Lassú élettani paraméterek adatgyűjtő rendszerének tervezési koncepciói

Pávay Ferenc

Irányítástechnikai és Informatikai Tanszék, Budapesti Műszaki Egyetem
1111 Budapest, Műegyetem rkp. 9 E-mail: pavay@seeger.fsz.bme.hu, pavay@iit.bme.hu

Absztrakt

Ebben a cikkben egy lassú biológiai jeleket analizáló és feldolgozó egységet mutatunk be, amely fontos részét képezi egy betegeket monitorizáló rendszernek. Az on-line feldolgozó egység nagyvonalú áttekintése után az egyes hardver elemek leírása következik. A cikk bemutatja a hardver részegységeket, az egységek analóg bemeneteinek típusát, a jelfeldolgozó algoritmusokat és a kommunikációs protokollokat. Az eredmények alapján látható, hogy a bemutatott egység képes megoldani a valós idejű jelfeldolgozási feladatokat.

Kulcsszavak: Orvosi jelfeldolgozás; On-line orvosi figyelő rendszer; Terepbusz egységek

1. Bevezetés

A működéstől és az analizált jelek karakterisztikájától függően az orvosbiológiai adatgyűjtő egységek az alábbi táblázat szerint csoportosíthatók, (1. táblázat) így ezekből az egységekből felépíthető egy orvosi monitorizáló rendszer, melynek leírása lejjebb található.

Jelfeldolgozás/ Profibus kapcsolat Orvosbiológai jelgyűjtés
I. típusú eszköz hőmérsékletmérés
laser Doppler áramlásmérés
pCO2 mérés
II. típusú eszköz EEG
EKG
vérnyomás mérés
perctérfogat mérés*
Beavatkozók reszpirátor*
infúziós pumpa
lélegeztető berendezés*
testhőmérséklet fenntartó berendezés
1. táblázat

Az I. típusú egységek (PROCONT-2) lassú jelek gyűjtésére alkalmazhatók, ami azt jelenti, hogy a részegységek és a kommunikáció mintavételi frekvenciája 1 Hz körüli. A kommunikáció egyirányú: a master-től az összes slave felé.
  A rendszert az emberi pácienseket monitorizáló és kezelő tipikus alkalmazások bemutatására terveztük. A kifejlesztett rendszer bemutatja a független részegységek összekapcsolását egyetlen közös környezetbe, ahol az intelligens komponensek egy terepi busz (fieldbus) segítségével kapcsolhatók össze. A bemutató rendszer különböző, az orvosi gyakorlatban alkalmazott eszközöket tartalmaz. A rendszerkomponensek három főbb kategóriába sorolhatók:

A demonstrátor rendszer architektúrája

Az I. típusú egységek alapvetően a betegeket monitorizáló rendszerekben használatosak. Az ezekhez a jelekhez szükséges mintavételi frekvencia általában 10 Hz alatti. Tipikus példaként a testhőmérséklet és a vérnyomás említhető. A keskenysávú érzékelők feladata egyszerű adatok gyűjtése és továbbítása a központi számítógép (MPC) felé.

I. típusú eszközök által gyűjtött élettani jelek:

2. Általános leírás (I. típusú eszköz)

Az I. típusú berendezés főbb jellemzői:

