Блок АЦП

Основные функции:

1) Преобразование аналогового сигнала в цифровой вид;

2) Организация схемы цифрового переключения коэффициента усиления;

3) Организация выбора каналов для АЦП.

Первая функция выполняется одной микросхемой, которая может быть как независимой микросхемой АЦП, так и выполнять ряд других функций (например, фильтрация, цифро-аналоговое преобразование и т. д.). Одним из важных показателей аналого-цифрового преобразования является выбор разрядности АЦП. Как правило, разрядность АЦП зависит от динамического диапазона представляемого сигнала и точности представления сигнала. Для инженерных расчетов используется следующая формула для расчета разрядности:

где

- максимально возможная амплитуда представляемого сигнала,

- точность представления данного сигнала.

Например, для электроэнцефалографии U_max=1 мВ, =1 мкВ. Расчетное значение n округляется в большую сторону.

Для ЭЭГ n не должно быть меньше 10.

Вторым важным параметром, используемым при выборе микросхемы АЦП, является скорость преобразования или время, которое тратится на оцифровку одного значения.

Основным параметром, принимаемым во внимание при определении времени преобразования АЦП является частота дискретизации.

Для инженерных расчетов, исходя из критерия качества представляемого сигнала пользователю, целесообразно использовать соотношение:

.

Для определения времени преобразования АЦП необходимо пользоваться следующим выражением:

, где

f_в – верхняя полоса пропускания сигнала,

N – Количество каналов.

Организация выбора необходимого канала для оцифровки.

Существует два способа организации многоканального АЦП:

ü Для каждого канала используется своя схема АЦП, соответственно, для n каналов необходимо n микросхем АЦП. При этом оцифровка по всем каналам производится параллельно и процесс преобразования ускоряется. Недостаток: сильное усложнение и удорожание аппаратной части системы.

ü Использование одной микросхемы АЦП и коммутатора для переключения каналов.

N=2^m

Функцией коммутатора является выбор необходимого канала для оцифровки.

Принцип работы

Все аналоговые каналы системы после оконечного усилителя заводятся на вход коммутатора, и происходит последовательный выбор с нулевого до n – го аналогового канала для передачи на вход АЦП. Выбор осуществляется с помощью адресных входов А₁…А_m, управляемых цифровым блоком. Таким образом, на адресные входы коммутатора последовательно передается цифровой код, равный 0, 1, 2, …, N, а на вход АЦП передаются аналоговые каналы.

Недостаток: невысокая скорость оцифровки из – за последовательного перебора каналов.

Преимущество: значительное упрощение схемы аппаратных средств.

Организация цифрового переключения коэффициента усиления.

Необходимый амплитудный диапазон прибора для регистрации биопотенциалов должен быть достаточно широк. Так как необходимо учитывать специфику различных пациентов, различных методик анализа. Например, для ЭЭГ амплитудный диапазон может варьироваться от 10 мкВ до 1 мВ. Задать один универсальный диапазон, который охватывал бы для корректного визуального представления всевозможные виды электроэнцефалограмм невозможно. Поэтому для выбора необходимого диапазона обычно используют ряд поддиапазонов. Например, для ЭЭГ: 10 мкВ, 20 мкВ, 50 мкВ, 100 мкВ, 200 мкВ, 500 мкВ.

Общий принцип функционирования цифрового переключения коэффициента усиления заключается в том, что пользователь выбирает с помощью программного обеспечения необходимый для отображения диапазон. Далее цифровой код, соответствующий этому диапазону поступает в прибор. Цифровой блок прибора посылает сигнал на схему переключения коэффициента усиления, которая масштабирует сигнал в зависимости от выбранного диапазона. Схема цифрового переключения коэффициента усиления основывается на микросхеме ЦАП.

Цифровой блок

Микропроцессор является ядром аппаратных средств электроэнцефалографа и выполняет следующие основные функции:

1) Прием, хранение, обработка и передача в ПК оцифрованных данных в блоке АЦП;

2) Прием и обработка управляющих запросов от ПК;

3) Синхронизированное управление всеми блоками аппаратных средств системы по специально разработанным протоколам их взаимодействия.

1. После включения питания прибора микропроцессор обращается к ПЗУ, где зашита программа функционирования всей аппаратной части системы. Выполняя последовательно команды этой программы, он активирует аналоговую часть, производит выбор необходимого диапазона усиления, выбирает необходимый для оцифровки аналоговый канал, запускает микросхему АЦП, считывает оцифрованные данные и сохраняет их либо во внутреннем, либо во внешнем ОЗУ. После оцифровки всех аналоговых каналов в течение заданного интервала дискретизации, он передает блок цифровых данных в ПК. В случае необходимости микропроцессор может провести обработку оцифрованных данных в реальном времени перед их передачей в ПК (для ЭЭГ, как правило, в процессоре реализуется цифровой фильтр для подавления сетевой помехи).

