CALCULATOARELE IN ECHIPAMENTELE ELECTRONICE BIOMEDICALE

Calculatoarele au un rol deosebit de important in sistemele de diagnosticare, terapie, de inregistrare si transmitere a datelor, precum si in educatia si cercetarea biomedicala. Proiectarea echipamentelor biomedicale actuale reprezinta o sinergie intre senzori si traductoare, circuite analogice, componente hardware de tehnica de calcul si software, chiar pentru aparate relativ simple si portabile.

Calculatoarele analogice, putin folosite azi, efectueaza operatii matematice continue, cum sunt cele patru operatii elementare, scalarea, integrarea si derivarea. Precizia lor este de ordinul a 0,01% din domeniul de lucru, pot efectua operatii in paralel, au viteza crescuta, dar permit putine decizii logice.

Calculatorul digital are avantajul major al efectuarii operatiilor logice, culminand cu rezolvarea problemelor complexe de inteligenta artificiala. Partea electronica si electromecanica, adica cea hardware, cuprinde urmatoarele parti (Figura 11.1).

Unitatea de intrare: claviatura, modem, placa de retea de calculatoare, CD-ROM;

Controlerul de intrare: controlul datelor de intrare catre memorie;

Unitatea de memorie contine memoria interna (RAM, ROM, floppy, cache, optic, hard(drive), cu rol de a memora date, instructiuni si rezultate ale operatiilor aritmetice si logice, precum si memoria externa (CD-ROM, unitati de banda magnetica, discuri optice), care este nevolatila si permite densitati si capacitati mari de informatie stocata;

Unitatea de instructiuni si controlerul aferent: interpreteaza sau decodifica instructiunile de program si controleaza operatiile interne via generatorul semnalelor de control;

Unitatea aritmetico-logica (ALU): efectueaza operatiile elementare si returneaza rezultatele catre memorie. Acumulatorul retine rezultate intermediare. Majoritatea calculatoarelor sunt secventiale iar logica binara conduce la un hardware mai simplu, insa timpul de calcul poate fi mare pentru probleme complexe;

Controlerul de iesire: gestioneaza datele catre unitatea de iesire;

Unitatea de iesire: afisaj (cu tub catodic sau cristale lichide), imprimanta, modem, modul de retea;

Unitatea centrala de procesare (CPU, procesor central) contine memoria interna (principala), ALU si registre speciale pentru prelucrarea instructiunilor, temporizare etc.

Limbajele de programare, in ordinea crescatoare a complexitatii, sunt limbajul masina (specific procesorului central), limbajul de asamblare (ce opereaza cu mnemonice (succesiune de coduri alfanumerice care inlocuiesc instructiunile numerice din cazul limbajului masina) si limbajele de nivel inalt (BASIC, C, FORTRAN, PASCAL, COBOL, JAVA etc.).

Microprocesorul este un circuit digital integrat pe scara larga (LSI), un cip care contine registrele de control, retinere si uneori memorie de lucru, specifice unui microcalculator. El efectueaza operatii aritmetico-logice, paralel pe bit, sub controlul unui program. Semnalele de intrare sunt receptionate, prelucrate (decizii), memorate si apoi prezentate ca semnale de iesire (Figura 11.2, a). Circuitele auxiliare sunt cele de I/O si de memorie. El acceseaza linii de date,

adrese, ceas, temporizare si de control (Figura 11.2, b).

Figura 11.1 Schema bloc simplificata a unui calculator digital

Un microcalculator este un calculator de uz general compus din circuite LSI standard si este construit in jurul unei unitati centrale de prelucrare (CPU sau microprocesor) (Figura 11.3). Microcalculatorul contine o unitate cu microprocesor, circuite de memorie si de interfata pentru dispozitivele de I/E. Unitatea cu microprocesor este comandata de un set fix de instructiuni, folosite in programarea sa. Datele si adresele sunt prelucrate pe o magistrala comuna, cu tehnologia '3-stari': 0, 1 logic si 'impedanta inalta', in ultima stare datele sau adresele putand fi directionate spre destinatia dorita.

Figura 11.2 Sistem cu mP/mC (a) si semnale la mP (b)

Figura 11.3 Microcalculator

Microcontrolerele sunt circuite LSI mai simple ca mP si au functii de tip masurare, secventa si control, in general functii repetitive.

Procesoarele digitale de semnal (DSP) sunt circuite dedicate unor functii matematice sau prelucrarii speciale a informatiei. Ele degreveaza mP/mC de calcule specifice, consumatoare de timp (de exemplu DSP pentru Transformata Fourier).

