5. Wieloczujnikowy system akwizycji sygnałów PPG
5.6. Sprawdzenie systemu pomiarowego
Zbudowany system pomiarowy powinien mieć odpowiednie właściwości statyczne i dynamiczne pozwalające na uzyskanie jak najlepszej jakości sygnału fotopletyzmograficznego. Zatem działanie systemu powinno zostać sprawdzone a w szczególności dotyczy to toru analogowego, bo następnie sygnały przetwarzane są na postać cyfrową. Właściwości użytych procedur cyfrowego przetwarzania sygnałów, ze względu na właściwości przebiegu PPG, zostały zweryfikowane za pomocą testów przedstawionych w rozdziale 5.5. Sprawdzenie systemu wymagało przygotowania szeregu procedur testowych, dzięki którym będzie można wyznaczyć następujące parametry:
współczynniki przetwarzania torów pomiarowych,
charakterystykę amplitudową i fazową,
poziom szumów własnych systemu.
Na potrzeby sprawdzenia systemu opracowano układ przedstawiony na rysunku 5.107, w skład którego wchodziły: zadajnik prądowych sygnałów testowych, karta pomiarowa NI USB-6210 oraz oscyloskop Tektronix TPS-2024. Testowanie systemu polegało na dołączeniu do jego wejścia odpowiedniego sygnału testującego i rejestracji uzyskanej odpowiedzi, co pokazano na rysunku 5.107. Do generowania sygnału testowego wykorzystano zadajnik w postaci 8 źródeł prądowych (symulujący fotodiody) dołączony do
Ifd(f) [dB]
wejść systemu pomiarowego, z możliwością regulacji parametrów generowanego prądu.
Pomiar sygnału sterującego zadajnika sygnałów testowych i wyjściowych systemu był prowadzony dwutorowo poprzez wykorzystanie oscyloskopu oraz komputera rejestrującego sygnały dostarczane przez kartę pomiarową.
Rys. 5.107. Układ testowania systemu pomiarowego
Błąd pomiaru napięcia kartą pomiarową dla zakresu pomiarowego ±10 V dla pełnej skali nie przekracza 0,03%, a w przypadku oscyloskopu jest dużo większy i sięga nawet kilku procent wartości odczytanej. Zatem oscyloskop pełni rolę monitora sygnałów rejestrowanych przez kartę pomiarową.
Test 1. Sprawdzenie współczynnika przetwarzania torów pomiarowych.
Do wejść systemu pomiarowego dołączono regulowane źródła prądowe generujące prąd o stałej wartości. Dla każdego kanału o określonym zakresie pomiarowym zadawano kolejne wartości prądów wejściowych i rejestrowano napięcia wyjściowe. Na podstawie otrzymanej serii wyników pomiarów wyznaczono współczynniki przetwarzania dla każdego kanału pomiarowego i zakresu, zestawiając je w tabeli 5.9, oraz określono względne błędy nieliniowości.
Tabela 5.9. Wyniki pomiaru współczynnika przetwarzania systemu pomiarowego Współczynnik 20 19,91211 20,00121 20,02137 20,01237 19,98233 20,09321 19,95462 20,02943 40 40,02732 40,02348 40,02281 39,97322 40,32322 40,01926 40,09224 39,95551 Wartości względne błędów nieliniowości wyznaczone dla kolejnych zakresów pomiarowych i poszczególnych kanałów zawierały się w przedziale od 0,1 do 0,3%. Na podstawie przeprowadzanego testu można stwierdzić, że system zapewnia wystarczającą liniowość charakterystyki przetwarzania, wyrażającej zależność między wartościami mierzonego prądu wejściowego a wartościami napięciami wyjściowego rejestrowanymi przez kartę pomiarową.
Test 2. Wyznaczanie pasma przenoszenia systemu pomiarowego – charakterystyki amplitudowe i fazowe.
