Инженерно-психологическое и эргономическое проектирование Монитора пациента

• Введение
• 1. Обзор и анализ существующих аналогов Монитора пациента
• 1.1 Прикроватный монитор «Тритон» для системы централизованного мониторинга
• 1.2 Монитор HEWLETT PACKARD Viridia M3
• 2. Инженерно-психологическое и эргономическое проектирование Монитора пациента
• 2.1 Эргономические требования к информации, представляемой пользователю на экране монитора
• 2.1.1 Требования к энергетическим и пространственным параметрам
• 2.1.2 Требования к цветовым параметрам
• 2.1.3 Требования к пространственному размещению информации
• на экране монитора
• 2.1.4 Требования к надписям, знакам и предъявляемому на экране тексту
• 2.2 Эргономические требования к видеодисплейным терминалам и электронно-вычислительным машинам
• 2.3 Разработка сценария функционирования системы с проработкой мероприятий по обеспечению эргономических требований к компоновке информации, предъявляемой пользователю на экране монитора
• 3. Разработка структурной схемы Монитора пациента
• 3.1 Модуль обработки и хранения информации
• 4. Разработка функциональной схемы Монитора пациента
• 4.1 Функциональная схема периферийного модуля
• 4.2 Функциональная схема видеоконтроллера
• 5. Разработка принципиальной схемы Монитора пациента
• 6. Дизайнерская проработка конструкции монитора с помощью
• компьютерного моделирования
• 6.1 Программное обеспечение для моделирования Монитора пациента
• 6.2 Программирование микропроцессора ATMEGA128L
• 7. Технико-экономическое обоснование эффективности разработки и использования Монитора пациента
• 7.1 Характеристика изделия
• 7.2 Расчет стоимости оценки результата
• 7.2.1 Определение себестоимости и отпускной цены изделия
• 7.2.2 Расчет чистой прибыли
• 7.3 Расчет инвестиций в производство нового изделия
• 7.4 Расчет показателей экономической эффективности проекта
• 8. Охрана труда. Обеспечение безопасности персонала и пациентов при использовании диагностической и терапевтической аппаратуры
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложения
• Введение
• В настоящее время непрерывно расширяется область применения методов регистрации параметров биосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровень научных достижений и технологий открывает новые перспективы для создания приборов диагностики физиологических параметров пациента.
• Актуальность внедрения монитора пациента заключается в комплексном подходе регистрации биосигналов организма пациента с помощью датчиков. Исключение «привязки» обследуемого к диагностической аппаратуре обеспечивает естественную подвижность пациента при выполнении им функциональных проб, тестовых профессиональных операций и других диагностических, профилактических и лечебных мероприятий, улучшает качество жизни пациентов, и в то же время позволяет врачу оперативно получать объективную картину состояния систем организма человека через различные характеристики человека как: артериального пульса, давления, функций дыхания, реакции коры головного мозга на внешние стимулы, температурных аномалий внутри биологического объекта и так далее.
• Использование новых систем позволяет уменьшить соотношение сигнал-шум, что улучшает прием, передачу, и обработку полезного сигнала, а использование в мониторе пациента высокопроизводительного процессора позволяет быстро и качественно обрабатывать, использовать в любой момент времени и хранить информацию.
• Прибор применяется для диагностики функционального состояния, а так же при необходимости постоянного контроля за больными, проходящих реабилитацию при получении серьезных травм или после перенесения различных болезней. Это позволяет следить за улучшением или ухудшением состояния больного и оперативно принимать необходимые решения.
• Целью разработки является создание медицинского прибора для мониторинга основных параметров состояния здоровья человека в условиях стационарного лечения и скорой помощи, экспрессной оценки физиологических функций лётных экипажей самолетов, водителей транспортных средств, многопрофильного скрининга населения.
• Монитор пациента универсален, может комплектоваться дополнительными блоками и датчиками в соответствии с требованиями медицинских учреждений; в своем составе содержит высокопроизводительный процессор, позволяющий совершенствовать диагностику заболеваний, адаптировать прибор к конкретным условиям эксплуатации.
• 1. Обзор и анализ существующих аналогов монитора пациента
• В настоящее время непрерывно расширяется область применения методов регистрации параметров биосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровень научных достижений и технологий открывает новые перспективы для создания более совершенных Мониторов пациента.
• Измерения различных характеристик организма человека как: артериального пульса, давления, функций дыхания, реакции коры головного мозга на внешние стимулы, температурных аномалий внутри биологического объекта и так далее. Различие приборов заключается в способах передачи, регистрации и обработке сигнала, в среде по которой он передается.
• Существующие аналоги Монитора пациента:
• 1 прикроватный монитор «Тритон» для системы централизованного мониторинга.
• 2 модульный монитор пациента HP Viridia M3.
• 1.1 Прикроватный монитор «Тритон» для системы централизованного мониторинга
• Сеть централизованного мониторинга (СЦМ) «Тритон» (рисунок 1.1) предназначена для постоянного наблюдения, за состоянием пациентов реанимационного отделения и отделения интенсивной терапии, и включает в себя: центральный пост, и прикроватные мониторы (или пульсоксиметры), оборудованные встроенными сетевыми адаптерами и соединенными сетью обмена данными с центральным постом. СЦМ «Тритон» оптимизирует сбор, обработку, хранение, документирование и анализ информации полученной во время наблюдения за больным.