2. В процессе взаимодействия пользователя с прикладной программой возникает необходимость переключения некоторых параметров сигнала, например, диапазон усиления, ФНЧ, ФВЧ, а также ряда параметров других блоков системы: длительность и мощность фото- и фоностимуляторов. Все эти функции выполняются путем передачи некоторых кодовых последовательностей от ПК в микропроцессор, который обрабатывая их производит соответствующие действия.

3. Процессор управляет всеми блоками прибора согласно разработанному протоколу, который представляет собой последовательность и правила взаимодействия всех блоков системы между собой и с микропроцессором. Управление всеми блоками осуществляется с помощью цифровых двоичных кодовых последовательностей.

ПЗУ необходимо для постоянного хранения программ функционирования микропроцессора и протоколов его взаимодействия с другими блоками системы.

ОЗУ необходимо для временного хранения оцифрованных данных перед передачей их в ПК.

Схема сопряжения с ПК осуществляет преобразование передаваемого сигнала в вид, требуемый форматами данных ПК. Зачастую схема сопряжения совмещается со схемой гальванической развязки.

Гальваническая развязка необходима для защиты пациента от попадания на него высокого напряжения в случае пробоя электрических цепей ПК. Согласно ГОСТ гальваническая развязка должна выдерживать напряжение пробоя не менее 4 кВ в течение 1 мин.

Фотостимуляторы

Фотостимулятор представляет собой либо газоразрядную лампу, либо светодиодную линейку, выполненных в виде лампы, либо светодиодные очки. Управление фотостимулятором осуществляется микропроцессором. Необходим для подачи световых импульсов в процессе регистрации ЭЭГ. Импульсы подаются сериями с определенной частотой, длительность и количеством в серии. После каждой серии идет фаза отдыха в несколько секунд. Основными параметрами фотостимулятора являются:

Частота следования импульсов. Обычно значение частоты задается врачом с помощью программного обеспечения и находится в диапазоне 2-25 Гц;

Длительность светового импульса задается программно и находится в диапазоне 50 мкс-10 мс;

Мощность излучения (интенсивность). Эти параметры зависят от конкретной реализации.

Фоностимулятор

Конструктивно выполняется либо в виде наушников, либо в виде выносной колонки. Импульсы фоностимулятора представляют собой «щелчки» определенной длительности, частоты следования, тона и амплитуды (мощности звука). Управление фоностимулятором производится с помощью микропроцессора, а параметры задаются программно. Основные параметры фоностимулятора:

ü Частота следования импульсов 2-25 Гц;

ü Длительность импульса 50 мкс-10 мс;

ü Тональность (частота тона) 20-30 Гц;

ü Громкость (амплитуда) звука 30-120 дБ.

Программное обеспечение для электроэнцефалографических исследований

Общая структура программного обеспечения состоит из:

Ø Визуализации процесса (сигнала), который необходим для анализа;

Ø Базы данных для записи, хранения, чтения и обработки данных;

Ø Перечня методов обработки сигнала, которые лежат в основе анализа;

Ø Перечня отчетных форм с числовыми и текстовыми результатами анализа.

При анализе очередного пациента врач вносит его общие паспортные данные в базу данных системы (ФИО, возраст, пол, дата обследования). После этого запускается процесс регистрации сигнала, который может быть выполнен двумя способами:

- либо в виде мониторинга;

- в режиме перепрорисовки.

После того как врач удостоверится что регистрируется «чистый» сигнал без помех и артефактов, то он запускает процесс записи сигнала либо в операционную память, либо на диск в базу данных. После записи пациент уходит, а врач проводит анализ записываемого сигнала, используя как визуальную оценку, так и различные методы математической обработки.

После анализа врач формирует отчетную форму, в которой могут присутствовать численные характеристики, графики, гистограммы, а также текстовое описание и заключение. Как сам сигнал, так и отчетная форма сохраняются в базе данных.

Методы анализа ЭЭГ

Для ЭЭГ основными видами обработки являются:

1) Построение спектра мощности сигнала с целью получения АЧХ ЭЭГ. Данный метод дает представление о присутствии частотных ритмов в сигнале, амплитуде этих ритмов и доминировании одного ритма над другим. Спектр мощности обычно строится на основе преобразований Фурье.

2) Картирование или топографическое картирование представляет собой цветовую модель распределения потенциала по поверхности головы человека. Основой для построения карты являются амплитудные значения электроэнцефалограмм, распределенные по ритмам (), рассчитанные в точках наложения электродов на голову пациента. Весь возможный амплитудный диапазон представляется в виде цветной шкалы, где каждый цвет отражает некоторый амплитудный диапазон сигнала (например, 0-5 мкВ – темно – синий, 5-10 мкВ – синий и т. д.). В соответствии с данной шкалой производится расцвечивание каждой точки модели головы. Амплитуда каждой точки рассчитывается ранее с помощью специального алгоритма.

3) Корреляционный анализ. К нему относится реализация автокорреляционной и кросскорреляционной функций. Автокорреляционная функция позволяет оценить периодичность электроэнцефалограммы в течение выбранного врачом времени. Кросскорреляционная функция позволяет оценить степень связности электроэнцефалограмм двух различных каналов.

Дата добавления: 2014-01-04