Na potrzeby testu do poszczególnych wejść systemu doprowadzono sinusoidalnie zmienne sygnały prądowe o stałej wartości międzyszczytowej, a następnie zarejestrowano przebiegi
Zadajnik sygnałów
napięcia wyjściowego. Z otrzymanych sygnałów wyjściowych wyznaczono wartości międzyszczytowe dla pojedynczych okresów sygnałów sinusoidalnych oraz określono przesunięcia fazowe. Różnice w otrzymanych wynikach pomiaru wartości napięcia dla różnych kanałów pomiarowych nie przekroczyły 0,01 V, a zatem przedstawiono wynik testu dla tylko jednego z kanałów. Częstotliwość sygnału sinusoidalnego zmieniano w zakresie od 0,1 do 100 Hz. Charakterystykę amplitudową dla trzech wariantów konfiguracji układu przedstawia rysunek 5.108.
Rys. 5.108. Charakterystyka amplitudowa systemu pomiarowego dla trzech wariantów konfiguracji układu: niebieska – system bez filtracji pasmowozaporowej, czerwona – system z filtracją pasmowozaporowa ustawioną na 50%, żółta – system z filtracją pasmowozaporową ustawioną na 100%
Kształty otrzymanych charakterystyk potwierdzają właściwości systemu pomiarowego założone w rozdziale 5.4. Ustawienie filtracji pasmowozaporowej na 100% zmniejsza wartości składowych sygnału fotopletyzmograficznego. Charakterystyka fazowa systemu została przedstawiona na rysunku 5.109.
a) b)
Rys. 5.109. Charakterystyki fazowe systemu pomiarowego: a) w zakresie od 0,1 do 100 Hz, b) w zakresie od 0,1 do 20 Hz dla trzech wariantów konfiguracji układu: system bez filtracji pasmowozaporowej (niebieska), system z filtracją pasmowozaporową ustawioną na 50%
(czerwona), system z filtracją pasmowozaporową ustawioną na 100% (żółta)
Przebieg charakterystyk fazowych jest również zgodny z założeniami poczynionymi w trakcie projektowania systemu. Szczegółowej analizie poddano fragment charakterystyki fazowej systemu (0,1–20) Hz, który powinien mieć liniowy przebieg, zapewniając w ten sposób brak zniekształceń kształtu sygnału. Na rysunku 5.109 b widać „prawie” liniowe przebiegi charakterystyk fazowych systemu, co dodatkowo potwierdzają obliczone równania regresji liniowej i jej błędy przedstawione w tabeli 5.10 dla analizowanego zakresu częstotliwości.
Tabela 5.10. Wyznaczone parametry regresji liniowej dla charakterystyki fazy sygnału w zakresie od 0,1 do 20 Hz.
Parametry Wariant 1 systemu
pomiarowego
Wariant 2 systemu pomiarowego
Wariant 3 systemu pomiarowego
Współczynnik kierunkowy -1,7 -4,99 -5,33
Współczynnik przesunięcia -179,76 -180,53 -183,16
Błąd standardowy regresji 1,37 2,6 4,29
Współczynnik korelacji 0,99 0,99 0,99
Przeprowadzony test parametrów dynamicznych systemu pomiarowego potwierdził, że ma on odpowiednie charakterystyki amplitudowo-fazowe, co umożliwia rejestrację niezniekształconych sygnałów fotopletyzmograficznych.
Test 3. Pomiar szumów własnych systemu. Do poszczególnych wejść systemu nie doprowadzono żadnego sygnału prądowego, otrzymując na wyjściu przebiegi napięcia bliskie zeru. W zależności od konfiguracji systemu wyznaczono odpowiednie parametry opisujące sygnały i zamieszczono je w tabeli 5.11.
Tabela 5.11. Parametry sygnałów wyjściowych U1-U8 w zależności od konfiguracji systemu (konfiguracja 1 – sygnał bez filtracji, konfiguracja 2 – sygnał z filtracją dolnoprzepustową przetwornika I/U, konfiguracja 3 – sygnał z filtracją dolnoprzepustową i pasmowozaporową przy maksymalnym poziomie tłumienia, konfiguracja 4 – sygnał z filtracją dolnoprzepustową i pasmowozaporową przy około 50%-owym poziomie tłumienia.
