5. Wieloczujnikowy system akwizycji sygnałów PPG
5.1. Systemy pomiarowe
System pomiarowy z reguły jest definiowany jako zbiór środków stanowiący organizacyjną całość, objęty wspólnym sterowaniem, zgromadzony w celu pozyskania, transmisji i przetwarzania danych pomiarowych oraz ich prezentacji [102, 136]. Do systemów pomiarowych zaliczają się m.in. przyrządy pomiarowe. Przykłady kolejnych czterech generacji przyrządów pomiarowych przedstawia rysunek 5.1.
a) b) c) d)
Rys. 5.1. Przykłady przyrządów pomiarowych poszczególnych generacji: a) pierwszej - miernik analogowy firmy EraGost b) drugiej miernik cyfrowy firmy UNIT, c) trzeciej -miernik cyfrowy firmy Agilent, d) czwartej - system pomiarowy VirtualBench firmy National Instruments
Pierwsza generacja przyrządów pomiarowych (analogowych elektromechanicznych) pojawiła się z chwilą odkrycia zjawisk elektrycznych umożliwiających konstrukcję przyrządów. Jako pierwszy taki przyrząd uznaje się galwanometr skonstruowany przez H. C. Oersteda w 1820 roku [65]. Na początku urządzenia pomiarowe wskazywały wartość tylko jednej wielkości mierzonej na kilku zakresach pomiarowych, natomiast późniejsze konstrukcje były wielofunkcyjne przy ręcznym wybieraniu funkcji i zakresu. Wraz z rozwojem pierwszych układów elektronicznych przyrządy wyposażano w dodatkowe układy (wzmacniacze, detektory wartości, kondycjonery itp.), polepszając ich właściwości metrologiczne przy zachowaniu analogowego sposobu odczytu i manualnego sterowania ich pracą. Druga generacja przyrządów pomiarowych to autonomiczne przyrządy cyfrowe. Przetworniki analogowo-cyfrowe polepszyły parametry użytkowe przy zachowaniu manualnego sposobu sterowania funkcjami przyrządów i zastosowaniu cyfrowego sposobu wyświetlania wyników.
Trzecią generację przyrządów pomiarowych można określić jako cyfrowe i systemowe.
Wyposażone są w standardowe interfejsy komunikacyjne dające możliwość współpracy z komputerem i innymi przyrządami, co znacznie poszerzyło ich możliwości aplikacyjne przy zachowaniu trybu pracy autonomicznej. Czwartą generację przyrządów pomiarowych stanowią tzw. wirtualne przyrządy pomiarowe VI (Virtual Instruments). W literaturze trudno znaleźć ich jednoznaczną definicję, w większości przypadków mówi się o przyrządzie bazującym na sprzężeniu sprzętu komputerowego z różnego rodzaju modułami pomiarowymi poprzez odpowiednie interfejsy obsługiwane przez specjalistyczne oprogramowanie [142].
Użytkownik za pomocą aplikacji komputerowej obsługuje przyrząd pomiarowy w podobny sposób tak jak byłby to przyrząd autonomiczny z panelem umieszczonym na monitorze
komputera. O funkcjonalności takiego rozwiązania decyduje oprogramowanie tworzone za pomocą klasycznych narzędzi programistycznych, takich jak: C++, Visual Basic, Pascal, oraz zaawansowanych zintegrowanych środowisk, takich jak: LabView, HP VEE, TestPoint, Matlab itp. Użytkownik przy wykorzystaniu wspomnianych narzędzi może dowolnie rozbudować aplikację pomiarową, modyfikując algorytm przetwarzania, analizy i prezentacji danych pomiarowych. Często na tej samej platformie sprzętowej, w zależności od potrzeb, można „wykonać” urządzenia takie jak np. multimetr, oscyloskop, rejestrator, analizator widma oraz wiele innych często nietypowych przyrządów. Na rysunku 5.2 schematycznie przedstawiono strukturę systemowego urządzenia autonomicznego.
