Презентация на тему "АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ БИОМЕДИЦИНСКИХ ДАННЫХ"

Содержание

• 
  Слайд 1

  АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ БИОМЕДИЦИНСКИХ ДАННЫХ

  ©А.В. Литвин

• 
  Слайд 2

  Регистрация биомедицинских сигналов

  По своей природе биомедицинские сигналы относятся в основном к аналоговым сигналам, имеющим небольшие амплитудные значения и различный частотный состав. Аналоговыми сигналами называются непрерывные во времени сигналы.

• 
  Слайд 3
  

  x(t) – параметр, характеризующий состояние биообъекта; Д – датчик (электрод);u(t) - выходной сигнал датчика; УИП - унифицирующей измерительный преобразователь; v(t) – выходной сигнал УИП; Кл - ключ; УВХ - устройство выборки-хранения; УПР – управление ключом АЦП - аналого-цифровой преобразователь; Z[i] – цифровой код сигнала; ЭВМ- вычислительная мшина

• 
  Слайд 4

  Электроды

  Электроды используются для измерения активных (биопотенциалов) и пассивных (импеданс биотканей) электрических показателей. Для регистрации биопотенциалов широко применяются хлор-серебряные электроды, имеющие круглую или прямоугольную форму. На теле электроды крепят резиновыми ремнями, присосками, лейкопластырем или клеем.

• 
  Слайд 5

  Датчики

  Датчики, сенсор (sensor)– (первичные преобразователи) – для измерения неэлектрических показателей (температура, давление, сатурация крови кислородом). К датчикам предъявляются следующие основные требования: точность, быстродействие, линейность, стабильность временных характеристик, помехозащищенность, надежность

• 
  Слайд 6

  Параметры информационных сигналов

  В соответствии с российскими стандартами (ГОСТ 9895-78, ГОСT 14853-76) в качестве носителя информации в системах автоматизации используются электрические сигналы постоянного и переменного тока: 1) уровни постоянного тока: 0 - 5 мА; 0 - 20 мА; 4 - 20 мА; -0,5 - 0 - 5 мА; 20 – 0 - 20 мА; -100 – 0 - 100 мА; 2) уровни постоянного напряжения: 0 - 10 мВ; 0 - 20 мВ; 0 - 50 мВ; 0 - 100 мВ; 0 - 1В; 0 - 5 В; 0 - 10 В; -100 - 0 - 200 мВ; -1 - 0 - 1 В; -5 - 0 -5 В; 1 - 5 В; -10 0 --10В; 3) уровни напряжения переменного тока: 0 - 1В; 0 - 2В на частотах 50 или 400 Гц; 4) частотные сигналы: 2 - 4 кГц; 4 - 8 кГц. Амплитуда сигналов при этом может находиться в пределах 60 - 160 мВ; 160 - 600 мВ; 0,6 - 2,4 В; 2,4 - 12 В. Выходы УИП должны обеспечивать нагрузочную способность 250 Ом, 1 кОм, 2,5 кОм.

• 
  Слайд 7
  

  Токовые сигналы используются для передачи измерительных сигналов на расстояния до нескольких сотен метров. Потенциальные сигналы применяются в пределах внутрисистемных блоков и устройств. Сигналы с подавленным нулем (4 -20 мА; 1 - 5 В) позволяют осуществлять контроль целостности линии и подачу электропитания. Частотные сигналы имеют высокую помехоустойчивость и применяются в условиях сильных помех.

• 
  Слайд 8

  Параметры устройств регистрации биопотенциалов

  Отличительная особенность устройств для регистрации биопотенциалов: : – большой динамический диапазон входных сигналов (до ± 300 мВ); – уровень внутренних шумов 1–2 мкВ при полезном сигнале до 10 мВ и уровне напряжения поляризации, в основном определяемом качеством используемых электродов; – высокий уровень подавления синфазной помехи (не менее 100 дБ); – большое внутреннее сопротивление источника сигнала (до 20 кОм); – наличие на исследуемом объекте индустриальных помех; – значительное различие регистрируемых сигналов по частоте.

• 
  Слайд 9

  Измерительные коммутаторы

  Аналоговые коммутаторы классифицируют по точности, быстродействию и количеству каналов. Погрешность коммутатора оценивается соотношением где Uвx, Uвыx – входное и выходное напряжения коммутатора. ИК подразделяются на низкоточные ( > 1%), средней точности ( = 1 - 0,05%) и высокоточные ( 0,1мс), средним ( > 1мкс) и высоким ( 128).

• 
  Слайд 10

  Усилитель биопотенциалов

  Основным элементом УИП является биоусилитель. Операциибиоусилителя: 1) усиливает биомедицинские сигналы до входного диапазона АЦП (обычно до уровня ±5 В); 2) осуществляет фильтрацию сигналов посредством аналоговых фильтров верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот; 3) удаляет из биосигналов сетевую наводку посредством режекторным фильтром.

• 
  Слайд 11

  Основные характеристики биоусилителя

  – входное сопротивление не менее 100 МОм; – уровень шума не более 1–5мкВ от пика до пика ; – уровень подавления синфазной помехи 80–100 дБ; – полоса пропускания не менее 0.01–1000 Гц; –коэффициент усиления от 1 до 100 тысяч; – число ФВЧ; – число ФНЧ; – режекторный фильтр с добротностью не менее 80 дБ.