Parametr Konfiguracja 1 Konfiguracja 2 Konfiguracja 3 Konfiguracja 4
UAV [V] 0,00289 0,002459 0,0016075 0,002307
SU [V] 0,0021 0,000305 35,255 10-6 40,7368 10-6
Upp [V] 0,010605 0,001106 0,0002567 0,0002765
Analizując wartości wyznaczonych parametrów widać, że poziom szumów układu jest niewielki w stosunku do zakłóceń mogących wpływać na próg detekcji. W czasie pomiarów nie zaobserwowano dryftu temperaturowego żadnego z wyznaczonych parametrów rejestrowanych szumów. Dodatkowo wykonano analizę widmową sygnałów a przebieg charakterystyki amplitudowej przedstawiono na rysunku 5.110.
Rys. 5.110. Charakterystyka amplitudowa przebiegów szumów (czarna – kanał bez filtracji, czerwona – z filtracją)
Przedstawione charakterystyki jednoznacznie wskazują na osiągnięte pożądane właściwości tłumienia zakłóceń przez układy kondycjonowania sygnałów pomiarowych. Zbadany poziom szumów własnych systemu nie będzie miał istotnego wpływu na wynik pomiaru sygnałów fotopletyzmograficznych. Minimalne wartości zarejestrowanych prądów wynosiły zaledwie nawet 0,0003 µA, przy czym głównym ograniczeniem jest tutaj rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego karty pomiarowej dla przyjętego zakresu napięć wejściowych.
Test 4. Porównanie sygnałów fotopletyzmograficznych otrzymanych za pomocą innych urządzeń.
Używając dwóch dostępnych urządzeń w postaci pulsooksymetrów: Oxypleth 520A firmy Novametrix i CMS50E firmy CONTEC oraz zbudowanego systemu zarejestrowano sygnały fotopletyzmograficzne. Czujniki umieszczono na kolejnych palcach lewej ręki autora pracy (wskazującym, środkowym, sedecznym). Pulsooksymetr Oxypleth 520A generuje sygnał fotopletyzmograficzny w postaci napięcia, które było rejestrowane przez kartę pomiarową, natomiast pulsooksymetr CMS50E wysyłał bezprzewodowo do komputera dane, które były zapisywane w pliku poprzez dedykowaną aplikację. Pozyskanie surowych danych pomiarowych nie było możliwie tak w jednym, jak i w drugim przypadku. Wyniki pomiarów otrzymanych z tych przyrządów są przez nie automatycznie wyskalowane. Przykładowe sygnały fotopletyzmograficzne pokazuje rysunek 5.111.
a)
b)
c)
Rys. 5.111. Przykładowe sygnały fotopletyzmograficzne pozyskane za pomocą: a) pulsooksymetru Oxypleth 520A, b) pulsooksymetru CMS50E, c) skonstruowanego wieloczujnikowego systemu pomiarowego
Należy podkreślić, że w przypadku pulsooksymetrów dostępne sygnały PPG są w znacznym stopniu przetworzone. Pulsooksymetr Oxypleth 520A dostarczał sygnałów, które bardziej odbiegały kształtem od sygnałów otrzymanych za pomocą pozostałych urządzeń (rys. 5.111a). Warto w tym miejscu zaznaczyć, że nie jest dotąd znana żadna procedura standaryzacji parametrów sygnału PPG na potrzeby porównania przebiegów fali tętna pozyskiwanych od różnych osób [5, 29].
Zdaniem autora, przeprowadzone testy systemu pomiarowego potwierdzają jego odpowiednie właściwości statyczne i dynamiczne, pozwalając na pozyskiwanie sygnału fotopletyzmograficznego, którego główną składową jest obwodowa fala tętna.
Badania eksperymentalne sygnałów otrzymywanych przy wykorzystaniu wykonanego systemu są przedmiotem obszernego rozdziału 6.