно расширены благодаря их оснащению электронным «мозгом». Скоро микропроцессоры начнут заменять шестеренки, зубчатые передачи и электромеханические реле в самых различных системах управления, поскольку управлять электронами гораздо легче и эффективнее, чем механическими деталями.

8.7.Аналого-цифровые преобразователи

Вмикропроцессорах, представляющих собой устройство для обработки цифровой информации, так же как и в современных компьютерах обрабатываемая информация представляется в виде двоичного кода. При этом преобразование переменной величины в цифровой код в виде двоичных чисел 0 и 1 производится аналого-

цифровым преобразователем (АЦП).

Основой АЦП являются ИКН1, особенности применения которых можно проиллюстрировать на примере параллельного АЦП одновременного сравнения (рис. 8.29).

1 ИКН кратко рассмотрены в п. 1.6 части 1 учебного пособия.

433

Рис. 8.29. Структурная схема параллельного АЦП одновременного сравнения

В АЦП такого вида для каждого уровня квантования сигнала Uт требуется отдельный ИКН с опорным напряжением, соответствующим данному разряду. Это напряжение подается через резистивный делитель, состоящий из N резисторов с одинаковым сопротивлением R. При этом опорное напряжение младшего разряда

Uоп1 = UNоп , где Uоп – напряжение высокостабильного источника.

Опорные напряжения последующих разрядов равномерно увеличи-

ваются на величину UNоп , так что на неинвертирующий вход ИКН

k-го разряда поступает Uвх.ниk = kUоп . Кодируемый аналоговый

N

сигнал Uт поступает одновременно на инвертирующие входы всех ИКН, образующих измерительную часть АЦП. При подаче такто-

434

вого импульса Uт, поступающего на вход С, выходные сигналы ИКН поступают на кодирующее логическое устройство, которое формирует выходные сигналы в виде двоичного цифрового кода.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой код производится следующим образом. В зависимости от амплитуды кодируемого сигнала Uт срабатывает определенное число ИКН, начиная с первого и кончая тем, у которого пороговое напряжение Uпорk ≤

≤ Uт –	Uоп	. Следующие за ним ИКН с Uпор(k+l) ≥ Uпорk +	Uоп	не
			N
	N

срабатывают, что и позволяет кодирующему устройству выдавать сигнал на выходе, соответствующем k-му разряду.

Помимо рассмотренного АЦП параллельного типа, применяются АЦП последовательного типа [9] и интегрирующие АЦП.

Контрольные вопросы

1.В чем отличие больших интегральных схем от обычных интегральных микросхем?

2.Какие функции выполняют тристабильные выходные каскады?

3.Что представляют собой регистры памяти, сдвигающие регистры?

4.Какие функции выполняют счетчики в цифровых вычислительных устройствах?

5.Чем отличаются последовательные счетчики от параллельных?

6.Какие операции реализуют АЛУ?

7.Чем отличаются оперативные ЗУ от постоянных?

8.Из каких основных блоков состоят микропроцессоры и какие функции выполняют эти блоки?

9.Какова роль микропроцессоров в компьютеризации медицинской диагностики?

10.Какими микросхемами производится преобразование переменной величины в цифровой двоичный код?

_______

435

Литература к частям 1 и 2

1.Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. М.: Энергоатомиздат, 1983.

2.Дехтярь Г.Я. Электрокардиографическая диагностика. М.: Медицина, 1972.

3.Джонс М.Х. Электроника: практический курс / Пер. с англ. М.: Постмаркет, 1999.

4.Агаханян Т.М. Электронные устройства в медицинских приборах. Ч.1. М.:

МИФИ, 2003.

5.Агаханян Т.М. Усилители постоянных сигналов для физического эксперимента. М.: МИФИ, 1981.

6.Агаханян Т.М. Синтез аналоговых устройств. М.: МИФИ, 1989.

7.Агаханян Т.М. Проектирование электронных устройств на интегральных операционных усилителях. М.: МИФИ, 2008.

8.Агаханян Т.М., Плеханов С.П. Интегральные триггеры устройств автоматики. М.: Машиностроение, 1978.

9.Стенин В.Я. Электронные системы с дискретизацией сигнала. М.: МИФИ, 1994.

_________

436

Часть 3. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

9. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

9.1. Назначение компьютерных и электронных систем медицинской диагностики

В настоящее время развитие компьютерных и электронных медицинских систем идет по следующим основным направлениям:

экспертно-диагностические системы поддержки принятия решений, призванные служить инструментом в руках врачадиагноста, причем «последнее слово» принадлежит не системе, а именно врачу. Такие системы аккумулируют опыт и знания высококвалифицированных специалистов, работающих, как правило, в ведущих медицинских центрах. Одними из основных подсистем в составе экспертно-диагностических систем выступают базы знаний;

лечебные системы (например, физиотерапевтические, стоматологические, хирургические);

информационные системы, охватывающие широкий спектр приложений: истории болезни, справочники, отчеты, служебную документацию и т.д.;

расчетно-аналитические системы, освобождающие врача от рутинной работы;

компьютерные сети, включая Интернет;

обучающие системы, предназначенные для обучения и повышения квалификации медперсонала, обучения студентов-медиков, учащихся медицинских училищ;

телемедицинские системы, базирующиеся на применении ин- формационно-телекоммуникационных технологий в здравоохранении, с помощью которых дистанционно реализуются диагностиче-

437

ские процедуры, лечебные консультации, врачебные конференции, обучение медперсонала.