 A PPOCONT-2 egy mikroprocesszoros, modulokból felépített intelligens számítóegység. A PROCONT-2 a technológiai szintről érkező analóg és kétállapotú jeleket méri és - a beállított működésmódnak megfelelően - dolgozza fel folyamatos üzemben. PROFIBUS soros vonali interfésze lehetővé teszi a berendezés specifikálását (adatgyűjtő, PLC), a mért, számított, letárolt adatok beolvasását IBM-PC-be.
 Az I. típusú eszköz főbb funkciói a Programozható logikai vezérlő, a Programozható adatgyűjtő, a Kezelői kapcsolat (MMI) és a Számítógép kapcsolat.
 A Programozható logikai vezérlő jellemzői: max. 24 db kétállapotú kimenet vezérlése az analóg határértékek és a kétállapotú be- kimenetek alapján; kétállapotú be- kimenetek állapotának kijelzése az előlapon, programozási lehetőség PLC nyelven és IBM-PC-s fejlesztői környezet emulálási és nyomkövetési lehetőséggel, valamint programletöltés soros vonalon, programtárolás EEPROM-ban.
 A Programozható adatgyűjtő jellemzői: max. 30 db 0/4-20 mA-es analóg áramjel vagy 10 db ellenálláshőmérő bemenet és 10 db 0/4-20 mA-es áramjel fogadása, távadók paraméterezhetősége, fizikai mértékegységre számítás, hiszterézises határérték vizsgálata, származtatott mennyiségek képzése (összegzés, műveletvégzés, korrekciós számítások, átlagolás, napi minimum - maximum képzés), beállítható letárolási ciklus idő, max. 5000 adat letárolása, mért és származtatott mennyiségek kijelzése, leolvasása IBM-PC-n.
 A Kezelői kapcsolat jellemzői: megjelenítő 8 db hétszegmenses kijelző (az első öt kijelző a paraméter érték, a többi a paraméter név kijelzésére szolgál), fólia tasztatúra (20 db nyomógomb, 12 db numerikus és 8 db funkció nyomógomb), 19 db LED a rendelkező jel kijelzésére, 8-8 db LED a kétállapotú ki- bemenetek állapotának kijelzésére és funkció jelző LED-ek (5 db).
 A Számítógép kapcsolat: RS 485 soros vonali interfész PROFIBUS kommunikációs protokollal. Az IBM-PC-s kezelői felület lehetővé teszi a berendezés specifikálását, a mért és számított értékek IBM-PC-be olvasását és kijelzését. [1], [2]

3. Működési elv (I. típusú eszköz)

 A PROCONT-2 egy max. 30 csatornás adatgyűjtőt, és egy max. 24 állapotú ki- bemenetet és az analóg határértékeket kezelő programozható logikai vezérlőt tartalmaz.
 A bemenetre érkező 0/4-20 mA-es áramjeleket 0.5 s mintavételi idővel méri. Az adatgyűjtő bemeneteinek száma és így mintavételi ideje is állítható, annak figyelembe vételével, hogy 1 s alatt öt jelet képes mérni. Tehát 30 bement esetén a minimális mintavételi idő 6 s.
 A rendszer ütemideje 100 ms, így a kétállapotú ki- bemenetek beolvasása ill. frissítése valamint a PLC program feldolgozása is 100 ms alatt történik.
 Minden analóg bemeneti jel egy ZENER diódás túlfeszültségvédő áramkörön keresztül jut a 100 (-os 0.05 %-os mérőellenállásra, amely az áram-feszültség átalakítást végzi. A mérőellenálláson eső feszültség egy passzív RC szűrőn keresztül jut a relés méréspontváltóra. A relés méréspontváltó biztosítja az egyes analóg jelek galvanikus függetlenségét.
 A méréspontváltón keresztül mindig a mérni kívánt bemenet jele fog az ICL 7109 típusú, 12 bites, kettős integráló A/D bemenetére kerülni. Az A/D mérési ideje (20 ms) úgy van megválasztva, hogy egy aktív szűrést is megvalósítson. Ez biztosítja a hálózati (50 Hz-es) zavarok kiszűrését. A nagyobb zavarjel elnyomást és a földáramkörök kialakulásának megakadályozását az A/D átalakító galvanikus leválasztása biztosítja.
 A kétállapotú bemenőjelek szűrés és galvanikus leválasztás után kerülnek - 100 ms mintavételi időnként - beolvasásra, a kétállapotú kimenetek száma - szintén galvanikusan leválasztva - frissítése 100 ms-onként történik.
 A galvanikusan leválasztott 12 bites D/A átalakító kimenete feszültség-áram átalakítás után az analóg végrehajtó jelet adja a kimenetre, 100 ms-os ciklusidőnként.

