12. dispozitive de vizualizare Şi Înregistrare a ... de curs/facultatea de... · dispozitive de...

DISPOZITIVE DE VIZUALIZARE ŞI ÎNREGISTRARE A SEMNALELOR BIOMEDICALE - PROF. HARITON COSTIN

1

12. DISPOZITIVE DE VIZUALIZARE ŞI ÎNREGISTRARE A SEMNALELOR ȘI INFORMAȚIILOR BIOMEDICALE

Pentru afişarea şi înregistrarea diferitelor forme de undă (semnalelor biomedicale) sunt

necesare o serie de dispozitive şi aparate electrice şi electronice specifice, cum sunt

galvanometrele, potenţiometrele înregistratoare, servorecorderele, imprimantele,

osciloscoapele medicale, monitoarele TV şi afişoarele LCD (cu cristale lichide).

12.1 Înregistratoare galvanometrice

Au rol istoric. Înregistrarea semnalelor biomedicale pe suport de hârtie avea la bază

galvanometrul cu magnet permanent şi bobină mobilă (GMPBM). De bobina mobilă

parcursă de semnalul amplificat se ataşează un stilou, ansamblul aflându-se în câmpul

unui magnet permanent puternic. Interacţiunea celor două câmpuri dă naştere mişcării

echipamentului mobil pe axa Y. Mişcarea orizontală a hârtiei este stabilită cu un

servomecanism electric. Aceste dispozitive se mai numesc şi oscilografe înregistratoare.

Sisteme de scriere: contactul direct (Fig. 12.1), termal, stiloul, jetul cu cerneală.

Sistemele care folosesc stiloul (contact direct şi termal) au inerţie mecanică, ceea ce duce

la o bandă de frecvenţă maximă de 100 ... 200 Hz. Cele cu jet de cerneală sunt mult mai

rapide (1000 ... 3000 Hz).

12.2 Servorecordere şi potenţiometre înregistratoare

Montajul potenţiometric şi un galvanometru pot folosi la măsurarea tensiunilor de c.c.

sau alternative. Galvanometrul indică zero volţi la egalitatea dintre tensiunea de intrare şi

tensiunea pe cursorul potenţiometrului. Figura 12.2: potenţiometru înregistrator cu

autoscalare pe zero, de c.c. Servorecorderul este un astfel de potenţiometru care

înregistrează forma semnalului de intrare. Variantele moderne folosesc motoare pas-cu-

pas pentru comanda avansului hârtiei, ceea ce le conferă precizie mult superioară.

Înregistratoarele X-Y utilizează două servomecanisme legate la acelaşi ansamblu de

scriere, conectate la 90°, fiecare pentru câte o axă de coordonate. Hârtia, de calitate

obişnuită, este fixă. Ambele axe pot fi comandate şi cu semnal extern. Pentru imprimarea

lui Y(t), semnalul pentru axa X trebuie să fie o rampă crescătoare.


2

Datorită inerţiei mecanice a ansamblului de scriere, semnalul de intrare trebuie să

depăşească o anumită valoare, ceea ce produce o anumită zonă "moartă" (Figura 12.3).

De obicei, ea reprezintă 0,05 ... 0,1% din întreaga scală şi are ca efect distorsionarea

accentuată a semnalelor cu amplitudine în domeniul "mort". Soluţia: o preamplificare

mărită a semnalului de intrare.

Figura 12.1 Diferite galvanometre înregistratoare

Altă cauză a distorsionării semnalului înregistrat: răspunsul sistemului la un semnal

treaptă de intrare (Figura 12.4). Regimul corect (cu inerţie minimă) este cel amortizat critic.

Amortizarea subcritică şi supracritică produc întârzieri ale poziţionării. Există

înregistratoare cu GMPBM care folosesc un traductor al poziţiei peniţei. Semnalul de

poziţie 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.


3

Figura 12.2 Principiul servorecorderului Figura 12.3 Zona moartă

12.3 Osciloscoape medicale

Afişarea formelor de undă cu ajutorul osciloscopului cu tub catodic (OTC) este o tehnică

tradițională, inclusiv în medicină. Banda de frecvenţă necesară în medicină (0...5000 Hz

pentru afișarea majorității biosemnalelor) este redusă. OTC medicale sunt în general de

tipul Y-timp, adică semnalul este aplicat axei Y (deflexiei verticale) iar baza de timp se

realizează cu un semnal dinte de ferăstrău. Deoarece viteza pe orizontală necesară

vizualizării biosemnalelor este uzual de 25 mm/s (sau 50 mm/s), rezultă un timp de baleiaj

pe orizontală de

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

pentru un ecran de 10 cm lăţime, rezultând o frecvenţă de 1 / 4 sec = 0,25 Hz (deci foarte

joasă). Alte caracteristici care diferă la OTC medicale faţă de cele de laborator sunt banda

amplificatorului pe verticală şi persistenţa luminoforului (a luminozității ecranului).