Применение методов и средств автоматизированной обработки диагностических исследований позволяет повысить достоверность исследований, быстро переработать большие объемы информации.

Как известно, проблема поиска информативных признаков играет решающую роль в медицинской диагностике. Применение современных информационных технологий позволяет вывести решение этой проблемы на новых уровень. Это стало возможным благодаря успехам в реализации идей физики, химии, биологии, психологии, кибернетики и в значительной степени – электроники, приведших к появлению высокотехнологичных средств медицинской диагностики, к числу которых относятся, в частности, томографы и компьютерные системы гистологической, цитологической и гематологической диагностики [1, 10, 11, 12, 16].

Компьютеризация медицинской диагностики позволяет успешно решить проблемы, связанные с реализацией телемедицины, под которой понимаются телекоммуникационные и информационные технологии, обеспечивающие обмен медицинскими данными [1]. Передача и прием информации в телемедицинских технологиях основаны на использовании сетей связи: телефонных – общего назначения, с выделенными линиями; мобильных компьютерных – локальных, глобальных, Интернета и др.

Среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передающего устройства к приемному, называется линией связи. Для телемедицины характерно использование проводных, кабельных – медных и волоконно-оптических (наиболее прогрессирующих), спутниковых и радиорелейных линий связи.

Совокупность технических средств и среда распространения, на основе которых формируется маршрут для передачи сигналов между отдельными источниками и получателями информации, носит название канала связи.

Важной количественной характеристикой оперативности обмена информацией является скорость передачи информации (пропускная способность) по линии связи, которая определяется количе-

438

ством информации, поступающей по линии связи за одну секунду, и выражается в битах в секунду (бит/с). Отметим, что принципиально наивысшими возможностями по скоростям передачи информации обладают волоконно-оптические линии и системы оптической связи – до нескольких терабит в секунду.

Приоритетная задача телемедицины заключается в реализации условий, при которых помощь высококвалифицированных специалистов становится доступной в районах, удаленных от специализированных медицинских центров. Реальную пользу такой медицинской помощи трудно переоценить.

Программно-аппаратный комплекс для медицинской диагностики включает:

датчики для регистрации физиологических данных пациента;

регистрирующие устройства (как правило, электронные);

преобразователи в виде АЦП, ЦАП;

компьютер для записи, обработки и хранения физиологических данных пациента.

При создании современных автоматизированных систем диагностики, как правило, используются компьютеры. С их помощью можно не только проводить диагностику по полученным данным, но и оперативно оценивать и прогнозировать состояние больного на основе непрерывно вводимых в ЭВМ новых данных, а также сравнения их с информацией, накопленной в базе данных компьютера.

Широкий класс компьютерных диагностических медицинских систем основан на обработке изображений. Автоматизированная обработка изображений применяется в обширном ряде диагностических исследований, охватывающих самые разные области медицины: гистологию, цитологию, гематологию, офтальмологию, иммунологию, бактериологию, рентгенологию, томографию, эндо-

скопию и др. [1, 10, 11, 12, 14, 15, 16].

Однако электронные устройства применяются не только в диагностических системах. Так, в последние годы они все больше стали внедряться при лечебных операциях, требующих высокую точность воздействия на соответствующий орган больного. Интересным примером является волоконно-лазерный аппарат, применяе-

439

мый для деструкции новообразований в трахее, бронхах, пищеводе и желудке. Он позволяет производить эффективную коагуляцию или удаление небольших экзофитных новообразований без полостных операций [2].

В настоящее время исследуются перспективы применения гипертермической терапии для воздействия на раковые внутриполостные новообразования посредством локального их нагрева до температур 42–44 °С. Для точечного нагрева используется лазерное облучение или СВЧ излучение [3].

9.2. Архитектура автоматизированных систем обработки изображений

для медицинских исследований

Архитектура системы отражает общие принципы ее построения, независимо от конкретной реализации. Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИЗ) решают задачи сбора, переработки, хранения и выдачи информации о разнообразных объектах материального мира.

Обработка изображений представляет процесс преобразования изображений к виду, удобному для использования (человеком или управляющей системой). Здесь можно выделить три главных направления: анализ изображений, распознавание изображений, машинная графика.

Анализ изображений в основе связан с качественной или количественной оценкой отдельных фрагментов исследуемого объекта или изображения в целом.

Распознавание изображений представляет процесс определения принадлежности исследуемого объекта к одному из классов (класс

– множество объектов одной категории).

Машинная графика – воспроизведение изображений в виде графиков, схем, чертежей, портретов и т.д., удобных для работы человека или устройства. В качестве вычислительных средств для обработки информации в АСОИЗ широко используются ЭВМ.

Рассмотрим элементы структурной схемы АСОИЗ (рис. 9.1) для микроскопического анализа [1, 10].

440