Rys. 5.2. Schemat blokowy autonomicznego systemowego przyrządu pomiarowego
Z punktu widzenia projektanta budowa takiego urządzenia wymaga z jednej strony dużych umiejętności w zakresie konstrukcji elektronicznej aparatury pomiarowej, a z drugiej umiejętności programowania systemów mikrokomputerowych. Użytkownik dokonuje odczytów na ograniczonym polu wyświetlacza przy równie ograniczonym dostępie do modyfikacji ustawień i algorytmów przetwarzania sygnałów. Wyniki pomiarów mogą być transmitowane za pomocą interfejsów do komputera, gdzie przez zewnętrzną aplikację można je analizować. Przyrządy tego typu zwykle realizują tylko określony sposób pozyskiwania i przetwarzania mierzonych sygnałów, a adaptacja do innych zadań pomiarowych jest ograniczona. Alternatywnie, inne z możliwych rozwiązań, to konstrukcja wirtualnego systemu pomiarowego przedstawionego na rysunku 5.3.
Jednostka sterująca w postaci procesora i oprogramowania dedykowanego, firmowego Kondycjonery,
sygnałów
Przetwornik A/C
Wyświetlacz
Układy interfejsów np. USB, RS, Wi-Fi, GPIB Wejściowe
sygnały analogowe
Pamięć danych
Panel sterujący
Przetwornik C/C
Rys. 5.3. Architektura wirtualnego systemu pomiarowego
Projektanci wirtualnych systemów pomiarowych korzystają z gotowych komponentów w postaci uniwersalnych modułów sprzętowych gwarantujących wysokie parametry użytkowe, co pozwala im bardziej skoncentrować się na budowie odpowiedniego systemu dostosowanego do danego problemu pomiarowego. Oprogramowanie firmowe i sterowniki dla różnych systemów operacyjnych przygotowane przez producenta ułatwiają pracę z modułami kontrolno-pomiarowymi. Konstrukcja wirtualnych systemów pomiarowych sprowadza się do wyboru odpowiednich modułów akwizycji sygnałów pomiarowych oraz komputera wraz ze środowiskiem programistycznym. Procedury pozyskiwania i przetwarzania sygnałów określane przez oprogramowanie mogą być szybko i często zmieniane, więc systemy tego typu szczególnie znajdują zastosowanie w aplikacjach
Układy
Jednostka sterująca w postaci procesora i oprogramowania dedykowanego, firmowego
naukowo-badawczych. Opracowanie i budowa systemu trwa znacznie krócej niż budowa podobnego systemu autonomicznego. Użytkownik za pomocą aplikacji ma dostęp do wielu ustawień parametrów pozyskiwania i przetwarzania sygnałów.
Parametry biofizyczne organizmów żywych mogą być mierzone bezpośrednio lub pośrednio. Przetwarzanie ich na sygnały elektryczne ułatwia rejestrację i dalszą analizę.
Konstrukcje urządzeń pomiarowych spotykanych na potrzeby medycyny można odnaleźć we wszystkich wcześniej wymienionych generacjach przyrządów pomiarowych (rys. 5.4).
Pierwsza grupa to proste, często wskazówkowe analogowe przyrządy pomiarowe takie jak:
termometry, manometry do pomiaru ciśnienia itp., charakteryzujące się wystarczająco dobrymi parametrami metrologicznymi przy stosunkowo niskiej cenie. Kolejne dwie generacje urządzeń są wyposażane są w wyświetlacze cyfrowe, na którym wyświetlane są wyniki pomiaru. Do najbardziej rozpowszechnionych przyrządów tego typu należą ciśnieniomierze elektroniczne i termometry pirometrycznne. Dodatkowo, w generacji trzeciej użytkownik ma do dyspozycji interfejs do komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi.
