Структура бтс
Ниже представлен общий вид структуры БТС для записи ЭКГ.
В неё входят следующие элементы:
Электрокардиограф– прибор для записи электрокардиограммы, структуру которого разберём позже,
Компьютер– как средство хранения и обработки данных,
Оператор– как человек, проводящий исследование,
Объект исследования– тестовый генератор, человек или животное (в общем случае), которые могут являться источниками электрического сигнала,
Окружающая среда– как источник электрических наводок и помех (посторонних сигналов), учитываемый в отношении чувствительных к ним элементов БТС, а также как источник механических и более сложных воздействий на объект исследования.
Связи между всеми элементами системы имеют два направления, поскольку каждые два элемента соединённых связью могут влиять друг на друга. Отсутствие связей между некоторыми из элементов означает, что взаимодействие этих элементов либо пренебрежимо мало, либо просто выходит за рамки рассматриваемой системы. Итак, рассмотрим учтённые в системе отношения.
Компьютер – Оператор.Оператор через интерфейс компьютера (клавиатура, мышь, монитор) передаёт компьютерной программе информацию о параметрах проводимого исследования. Компьютерная программа через тот же интерфейс может отобразить параметры и текущие результаты проводимого исследования, правильность подключения электродов, средние и максимальные уровни сигналов, калибровочные и температурно-компенсационные сигналы электрокардиографа.
Компьютер – Электрокардиограф. Компьютер может передавать на электрокардиограф настройки, необходимые для проведения исследования, энергию для заряда батарей (при проводном подключении), метаинформацию к записываемым файлам для удобства их распознавания. Канал связи расщепляется на три полноценных двунаправленных канала плюс один двунаправленный вспомогательный.
USB в Bulk режиме, поддерживаемый контроллером кардиографа, обеспечивает высокие скорости передачи и позволяет получать полный сигнал по всем отведениям на максимальной частоте дискретизации прибора,
USB в режиме SPP, поддерживаемый интерфейсомUART-USBft232, сравнительно низкоскоростной канал, может использоваться для обновления прошивки контроллера а также для передачи данных с части каналов при пониженных до обычных частотах дискретизации,
Bluetooth в SPP режиме, поддерживаемый модулемUART-BTbt111, сравнительно низкоскоростной канал, позволяющий передавать сигнал с одного отведения, выбирать отведения для просмотра а также настраивать кардиограф без проводного соединения,
SDIO SDCard интерфейс, позволяющий вынимать карту памяти из кардиографа и подключать её к компьютеру в случае полной разрядки батареи кардиографа, запись на карту имеет самую высокую скорость из всех приведённых каналов обмена информацией, а настройки процедур могут храниться на карте в виде отдельных файлов и выбираться через интерфейс прибора.
Электрокардиограф – Окружающая среда. Влияние окружающей среды на кардиограф, учтённое в нашей системе, заключается в электромагнитных наводках, которые могут создавать аддитивную помеху. Как правило, это сетевая наводка 50Гц плюс высокочастотные шумы и импульсы от работы сетевых импульсных блоков питания, электродвигателей и т.п. С учётом этого входная схема кардиографа проектируется таким образом, чтобы дать входному сигналу максимально возможное усиление в первом же каскаде. Это усиление ограничено напряжением питания, так как постоянное смещение входного сигнала по стандарту может составлять 300мВ, и допустимое усиление первого каскада при отсутствии входных конденсаторов составитK=Uпит/300мВ, либоK= (Uпит+ -Uпит-)/300мВ в случае двух полярного питания. Применение современных программируемых аналоговых интерфейсов снимает проблему фильтрации и последующего усиления, предлагая готовое решение в одной микросхеме. Влияние же кардиографа на окружающую среду заключается в применении активной обратной связи. В случае появления помехи кардиограф выдаёт достаточно большой (по меркам помех) ток на перезарядку паразитных ёмкостей проводов и человеческого тела, то есть воздействует на распределение полей в окружающей среде.
Окружающая среда – Объект исследования.Окружающая среда в нашей системе представлена разнообразными источниками помех. Некоторые из них являются глобальными и неустранимыми (мощные ЭМ-импульсы извне, наводки от электропроводки в здании). Другие – металлические предметы, собирающие наводки и выравнивающие потенциалы в силу природы материала, мобильные телефоны, электронные часы включая стрелочные – можно удалить от места проведения процедуры. Также к окружающей среде, подстраиваемой под процедуру, относится расположение объекта исследования в пространстве (стоя, сидя, лёжа). Тут с использованием механики окружающей среды (механических опор, нагрузочных устройств) можно снизить или повысить напряжение мышц, изменить нагрузочные характеристики сигнала, обусловленные состоянием объекта исследования.
