DISPOZITIVE DE AFISARE SI INREGISTRARE A SEMNALELOR BIOMEDICALE

Pentru afisarea si inregistrarea diferitelor forme de unda care reprezinta semnale biomedicale sunt necesare o serie de dispozitive si aparate electrice si electronice specifice, cum sunt galvanometrele, potentiometrele inregistratoare, servorecorderele, imprimantele, osciloscoapele medicale, monitoarele TV si afisoarele LCD (cu cristale lichide).

Inregistratoare galvanometrice

Inregistrarea semnalelor biomedicale pe suport de hartie are la baza galvanometrul cu magnet permanent si bobina mobila (GMPBM). De bobina mobila parcursa de semnalul amplificat se ataseaza un stilou, ansamblul aflandu-se in campul unui magnet permanent puternic. Interactiunea celor doua campuri da nastere miscarii echipamentului mobil pe axa Y. Miscarea orizontala a hartiei este stabilita cu un servomecanism electric. Aceste dispozitive se mai numesc si oscilografe inregistratoare. Ca sisteme de scriere pot fi contactul direct, termal, stiloul sau jetul cu cerneala si cel optic (Figura 1). Sistemele care folosesc stiloul (contact direct si termal) au inertie mecanica, ceea ce duce la o banda de frecventa maxima de 100200Hz. Cele cu jet de cerneala si optice sunt mult mai rapide (10003000Hz). Varianta optica foloseste lumina colimata, o oglinda in locul penitei si hartie fotosensibila sau, mai modern, hartie fotografica derulata in fata unui tub catodic.

Servorecordere si potentiometre inregistratoare

Montajul potentiometric si un galvanometru pot folosi la masurarea tensiunilor de c.c. sau alternative. Galvanometrul indica zero volti la egalitatea dintre tensiunea de intrare si tensiunea pe cursorul potentiometrului. Figura 2 prezinta un potentiometru inregistrator cu autoscalare pe zero, de c.c. Servorecorderul este un astfel de potentiometru care inregistreaza forma semnalului de intrare. Variantele moderne folosesc motoare pas-cu-pas pentru comanda avansului hartiei, ceea ce le confera precizie mult superioara.

Inregistratoarele X-Y utilizeaza doua servomecanisme conectate la acelasi ansamblu de scriere, conectate la 90, fiecare pentru cate o axa de coordonate. Hartia, de calitate obisnuita, este fixa. Ambele axe pot fi comandate si cu semnal extern. In acest caz, daca se doreste imprimarea lui Y(t), semnalul pentru axa X trebuie sa fie o rampa crescatoare. Datorita inertiei mecanice a ansamblului de scriere, semnalul de intrare trebuie sa depaseasca o anumita valoare, ceea ce produce o anumita zona 'moarta' (Figura 3). De obicei, ea reprezinta 0,050,1% din intreaga scala si are ca efect distorsionarea accentuata a semnalelor cu amplitudine in domeniul 'mort'. Solutia este o preamplificare marita a semnalului de intrare.

Alta problema care determina distorsionarea semnalului inregistrat este raspunsul sistemului la un semnal treapta de intrare (Figura4). Regimul corect este cel amortizat critic, cand sistemul mecanic ajunge repede in pozitia prescrisa. Cazurile amortizarii subcritice si supracritice produc intarzieri ale pozitionarii. Exista inregistratoare cu GMPBM care folosesc un traductor al pozitiei penitei. Semnalul de pozitie este filtrat trece-jos pentru a varia amortizarea ansamblului de scriere. Semnalul integrat rezultat este trimis servoamplificatorului pentru a fi sumat cu semnalul de eroare.

Figura 1  Diferite galvanometre inregistratoare

3 Osciloscoape medicale

Afisarea formelor de unda cu ajutorul osciloscopului cu tub catodic (OTC) este deja o tehnica uzuala, inclusiv in medicina. Sistemul de deflexie electrostatica are avantajul, fata de cel electromagnetic, ca poate lucra obisnuit la frecvente foarte mari (200300MHz). Datorita benzii de frecventa reduse necesara in medicina (02000 Hz), OTC cu deflexie electromagnetica se folosesc cel mai des aici. OTC medicale sunt de tipul Y-timp, adica semnalul este aplicat axei Y (deflexiei verticale) iar baza de timp se realizeaza cu un semnal dinte de ferastrau. Deoarece viteza pe orizontala necesara vizualizarii biosemnalelor este de 25mm/s (sau 50 mm/s), rezulta un timp de baleiaj pe orizontala de

T = 10 cm x 10 mm/cm x 1s/25mm = 4 s

pentru un ecran de 10 cm latime, rezultand o frecventa de 0,25 Hz (deci foarte joasa). Alte caracteristici care difera la OTC medicale fata de cele de laborator sunt banda amplificatorului pe verticala si persistenta luminoforului cu fosfor.