• 
  Слайд 12

  Устройство выборки и хранения

  Поскольку входной сигнал в течение времени преобразования может меняться, его фиксируют с помощью устройства выборки и хранения (УВХ). УВХ имеет аналоговый вход, аналоговый выход и цифровой управляющий вход. Запоминающим элементом в устройстве выборки и хранения является конденсатор. Режимы работы УВХ: – режим слежения (trackmode); – режим хранения (holdmode). В режиме слежения выходной сигнал УВХ совпадает со входным. В режиме хранения напряжение на выходе устройства постоянно.

• 
  Слайд 13
  

  Чаще всего УВХ реализуется на одном кристалле с АЦП. Примером устройства выборки и хранения аналогового сиг-нала является микросхема К1103СК3 с временем установления не более 60 нс

• 
  Слайд 14

  Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

  АЦП осуществляет преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую форму для ввода в ЭВМ, с заданной частотой повторения таких преобразований. Основные характеристики АЦП: число входных аналоговых каналов, число дискретных входных и выходных каналов, разрядность преобразования, быстродействие, уровень шумов и их изменение с частотой.

• 
  Слайд 15

  Пример 12 разрядного АЦП

  Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ

• 
  Слайд 16

  АЦП для ввода в ЭВМ биосигналов

  Современные АЦП имеют 16 входных аналоговых каналов, 8 входных и 8 выходных дискретных каналов, 12-разрядное преобразование со временем в несколько микросекунд, что более чем достаточно для большинства электрофизиологических исследований.

• 
  Слайд 17

  Виды АЦП

  АЦП подразделяются на последовательные и параллельные. К последовательным АЦП относятся: 1) АЦП с промежуточным преобразованием в интервал времени или частоту и последующим преобразованием в цифровой код; 2) АЦП поразрядного взвешивания, основанные на уравновешивании Ux суммой n - эталонных напряжений; 3) АЦП интегрирующего типа; 4) АЦП с единичным приближением (следящего типа) основанные на компенсации входного сигнала Ux ступенчатым сигналом, изменяющимся с шагом квантования ΔU.

• 
  Слайд 18
  

  БольшенствоАЦП (70-80%) реализовано по схеме поразрядного взвешивания. Разрядность таких АЦП составляет 10 -16 бит c высоким быстродействием(1 - 40 мкс). Основное применение – многоканальные ИС.

• 
  Слайд 19

  Параллельные АЦП

  Параллельные АЦП основаны на использовании 2n– 1 эталонов напряжений, различающихся на один квант ΔU. Преобразование осуществляется за один такт. Новыми разновидностями АЦП интегрирующего типа являются дельта-сигма и сигма-дельта АЦП. Сигма-дельта AЦП применяют для преобразования относительно медленных сигналов с большим динамическим диапазоном.

• 
  Слайд 20

  Цифроаналоговые преобразователи

  ЦАП входят в состав устройств вывода аналоговой информации для исполнительных устройств систем управления, цифроуправляемых генераторов программируемых источников питания и т. д.

• 
  Слайд 21

  Многоканальные измерения

  Fs -частота оцифровки определяется теоремой Котельникова или правилом Найквиста.

• 
  Слайд 22

  Многоканальная измерительная система

  Д= датчики; К – аналоговые коммутаторы; УИП - унифицирующий измерительный преобразователь; УУ – устройство управления (контроллер); АЦП аналого-цифровой преобразователь ИФУ – интерфейсное устройство.

• 
  Слайд 23

  Погрешность ввода сигнала

  - погрешности датчика, коммутатора, УВХ и АЦП. Значения погрешностей выбираются из паспортных или справочных данных. Основную долю в погрешность преобразования АЦП вносит погрешность квантования. ,    

• 
  Слайд 24
  

  Для исключения потери информации при прохождении сиг-нала по каналу должно выполняться условие При этом суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выражением Причем должно соблюдаться условие Необходимая разрядность AЦП определится выражением:  

• 
  Слайд 25

  Временные параметры устройств ИИС

  Согласно теореме Котельникова интервал дискретизации t сигнала не должен превышать Общее время цикла должно быть Тц

• 
  Слайд 26
  

  Длительность включает: длительность коммутации tк, выборки Δtв, аналого-цифрового преобразования ввода информации в ЭВМ. Таким образом, суммарное быстродействие канала должно быть следующее: При достаточном быстродействии АЦП можно исключить УВХ.  

• 
  Слайд 27

  Приведенная апертурная погрешность АЦП

  Оценим предельную частоту fпизмерительного сигнала, который АЦП способен правильно преобразовать без применения УВХ. Пусть измерительный сигнал представляет собой гармонические колебания За время преобразования tАЦП сигнал успевает измениться на величину Максимально возможное приращение сигнала =2π Отсюда приведенная апертурная погрешность АЦП равна: =2π.  

• 
  Слайд 28

  Максимальная частота АЦП

  Для правильной оцифровки сигнала необходимо, чтобы приращение сигнала не превышало шага квантования АЦП АЦП без УВХ может обеспечить преобразование сигналов с верхней частотой не более: Это требование достаточно практически исключают возможность использования АЦП без УВХ.