Оператор – Электрокардиограф. Оператор через интерфейс кардиографа (дисплей, клавиатура) может выбрать один из сохранённых на карте памяти предустановленных режимов записи электрокардиосигнала, может запустить, завершить или временно прервать запись, просмотреть сигнал с выбранного отведения и настроить параметры усиления и фильтрации для этого отведения. Оператор может механически извлечь карту памяти из кардиографа и вставить в компьютер. Кардиограф может уведомлять оператора об устанавливаемых подключениях к компьютеру, извлечённой карте, превышении уровней сигнала, отключениях электродов, разряде и ходе заряда батареи.
Электрокардиограф – Объект исследования. В этой паре объект исследования воздействует на кардиограф, отдавая некоторую электрическую мощность на входное сопротивление усилителя кардиографа. Кардиограф воздействует на объект исследования, отдавая некоторую мощность через обратную связь, чтобы перемещением носителей заряда добиться отсутствия аддитивной помехи по среднему значению всех каналов, приведя их к середине диапазона измерения.
Оператор – Объект исследования.Оператор и объект исследования взаимодействуют вербально и механически с целью достижения целевой функции рассмотренной БТС – с целью получения записи электрокардиосигнала. Рассмотрение обработки затронуло бы вышестоящую систему, выходящую за рамки работы.
Подробнее остановимся на центральном элементе биотехнической системы – на электрокардиографе. Рассмотрим его как подсистему нашей БТС.
Здесь мы видим, что система прибора имеет три основных и один вспомогательный интерфейс для связи с внешним миром, что следовало из рассмотрения вышестоящей системы. Также система имеет источник энергии, обеспечивающий функционирование контроллера и остальных элементов. Решения о расходе энергии на тот или иной элемент принимает контроллер. Когда элемент не используется – он отключается. Это одна из черт гибких систем. Итак, переходим к рассмотрению элементов.
Контроллер.ИспользованSTM32F205RE, 32bit120MHz128KBRAM, сам являющийся примером гибкой архитектуры вплоть до динамической маршрутизации процессорных шин (изменение архитектуры процессора на ходу).
Измерительный интерфейс.Использован однокристальный кардиографADS1298 с программно-конфигурируемой аналоговой схемой усиления и аналогового вычисления сигналов, восемью независимыми дельта-сигма АЦП 24bitс одновременным захватом отсчётов в каналах и встроенными анти-альясинговыми фильтрами.
Интерфейс связи с ПК.Используются три основных канала связи, которые отнесены к штатному интерфейсу на этом уровне абстракции. Дело в том, что мы способны управлять протоколами и временем обмена по этим каналам, в то время как работа сSDкартой может быть разнообразной и выходить за пределы рассматриваемой системы. Далее ещё раз напомню штатные каналы связи. Модуль USBOTGв Bulk режиме, поддерживаемый контроллером кардиографа, обеспечивает высокие скорости передачи (к сожалению именно в контроллереSTM32F207 нет встроенного полноценногоUSBна 250Mbit/s, приходится обходиться скоростью 12Mbit/s) и позволяет получать полный сигнал по всем отведениям на максимальной частоте дискретизации прибора. USB в режиме SPP, поддерживаемый интерфейсом UART-USB ft232rl, сравнительно низкоскоростной (до 200Kbit/s) канал, может использоваться для обновления прошивки контроллера а также для передачи данных с части каналов при пониженных до обычных частотах дискретизации, Bluetooth в SPP режиме, поддерживаемый модулем UART-BT bt111, сравнительно низкоскоростной (около 20Kbit/sв плохих условиях) канал, позволяющий передавать сигнал с одного отведения, выбирать отведения для просмотра а также настраивать кардиограф без проводного соединения.
Накопитель энергии.В изготовленном макете кардиографа эта система редуцирована до пары батареек и импульсногоbuck-boostинвертора, однако имеется действующий в предыдущей версии и проверенный временем образец системы питания и подзарядки наLi-Polаккумуляторе, который может соединяться с макетом при необходимости.
Накопитель информации.Использована карта памятиmicroSDс переходником подfull-SDразъём, ёмкостью 4 гигабайта. Работа с ней по интерфейсуSDIO4bitпозволяет получить скорости записи, превышающие скорости записи предыдущей версии кардиографа, работающего поSPI.
Интерфейс оператора.В изготовленном макете отсутствует, но может быть подключен. Имеются разъёмы для графическогоTFTдисплея, две кнопки на плате а также выводы для возможного подключения клавиатуры либо тачскрина. Вычислительные возможности контроллера позволяют работать с любым вариантом конфигурации при внесении соответствующих изменений в прошивку.