A PROCONT-2 üzemmódjai

A PROCONT-2 készüléknek háromféle üzemmódja van:

Normál üzemmód  Hálózatra kapcsoláskor vagy más üzemmódból való kilépéskor automatikusan ebbe az üzemmódba kerül. Normál üzemmódban a készülék a specifikációban beállított működésmódnak megfelelően adatgyűjtési és vezérlési feladatokat lát el. A normál üzemmódban lehetőség van a mért és számított értékek, a rendelkező jel, a kétállapotú ki- bemenőjelek megjelenítésére. Normál üzemmódból RS 485 soros vonalon érkező jelszavas parancs, vagy a tasztatúráról kezdeményezett specifikációs parancs hatására lép ki. Paraméter kijelzés Adatgyűjtő kijelzésmód Alapállapotban a mért pillanatérték jelenik meg (4 számjegy + előjel). Lehetőség van továbbá az adott jel Ha a jel a távadó mérési tartományán kívül van, akkor a hiba jellegétől függően, az alábbi üzenetek jelennek meg a paraméter érték mezőben: Specifikációs üzemmód

Ebben az üzemmódban történhet:

Ebbe az üzemmódba jelszó megadásával léphetünk. A megadható két különböző jelszó két hozzáférési szint kialakítását teszi lehetővé: Analóg bemenetek specifikálása

 A menü kiválasztása úgy történik, hogy amikor a paraméter mezőben az "AnLS" megjelenik, megnyomjuk az ENT nyomógombot. Az első négy paramétert - analóg bemenetek száma (InP), mintavételi idő (SPt), letárolási ciklusidő (Stt; a mintavételi idő egész számú többszöröse: ha Stt=0, akkor a mért és számított értékek nem kerülnek letárolásra a háttér memóriába), a hiszterézises határérték vizsgálat hiszterézise - csak egyszer kell megadni, míg az összes paraméter annyiszor ismétlődik amennyi az analóg bemenetek száma.

Virtuális bemenetek specifikálása

  A mért és fizikai mennyiségre átszámított jelekkel végzett aritmetikai művelet(ek) eredményét - mint a mért jelekből származtatott új jelet - virtuális bemenetnek nevezzük. Maximálisan 10 virtuális bemenet lehetséges, ezek számozása 30-tól 39-ig tart.
  A mért jelekkel végzett aritmetikai műveletek (jelek szorzása, osztása, stb.) a felhasználó által nem programozható, azt rendeléskor kell a gyártóval közölni.
  Lehetőség van virtuális bemenet engedélyezésére vagy tiltására, illetve bemenetenként alsó (-9999) és felső határ (9999), a hiszterézis (0-9999) fizikai mértékegységben történő megadására, ill. a mértékegységkód beírására.
  A virtuális bemenetekre a berendezés elvégzi a

  Ha a tárolási idő nem nulla, akkor a tárolási időnként virtuális bemenetek pillanatértéke is letárolásra kerül a berendezés háttérmemóriájába, ahonnan IBM-PC-vel kiolvasható.
  Ha az IBM-PC hosszabb ideig (több nap) ki van kapcsolva, akkor a napi minimumok, maximumok elvesznek ugyan, de a napi integrált értékek összegződnek. A berendezés IBM-PC használata nélkül 99 nap összegzett értékét tárolja, azt követően nullázódik.
  Ha a műveletvégzés nem értelmezhető (pl. nullával való osztás miatt), akkor az adott mintavételben nulla értékkel számol és a státuszban "lekapcsolt" állapotot jelez.

Digitális jelek specifikálása   Digitális jelek specifikálásán a 8 db kétállapotú bemenet és 8 db kétállapotú kimenetet tartalmazó kártyák számának, a kétállapotú bemeneteken végezhető szűrés típusának, és a szűrőtag hosszának megadását értjük.
  A kétállapotú bemeneteken alapvetően kétfajta szűrés közül választhatunk:

  Ha a szűrőtag számának nulla értéket adunk, akkor a szűrés ki van kapcsolva és az éppen beolvasott állapot lesz a jel állapota.
  A berendezés a kétállapotú be-kimeneteket 100 ms-onként beolvassa, feldolgozza illetve frissíti. A kétállapotú jelek feldolgozása illetve a kimenetek vezérlése történhet a PROCONT-2-be letöltött PLC program alapján, illetve IBM-PC-ről a PROFIBUS interfészen keresztül.