Figura 2 Principiul servorecorderului Figura 3 Zona moarta

Figura 4 Tipuri de raspuns Figura 5 Chopper bicanal - schema bloc

Banda redusa de frecventa (2002000 Hz la 3dB), potrivita biosemnalelor, are si rolul reducerii/eliminarii artefactelor. Persistenta imaginii pe ecranul OTC medicale este foarte mare datorita frecventelor fundamentale foarte joase ale biosemnalelor. Astfel, zone de interes cat mai mari pot fi vizualizate deodata.

OTC multicanal

Cele n canale necesare aplicatiilor medicale se realizeaza prin tehnici de comutare ale fasciculului electronic si prin folosirea amplificatoarelor de deflexie tip poarta. Un chopper bicanal este aratat in Figura 5. Comutatoarele electronice sunt comandate in antifaza cu o viteza de 2100 KHz, ceea ce permite vizualizarea la un moment dat a unui singur semnal de intrare. In cadrul amplificatoarelor-poarta axa verticala a ecranului este scanat cu o frecventa in domeniul 1525 KHz iar axa orizontala se misca de la stanga la dreapta cu o viteza de 25 mm/s. Rezultatul este ca fiecare cursa verticala succesiva scaneaza tubul catodic in puncte usor diferite, ceea ce produce pe ecran un rastru asemanator baleiajului din TV. Fasciculul electronic este in general blancat (stins). El va fi vizibil doar la momente specifice, date de un generator de impulsuri comandat in tensiune. Frecventa impulsurilor este comandata de catre semnalul de intrare (Figura 6). Cand acesta este zero pe ecran apar puncte luminoase situate aproximativ in mijlocul ecranului si care se deplaseaza cu 25 mm/s. Nivelul de c.c. la intrare deplaseaza pe verticala linia de puncte, in sensul si cu distanta aferente amplitudinii semnalului. Un semnal de intrare alternativ este redat corect (aspect continuu) datorita frecventei de repetitie de 1525 KHz pe verticala.

Figura 6 Amplificator - poarta: schema bloc (a) si principiul de lucru (b)

Osciloscoape cu memorie digitala

OTC medicale, datorita persistentei necesare mari a ecranului, folosesc astazi aproape exclusiv memoria digitala. Afisarea poate fi de tip parada sau cu bara de stergere (cursor) (Figura 7a, b). Figura 8 indica schema bloc a acestui tip de OTC. Amplificatorul de intrare, cu autoscalare si castig variabil, adapteaza semnalul la domeniul OTC. Convertorul A/D are o rezolutie de 8-10 biti. Logica de control ofera impulsul de start-conversie iar convertorul furnizeaza impulsul sfarsit-conversie. Prima memorie, 'partiala' (un registru de deplasare) retine 14 din cei mai recenti biti de date, care nu sunt afisati. Datele vizualizate sunt oferite de memoria principala (tot un registru de deplasare), avand capacitatea de 256, 512 sau 1024 bytes. Ceasul sistemului numara adresele de memorie si piloteaza numaratorul care genereaza baleiajul orizontal in dinte de ferastrau. Fiecare locatie de memorie reprezinta un punct orizontal pe ecran, caci citirea datelor si afisarea lor sunt sincronizate. Memoria este reimprospatata de 64 sau 128 de ori pe secunda prin incrementarea numaratorului, in timpul transferului datelor din memoria partiala in cea principala. Figura9 arata principiul de realizare a memoriei principale, care este in esenta un registru de deplasare serial cu recirculare. Datele din memoria pe termen scurt, partiala, sunt introduse in memoria principala si inlocuiesc datele vechi la fiecare 4, 8 sau 16 recirculari. Multe OTC medicale au posibilitatea de 'freeze'. In acest caz, toate datele sunt transferate intr-o

memorie auxiliara de aceeasi capacitate, sunt recirculate dar nu sunt reactualizate.

Figura 7 Afisarea semnalelor pe OTC cu memorie digitala

Figura 8  Schema bloc a OTC cu memorie digitala

Figura 9 Memorie cu registru de deplasare cu recirculare