Приложение 8

8.1. Работа процессора в реальном времени

П ривязка работы процессора к событиям реального времени является не простой задачей. Рассмотрим типовое ее решение для электрокардиографа. Работа процессора организуется циклически, задатчиком цикла является АЦП. Устанавливается период опроса каналов или частота взятия выборок и форма вводов кодов в контроллер. Возможно это плотная пачка кодов всех каналов одного такта сбьема или ввод в режиме ПДП. В один цикл опроса всех каналов процессор должен получить все данные и успеть провести их преобразования. Пусть график опроса каналов представлен на рис 6.1. В начале цикла процессор считывает коды АЦП: они записываются в обновляемый блок оперативной памяти. Этот блок (стек) может вмещать данные одного цикла опроса АЦП, двух и более. Последнее удобно для реализации программ фильтрации требующих возможности обращения в одном цикле к целому ряду выборок АЦП (к базе выборок).

После процедуры ввода данных до следующего цикла процессор должен иметь запас времени для проведения необходимых основных операций. Первой из набора операций является опрос команд клавиатуры и обслуживание экрана (вывод графики на экран) и индикаторов. Далее следует группа операций: переход к знаковой арифметике, формирование отведений, установка требуемой чувствительности, работа антидрейфовых фильтров, интерполяционных усредняющих фильтров, запись кадра ЭКГ в стек 10 (или более) секунд на скользящем интервале, обнаружение Rпика и измерение RR интервада, вывод индикации RR (или ЧСС), запись кадра дорожки ритма 24 секунды (на скользящем интервале), обнаружение нарушений ритма и запоминание кадра -2 + 4 секунды момента нарушения. В этом большом наборе от программиста требуется искусство для привязки фильтрующих программ к циклу работы АЦП.

Если качество ЭКС, наблюдаемое по экрану, удовлетворяет врача, он нажимает кнопку "Пуск регистратора". Работа в режиме реального времени прекращается, процессор начинает работать с последним кадром записи 10 секунд (до 3х минут для методик ЭКГВР с использованием накопления) в собственном темпе без привязки к АЦП. Это упрощает работу программы. Устанавливается выбранная скорость регистрации, проводятся интерполяционные и фильтрующие процедуры, вводятся символьные записи и обслуживается регистратор (перевод данных в формат регистратора или принтера). Для интеллектуальных приборов перед регистрацией включается измерительная программа, диагностический классификатор и регистрация. Т.к. регистрация занимает 30 - 300 секунд, то желательно в это время продолжать работу программы анализа ритма для обнаружения нарушений. Для обеспечения первого этапа работы в реальном времени обычно достаточно контроллера типа Интелл 386 на частоте 60 мГц.

Однако использование контроллера не обеспечивает простоту обновления программ: в настоящее время целесообразно использовать стандартное построение материнской платы ЭВМ и жесткий диск для хранения программ на языках высокого уровня.

Приложение 9

Регистраторы

Вывод на бумагу до настоящего времени обеспечивает наиболее качественную визуализацию графиков для врача. Кроме этого документ на бумаге традиционно является архивным. Поэтому регистраторы на бумагу встраиваются в большинство медицинских приборов.

Исторически первыми регистраторами были зеркальные гальванометры на фотобумагу, затем пишущие чернилом гальванометры. С учетом их особенностей были сформированы основные требования к регистраторам:

1. Масштабный коэффициент записи по вертикальной оси (мм/мВ) должен выдерживаться с точностью 5-10%.

2. Масштабный коэффициент записи по направлению движения бумаги (мм/с - скорость движения бумаги) - с точностью 5%.

3. Число каналов регистрации 1-16.

4. Ширина поля записи на один канал не менее 40мм.

5. Способность записывать быстро изменяющиеся графики с верхней граничной частотой не ниже 75 Гц (дополнительно проверяется наличие неравномерности частотной характеристики).

6. Толщина линии записи не более 1.0 мм;

7. Отсутствие гистерезиса записи более 0.2мм.

В настоящее время о пишущих гальванометрах забыли и ведущее место заняли точечно печатающие регистраторы (принтеры). Плотным нанесением точек формируются линии, рисунки, буквы текста. Механически ударное нанесение точек так же отошло в прошлое. Точки наносятся капельками чернил, термическим нагревом малых площадок копировальной ленты или термобумаги. В термопечатающих головках терморезисторы вытянуты в линию на всю ширину листа (или бумажной ленты). В чернильных "картриджах" - на размер буквы. Терморезистор расположен рядом с капиллярным отверстием: разогрев приводит к вскипанию и выбросу капли.