4

Banda redusă de frecvenţă (200...5000 Hz la 3 dB), potrivită biosemnalelor, are şi

rolul reducerii/eliminării artefactelor. Persistenţa necesară a imaginii pe ecranul OTC

medicale este foarte mare datorită frecvenţelor fundamentale foarte joase ale

biosemnalelor. Astfel, zone de interes cât mai mari pot fi vizualizate deodată.

Figura 12.4 Tipuri de răspuns Figura 12.5 Chopper bicanal – schemă bloc

OTC multicanal

Cele n canale necesare aplicaţiilor medicale se realizează prin tehnici de comutare ale

fasciculului electronic şi prin folosirea amplificatoarelor de deflexie tip poartă. Un chopper

bicanal este arătat în Figura 12.5. Comutatoarele electronice sunt comandate în antifază

cu o viteză de 2...100 KHz, ceea ce permite vizualizarea la un moment dat a unui singur

semnal de intrare. În cadrul amplificatoarelor-poartă axa verticală a ecranului este scanată

cu o frecvenţă în domeniul 15...25 KHz iar axa orizontală se mişcă de la stânga la dreapta

cu o viteză de 25 mm/s. Rezultatul este că fiecare cursă verticală succesivă scanează

tubul catodic în puncte uşor diferite, ceea ce produce pe ecran un rastru asemănător

baleiajului din TV. Fasciculul electronic este în general blancat (stins). El este vizibil doar

la momente specifice, date de un generator de impulsuri comandat în tensiune. Frecvenţa

impulsurilor este comandată de către semnalul de intrare (Figura 12.6). Când acesta este

zero, pe ecran apar puncte luminoase situate aproximativ în mijlocul ecranului şi care se

deplasează cu 25 mm/s. Nivelul de c.c. la intrare deplasează pe verticală linia de puncte,

în sensul şi cu distanţa aferente amplitudinii semnalului. Un biosemnal este redat corect

(aspect continuu) datorită frecvenţei de repetiţie de 15 ... 25 KHz pe verticală.


5

(a) (b)

Figura 12.6 Amplificator – poartă: schema bloc (a) şi principiul de lucru (b)

Osciloscoape cu memorie digitală

OTC medicale, datorită persistenţei necesare mari a ecranului, folosesc astăzi aproape

exclusiv memoria digitală. Afişarea poate fi de tip paradă sau cu bară de ştergere (cursor)

(Fig. 12.7a, b, Fig. 12.8). Amplificatorul de intrare, cu autoscalare şi câştig variabil,

adaptează semnalul la domeniul OTC. Convertorul A/D are o rezoluţie de 8-10 biţi. Logica

de control oferă impulsul de start-conversie iar convertorul furnizează impulsul sfârşit-

conversie. Prima memorie, "parţială" (un registru de deplasare) reţine 1...4 din cei mai

recenţi biţi de date, care nu sunt afişaţi. Datele vizualizate sunt oferite de memoria

principală (tot un registru de deplasare), având capacitatea de 256, 512 sau 1024 bytes.

Ceasul sistemului numără adresele de memorie şi pilotează numărătorul care generează


6

baleiajul orizontal în dinte de ferăstrău. Fiecare celulă de memorie reprezintă un punct

orizontal pe ecran, căci citirea datelor şi afişarea lor sunt sincronizate. Memoria este

reîmprospătată de 64 sau 128 de ori pe secundă prin incrementarea numărătorului, în

timpul transferului datelor din memoria parţială în cea principală. Figura 12.9 arată

principiul de realizare a memoriei principale, care este în esenţă un registru de deplasare

serial cu recirculare. Datele din memoria pe termen scurt, parţială, sunt introduse în

memoria principală şi înlocuiesc datele vechi la fiecare 4, 8 sau 16 recirculări. Multe OTC

medicale au posibilitatea de "freeze". În acest caz, toate datele sunt transferate într-o

memorie auxiliară de aceeaşi capacitate, sunt recirculate dar nu sunt reactualizate.