Рисунок 1.1 — Сеть централизованного мониторинга СЦМ «Тритон»

Технические характеристики:

Объединение в сеть до 32 приборов марки «Тритон» от пульсоксиметров до мониторов.

Постоянная индикация жизненно важных параметров и графических кривых с каждого монитора.

Режим «Окно повышенного внимания» — полный просмотр информации о пациенте.

Одновременная работа нескольких окон с разной степенью детализации по любой группе пациентов.

Всплывающее меню подсказки и управления в области любого параметра.

Автоматическое распознавание и регистрация приборов в сети, возможность «горячей» замены прибора.

Текущая память всей числовой и графической информации в автоматическом режиме в течение 72 часов, в ручном — более 500 суток (зависит от памяти центральной станции).

Вывод на принтер четырех стандартных печатных форм (суточные тренды, произвольные тренды, ЭКГ, тренды + ЭКГ).

Трехуровневая аудиовизуальная тревожная сигнализация, настраиваемые пороги тревог по частоте сердечных сокращений, артериальному давлению, насыщенности крови кислородом (SpO₂), частоте дыхания, аритмии, капнометрии (определяет содержание углекислоты (EtCO₂) в выдыхаемом пациентом воздухе); технические тревоги. Степень тревоги кодируется цветом сообщений, тревоги дублируются текстовыми сообщениями на русском языке.

Встроенные журналы движения больных, анестезий, манипуляций, которые могут быть адаптированы для работы в любом отделении интенсивной терапии и реанимации.

Сохранение фрагментов электрокардиограммы произвольной длины на жесткий диск с последующим просмотром, анализом и печатью, возможность записи на СD-диски файлов или архива.

Для соединения центральной станции с приборами используется сеть стандарта Ethernet. Все приборы физически располагаются в одном сегменте сети.

Возможность подключения к локальной сети лечебного учреждения.

1.2 Монитор HEWLETT PACKARD Viridia M3

Монитор HP Viridia M3 (рисунок 1.2) позволяет самостоятельно определять, где и как проводить мониторинг пациента без оглядки на размеры и вес самого монитора.

Монитор M3 является переносным, благодаря его облегченной и одновременно прочной конструкции.

Специальная «интеллектуальная» система управления аккумулятором информирует вас о времени, которое прибор сможет еще проработать без подзарядки.

Монитор M3 прост в использовании благодаря своему новому интерфейсу пользователя: вокруг цветного экрана высокого разрешения располагаются сенсорные полосы управления, позволяющие сразу же приступить к работе именно с тем параметром, который интересует.

Рисунок 1.2 — Модульный монитор пациента HP Viridia M3

Монитор M3 обеспечивает гибкость мониторинга, благодаря использованию многопараметрического модуля измерительного сервера, который может устанавливаться в непосредственной близости от пациента или фиксироваться к дисплею монитора.