Внедрение точечно печатающих методов расширило набор параметров регистратора. Дополнительно к перечисленному выше приходится вводить:

8. Плотность нанесения точек (число точек на мм) и размер точки. Плотность точек на мм определяется по двум координатам: по оси перпендикулярной движению бумаги и по оси вдоль движения бумаги. Для грубых графиков и вывода текстов достаточна плотность печати 3-4 точки/мм. Для качественного вывода графиков требуется плотности печати 8 точек на мм и более (12-16 точек на мм, типовое значение 300 точек на дюйм). Размер точки обычно связан с числом точек на мм: для плотности 8 точек на мм типовой размер имеет величину 125х125 микрон.

9. Число одновременно наносимых точек или длина наносимой линии (или штриха) за один такт печати. Для чернильных головок эта длина составляет (3-6)мм, для термо головок (50 - 100) мм.

10. Темп печати линии: число наносимых линий в секунду или время между печатью линий (обратная величина темпу - такту печати). Для термо печатающих головок период печати линии составляет 1-6 мс, для чернильных период в пятьдесят раз меньше (но и длинна одновременно наносимой линии так же меньше в 50 раз).

Темп печати подбирается так, что бы между соседними тактами печати бумага перемещалась на ширину наносимой точки или менее. Таким образом при условии нанесения непрерывной линии графика максимальная скорость перемещения бумаги (или масштабная скорость по оси Х) однозначно связывается с шириной печатаемой точки и периодом темпа печати:

v_B=A/T,

где А - размер точки по направлению перемещения, Т - темп печати. Типовые медицинские приборы должны иметь ряд масштабных скоростей: 5,10, 25, 50, 100 мм/с. Следовательно для размера точки А=125мк темп печати в Герцах должен иметь значения, указанные в таблице 1

Таблица 1 (размер точки печати 125х125 микрон)

Масштабная скорость вывода графика мм/с.	Темп печати в герцах	Период печати мс
5	40	25
10	80	12.5
25	200	5
50	400	2.5
100	800	1.25

Темп печати обычно связывается с периодом квантования АЦП, в простейшем случае они равны. Следовательно для ЭКГ, где период взятия выборок АЦП должен быть не более 2 мс (500Гц) приходится выбирать темп печати и темп АЦП равным 1.25 мс (800Гц) или использовать интерполяционные процедуры увеличения частоты квантования.

Ограничение полосы частот регистрируемого сигнала. Обычно регистраторы используют шаговые двигатели, перемещающие бумагу за один шаг на величину печатаемой точки. Возникает жесткая связь между скоростью бумаги и периодом печати. Период печати связан с темпом АЦП. Частота АЦП в свою очередь выбирается исходя из ширины спектра принимаемого сигнала. Обычно частота квантования АЦП выбирается в 6-10 раз выше верхней граничной частоты спектра сигнала. Следовательно оказываются связанными скорость движения бумаги и спектр регистрируемого сигнала. Для типовой скорости 25 мм/с оказывается возможным регистрация сигнала с шириной спектра всего 20Гц-30Гц, что приемлемо только для энцелографии.

Выход из создавшегося положения находится применением алгоритмов интерполяции или работой не в реальном времени (с трансформацией спектра). Программы интерполяции решают две проблемы: согласование темпа печати с темпом взятия выборок АЦП и улучшения зрительного восприятия графика за счет заполнения пустых промежутков между точками. Как правило для этого используется интерполяция вертикальными линиями или печать вертикальными штрихами.

Задача существенно упрощается при использовании вместо шагового двигателя мотора постоянного тока. В этом случае скорость движения бумаги можно плавно изменять и задача сопряжения масштабной скорости движения бумаги с темпом взятия выборок АЦП перестает быть критичной.

Частота сплошного чернения. Вывод графиков создает облегченный режим работы для термопечатающей головки (ТПГ), т.к. одновременно печатается малое число точек. Для большого числа одновременно печатаемых возникают большие импульсные токи разогрева, их обеспечение сопряжено с инженерными трудностями (обычно число точек одновременного чернения не более 100-200). Однако при печати высокочастотных сигналов, например шумов в фонокардиографии, приходится непрерывно печатать длинные черные области шумовых сигналов. Такой режим печати называется режимом сплошного чернения. Согласование расстояния между точками с дискретом АЦП. Целесообразно выбирать дискрет АЦП по амплитуде согласованным с плотностью (шагом расстановки) печатаемых точек регистратором. Например, в случае электрокардиографии для обеспечения чувствительности 10 мм/мВ желательно чтобы шаг дискрета АЦП был кратен 12.5 мкВ. В этом случае удается избежать процедуры умножения кодов амплитуды на поправочные коэффициенты. (Пусть ширина записи 40 мм, печать с плотностью 8 точек/мм, чувствительность 5 мм/мВ. Тогда в заданной ширине записи умещается 320 точек и 8.0 мВ размаха амплитуды графика. Цена дискрета АЦП должна быть соответственно 25 мкВ.