Figura 12.7 Afişarea semnalelor pe OTC cu memorie digitală

Figura 12.8 Schema bloc a OTC cu memorie digitală


7

Figura 12.9 Memorie cu registru de deplasare cu recirculare 12.4 Dispozitive moderne de vizualizare Echipamentele de vizualizare sunt dispozitive periferice, care realizează prelucrarea şi

afişarea datelor sub controlul direct şi sub forma cea mai convenabilă operatorului uman.

Elementul funcţional specific echipamentelor de vizualizare este imaginea generată

pe suportul de afişare, imagine ce poate fi alfa-numerică sau grafică.

Structura de bază a imaginii alfa-numerice este CARACTERUL, generat conform

unui cod standard ASCII, căruia îi corespunde o structură fizică pe suportul de afişare.

Un set posibil de caractere alfa-numerice cuprinde: - alfabetul latin; - cifrele arabe; -

semne de punctuaţie; - simboluri matematice; - caractere speciale de comandă şi control.

În funcţie de modul de generare, caracterul alfanumeric poate fi:

- generat prin puncte grupate într-o matrice;

- generat printr-o linie continuă (caligrafic).

Caracterele sunt organizate în rînduri, iar mai multe rînduri formează o pagină

cuprinsă într-o imagine completă pe suportul de afişare. Pentru marcarea poziţiei unui

caracter într-o pagină se utilizează cursorul alfa-numeric, de obicei sub forma unei linii

statice sau clipitoare afişata sub/lângă caracterul respectiv. Un număr mare de

echipamente conţin în setul de caractere afişat fragmente de imagini grafice simple (linii,

intersecţii de linii) din care se pot compune tabele, grafice simple sau diagrame. Aceste

imagini sunt denumite semigrafice.

Unitatea structurală a imaginii afişate este punctul afişat, care se organizează în

linii, suprafeţe şi figuri grafice complexe. Pentru generarea imaginii grafice se utilizează

cursorul grafic, care marchează extremitatea unei linii generatoare ce se deplasează pe

ecran sub controlul operatorului.

Constructiv un echipament de vizualizare este alcătuit din următoarele module:

- suportul de afişare;


8

- modulul de afişare;

- unitatea logică de comandă;

- opţional pentru videoterminale, avem:

- tastatura;

- interfaţa de comunicaţie;

- dispozitive interactive auxiliare.

SUPORTUL DE AFIŞARE: este alcătuit din: suportul fizic pe care se realizează

afişarea, uzual un tub cu vid-CRT sau un display cu cristale lichide-LCD şi un bloc

electronic de comandă, care traduce informaţia logică recepţionată în semnale

convenabile suportului fizic controlat.

MODULUL DE AFIŞARE: realizează generarea informaţiei alfanumerice şi grafice,

reîmprospatarea ei periodică (dacă este necesară), afişarea cursorului etc.

UNITATEA LOGICĂ DE COMANDĂ: realizează prelucrarea şi controlul informaţiei

în echipamentul de vizualizare. Complexitatea unităţii logice de comandă determină

performanţele echipamentului de vizualizare în care se află încorporat.

TASTATURA: Permite introducerea rapidă a datelor sub formă alfa-numerică sau

grafică.

INTERFAŢA DE COMUNICAŢIE: realizează legatura serială sau paralelă cu

calculatorul.

DISPOZITIVELE INTERACTIVE AUXILIARE pot fi:

- imprimanta de copiere;

- echipamente de trasat (plottere);

- dispozitiv de urmărire;

- sisteme de generare a imaginii grafice.

TIPURI DE ECHIPAMEMTE DE VIZUALIZARE

Din punct de vedere constructiv avem 2 categorii:

1) Echipamente alfa-numerice;

2) Echipamente alfa-numerice şi grafice.

1) Echipamentele de vizualizare alfa-numerice permit afişarea controlată a unui set de

caractere alfa-numerice. Acest set poate fi fix, expandabil prin adăugarea unor memorii

ROM, sau programabil prin definirea punct cu punct a caracterelor de către utilizator. În


9

acest ultim caz echipamentele pot lucra în regim semigrafic, permiţând construirea unor

imagini grafice simple.

2) Echipamentele de vizualizare alfa-numerice şi grafice permit, pe lângă operaţiunile

caracteristice echipamentelor alfa-numerice şi afişajul punct cu punct al imaginilor grafice.

Imaginea alfa-numerică poate fi formată din caractere generate în matrice de puncte

înscrise într-un ROM sau inclusă în imaginea grafică generală. În primul caz imaginile alfa-

numerică şi grafică sunt independente una de alta, deci se pot utiliza funcţiunile de editare

alfa-numerică uzuale.

12. dispozitive de vizualizare Şi Înregistrare a ... de curs/facultatea de... · dispozitive de...

Documents