Calculatoarele in instrumentatia de laborator

Laboratoarele moderne folosesc interfete standard pentru schimbul de informatie intre aparate de laborator si calculatoarele gazda. In domeniul medical s-a dezvoltat Medical Information Bus (MIB), o magistrala specializata pentru echipamente medicale.

In general, functiile realizate de un sistem de achizitie a datelor (SAD) sunt:

(i)          achizitia datelor de la senzori;

(ii)        prelucrarea/analiza lor;

(iii)       afisarea rezultatelor.

Un astfel de sistem poate avea 16 canale asimetrice sau opt diferentiale, prevazute cu amplificatoare cu castig programabil. Semnalele analogice sunt digitizate prin intermediul unui circuit de esantionare/memorare (S/H) si a unui convertor A/N pe 12 biti. Partea digitala suporta tehnica accesului direct la memorie (DMA), pentru marirea vitezei de prelucrare. Precizia unui SAD este data de ambele parti, analogica si digitala (Figura 11.4). Pentru 12 biti ai CAN, LSB este 1/4096, adica, 0,024% din intreaga scala de masurare. Prin urmare, LSB (eroarea minima teoretica) este 0,012%. In valori absolute, pentru 10 V domeniu de intrare rezulta LSB=1,2 mV. Precizia globala teoretica este deci de 99,976%, in conditii de zgomot si neliniaritati reduse.

Figura 11.4 Digitizarea semnalelor analogice

Desi majoritatea sensorilor este analogica, exista azi o gama larga de sensori cu iesiri numerice (Figura 11.5). O magistrala de iesire seriala permite conectarea si comunicarea intre sensorii 'inteligenti' si calculatorul-gazda, ceea ce conduce la marirea flexibilitatii (reconfigurabilitatii) sistemului. Astfel, orice sensor poate fi conectat la orice circuit electronic. Calculatorul poate accesa datele, prin program, de la orice sensor si il poate comanda sa efectueze o anumita succesiune de operatii. Sensorii isi pot autocalibra zero-ul, castigul, neliniaritatea si se pot autodiagnostica. De exemplu, in cazul electrocardiografului, se poate folosi un CAN pentru fiecare electrod si sunt necesare doar doua conductoare pentru transmiterea tuturor semnalelor la aparatul propriu-zis. De aici si posibilitatea unei izolatii electrice usoare si de calitate a acestora. Conceptul modern de proiectare hardware, software si firmware in vederea folosirii tehnicii de calcul cat mai usor, prietenos, fara a sti detalii de programare, se numeste plug-and-play. Programarea grafica, asociata instrumentatiei virtuale, permite proiectarea unui SAD de exemplu pentru monitorizarea parametrilor fiziologici. Cheia aici este existenta unui generator de linii de cod automat, care creeaza instructiuni sau cod-calculator la tastarea unei comenzi de nivel inalt, cum ar fi 'select_channel_1'. Exemple de medii de programare grafica sunt LabVIEW, LabWindows/CVI, Component Works,Virtual Bench,Visual Designer, Signal-Analyzer.

Figura11.5    Transmitator inteligent, cu iesire numerica si bus de comunicatii serial

Calculatoarele in echipamentele biomedicale

Aplicatiile principale ale calculatoarelor se refera la achizitia datelor, memorarea si regasirea datelor, compresia lor, calculul unor variabile, recunoasterea formelor in diferite inregistrari (de semnale 1D, 2D, 3D), stabilirea unor limite si semnalarea lor, analiza statistica a unor semnale deterministe sau aleatoare si prezentarea datelor in diferite formate standard sau personalizate.

Cateva realizari si domenii concrete sunt urmatoarele:

Sisteme medicale informatice ;

Analiza asistata de calculator a ECG si EEG (inclusiv analiza potentialelor evocate);

Monitorizarea pacientului ;

Analiza cateterizarii cardiace, in sali de operatie sau laborator; analiza functiei respiratorii pulmonare;

Evaluarea testelor chimice de laborator clinic si transmiterea rezultatelor la distanta;

Tomografie axiala computerizata, tomografie cu RM, tomografie cu ultrasunete, cu emisie de pozitroni; medicina nucleara (detectia scintilatiilor, gama camere, diagnostic asistat etc.);

Diverse alte echipamente biomedicale pentru: controlul anesteziei, dializa, servo-ventilatie etc.