Analóg és kétállapotú be-kimenetek tesztelése

Távvezérlés üzemmód

  A készülék távvezérlés üzemmódba az RS 485 soros vonalon érkezett parancs hatására kerülhet. Ebben az üzemmódban lehetőség van az előzőekben ismertetett funkciók megvalósítására egy IBM PC-s kezelői felületről.
  Az interfész lehetővé teszi a master-slave berendezések kommunikációját 1500 m-es távolságig egy kéteres kábel segítségével, oly módon, hogy az így kialakított terepbuszra kapcsolható egységek száma 32 lehet.
  A PROCONT-2 ezen a terepbuszon slave egységként helyezkedhet el. A SLAVE berendezések egyenként maximum 63 adatátviteli parancsot, SAP-ot (Service Acces Point) definiálhatnak.
  A MASTER berendezés (IBM PC) az egyes berendezések által nyújtott szolgáltatásokat azaz SAP-okat megcímezve érheti el.
  Az IBM PC-s kapcsolat az alábbi nyelvi interfészeken jöhet létre:

  A nyelvi interfészek kódja, az adatátviteli algoritmus lefordított kódja, és néhány demonstrációs program külön lemezen a felhasználó rendelkezésére áll. A demonstrációs program, és a lemezen található definíciós fájlok alapján az alkalmazó könnyen beépítheti saját felhasználói programjába az adatkapcsolatot megvalósító program-részeket.
  Az említett nyelvi interfészeken kívül magasabb szintű IBM PC-s kezelői felület is rendelkezésre áll: "C" kezelői felület

  A "C" kezelői felület négy szintű hozzáférési szint kialakítását teszi lehetővé. Az egyes hozzáférési szintekhez jelszót rendelünk, és csak a jelszó birtokosa tud az adott hozzáférési szintre bejutni. A legalacsonyabb szint csupán a mért paraméterek beolvasását és megjelenítését teszi lehetővé, míg a legmagasabb szinten a készülék teljes specifikálására, valamennyi funkciójának elérésére lehetőség van.

  A "C" kezelői felület programja lehetővé teszi:

4. Üzenetek

A lehetséges üzenetek (csak hőmérséklet esetén):

5. Összefoglalás

Számos az egészségügy területén felmerülő probléma megoldását megcélzó rendszerfejlesztés történt az elmúlt évek folyamán. Fő fejlesztési kritériumok közé tartoztak a flexibilitás, modularitás, és a bővíthetőség. Gyakran pont ezeket a feltételeket nem tudták realizálni. [3], [4], [5] Ennek a projectnek is a legfontosabb célkitűzése megfelelő orvosbiológiai eszközöket és rendszert létrehozni. Mellesleg ezek a berendezések jól mutatják az ipari és az orvosi technológia összefonódását.

6. Irodalomjegyzék

  1. Bender K. PROFIBUS. Der Feldbus für die Automation 1990, Carl Hanser Verlag, München, Wien.
  2. Lenihan JMA Instrumentatio in Medcine. 1968. Morgan-Grampian, London.
  3. Uckun S. 1993. Intelligent systems in patient monitoring and therapy management: A survey of research projects. Technical report KSL 93-32, Knowledge Systems Laboratory, Standford University.
  4. Uckun S, Dawant BM, Lindstrom DP. 1993. Model-based diagnosis in intensive care monitoring: The YAQ approach. Artif Intell Med 5:31.
  5. Dawant BM. Knowledge-Based Systems for Intelligent Patient Monitoring and Management in Critical Care. In The Biomedical Engineering Handbook, Bronzino JD.1996. CRC Press & IEEE Press 2746-2756.
  6. P. Várady - Distributed Communication System in Biomedical Applications, Proceedings of the Symposium on Fieldbus Systems and Application Technics, pp.39-44, Budapest, 17-19 Feb. 1998
  7. F. Pávay - Design concept of a data acquisition device for slow physiological parameters, Proceedings of the Symposium on Fieldbus Systems and Application Technics, pp.51-56, Budapest, 17-19 Feb. 1998
  8. S. M. Szilágyi - Fast biological signal analysis and real-time processing, Proceedings of the Symposium on Fieldbus Systems and Application Technics, pp.45-50, Budapest, 17-19 Feb. 1998
  9. L. Vancsisin - A New Approach in Medical Monitoring, Proceedings of the Symposium on Fieldbus Systems and Application Technics, pp.33-38, Budapest, 17-19 Feb. 1998