Oceny prawidłowego funkcjonowania organizmu można dokonywać na podstawie rejestrowanych przebiegów czasowych. W dawnych urządzeniach rejestrujących zapis odbywał się na papierze, natomiast współcześnie dane mogą być zapisywane na miniaturowych kartach pamięci lub przesyłane bezpośrednio do komputera. Czwartą generację przyrządów przeważnie stosuje się w pracach naukowo-badawczych, gdzie przetwarza się i analizuje duże ilości danych pomiarowych [142]. Wykorzystanie zintegrowanych narzędzi programistycznych oferujących graficzny język programowania przesądza o zastosowaniu tego rodzaju systemów w wielu badaniach szczególnie dotyczących biopomiarów i obrazowania medycznego. Przykładem może być stosunkowo prosty system do pomiaru ciśnienia czy sygnałów EKG [2, 166], oraz znacznie bardziej skomplikowane urządzenia do obrazowania medycznego, np. MRI (Magnetic Resonance Imaging) [33].
Firmy takie jak National Instruments przygotowały specjalne pakiety oprogramowania dedykowanego pomiarom biomedycznym (biomedical Toolkit), a nawet gotowe aplikacje np.
Biomedical Workbench [167]. Na rysunku 5.4 przedstawiono przykładowe pomiarowe przyrządy medyczne różnych generacji.
Rys. 5.4. Przykłady kolejnych generacji pomiarowych urządzeń medycznych
Należy również zaznaczyć, że urządzenia medyczne oprócz spełnienia określonych wymogów użytkowych muszą spełniać szereg restrykcyjnych, specjalnych norm bezpieczeństwa, czego niewymaganych od innych przyrządów pomiarowych.
Sygnał PPG oraz sposób jego pozyskania stawiają swoiste wymagania budowanej aparaturze. Projektowanie i konstrukcja systemu pomiarowego obejmują z jednej strony
Generacja 1 Generacja 2 Generacja 3 Generacja 4
zagadnienia typowe dla elektronicznych układów pomiarowych, a z drugiej strony zagadnienia związane z diagnostyką medyczną, takie jak zmienność warunków pomiaru i osobnicze zmiany parametrów obiektu. Jak już wcześniej wspomniano, jednym z dostępnych współcześnie urządzeń rejestrującym obraz fali tętna jest pulsooksymetr. Przetworzona elektronicznie i cyfrowo krzywa PPG pozyskiwana jest w trakcie pomiarów saturacji tlenowej. Dostępnymi handlowo aparatami tego rodzaju można dokonywać pomiarów tylko w jednym kanale za pomocą dołączonego określonego typu czujnika, dostarczanego przez producenta. Taka konstrukcja gotowych urządzeń uniemożliwia przeprowadzanie jednoczesnych pomiarów krzywej PPG w różnych miejscach badanego obiektu oraz zastosowanie innych typów czujników sprawdzających się przy badaniach obiektów optycznie grubych. W większości przypadków badacze sygnału fotopletyzmograficznego budują swoje własne systemy, gdzie dane pomiarowe z czujnika przesyłane są najczęściej, przewodowo lub bezprzewodowo, do komputera. Rozwiązania bezprzewodowe dominują w aplikacjach związanych z telemedycyną, gdzie sygnał PPG najczęściej transmitowany jest do telefonu komórkowego [158], smartphona, komputera połączonego z siecią internet [10].
Ponadto stosuje się konstrukcje, w których cały system zintegrowano z czujnikiem [31, 44, 131]. Innym ciekawym rozwiązaniem jest wykorzystanie smartphonów nie tylko do transmisji sygnałów, ale także jako czujnika, gdzie fotodetektorem jest aparat fotograficzny a fotoemiterem dioda lub diody LED pełniące rolę latarki, lampy błyskowej [22, 41, 72]. W przypadku systemów badawczych, gdzie często testuje się różne opcje konfiguracji układów i czujników, system przewodowy o rozbudowanej strukturze jest bardziej uniwersalny.
Ograniczenia dostępności gotowej aparatury pomiarowej spełniającej wymagania określone w rozdziale 5.2.1 wymuszają jego budowę. Ze względu na postawiony w niniejszej pracy cel, przyjęte rozwiązanie systemu pomiarowego powinno należeć do czwartej generacji przyrządów pomiarowych.