Измерительный сервер представляет собой отдельное устройство, обеспечивающее проведение стандартного набора измерений: до 3 каналов электрокардиограммы, дыхание, насыщение крови кислородом, неинвазивное артериальное давление, а также температуру или инвазивное давление. Отсоединяемый модуль измерительного сервера является сердцем и мозгом концепции динамического мониторинга: расположение измерительного сервера в непосредственной близости от пациента, а дисплея монитора в положении, наиболее удобном для обзора, позволяет решить проблему подсоединения и спутывания кабелей, идущих к пациенту, и оптимально использовать измерительные серверы и дисплеи НР Viridia M3, имеющиеся в больнице, что особенно важно при ограниченном бюджете.

Измерительный сервер позволяет запоминать до 50 часов трендов пациента, до 10 событий (численные значения параметров и кривые), личные данные пациента и настройки монитора, что позволяет проводить анализ данных в наиболее удобное время.

Технические характеристики:

Общий вес монитора, измерительного сервера и аккумулятора не превышает 4,3 кг.

Монитор имеет цветной жидкокристаллический дисплей (6,5 дюймов по диагонали) с активной матрицей и широким углом обзора. Дисплей может отображать до 3 кривых и 5 численных значений параметров. На экран выводятся визуальные сигналы тревоги, рядом с дисплеем расположены красный и желтый индикаторы тревоги, подаются также звуковые сигналы тревоги 3 различных тонов.

Монитор может подключаться к внешним устройствам — принтеру (через инфракрасный интерфейс), системе вызова медсестры, а также имеет выход ЭКГ.

С помощью встроенного LAN адаптера могут быть увязаны до 22 мониторов М4/М3 в одну локальную сеть с выводом кривых и тревог в реальном времени с любого монитора на центральную станцию.

Радиус удаления мониторов от приемной антенны составляет 15.2 метра.

При работе с электрокардиограммой предусмотрена возможность использования диапазонов для взрослых пациентов, детей и новорожденных. Можно устанавливать границы тревоги электрокардиограммы для высокой и низкой частоты сердечных сокращений (или частоты пульса), а также для брадикардии и тахикардии.

Предусмотрена возможность использования диапазонов параметров дыхания для взрослых пациентов, детей и новорожденных. Можно устанавливать границы тревоги для высокой и низкой частоты дыхания и для апноэ.

При измерении насыщения крови кислородом (SpO₂) также отображается плетизмограмма и частота пульса. Можно устанавливать верхнюю и нижнюю границы тревоги для SpO₂.

Измерения неинвазивного артериального давления можно запустить в ручном, автоматическом или непрерывном режимах. Можно устанавливать измерительные диапазоны для взрослых пациентов, детей и новорожденных. Кроме того, можно задавать границы тревоги для систолического, диастолического и среднего давлений.

Инвазивное давление может быть использовано в качестве источника для измерения частоты пульса.

Монитор HP Viridia М4/M3 и многофункциональный измерительный сервер полностью совместимы с широким спектром датчиков и принадлежностей, поставляемых компанией Hewlett-Packard. Они также могут работать с новой линией недорогих принадлежностей с короткими кабелями (разработаны для использования с измерительным сервером, располагаемом на удалении от монитора вблизи от пациента).

Известные аналоги обеспечивают вывод параметров состояния пациента на цветной жидкокристаллический дисплей с размером диагонали до 11 дюймов.

Преимущества разрабатываемого Монитора пациента перед другими аналогами:

Информация выводится на цветной жидкокристаллический дисплей с размером диагонали 15 дюймов без вредных электромагнитных излучений с повышенным разрешением, яркостью и углом обзора, который обеспечивает уверенное считывание выводимых на него параметров из любой точки в пределах помещения.

Возможность многократного воспроизведения промышленного образца.

Корпусные детали монитора могут быть получены с применением технологических процессов гибки и сварки в условиях единичного и мелкосерийного производства. Отделка металлических деталей корпуса возможна путем нанесения лакокрасочных покрытий.

Данный способ изготовления корпуса более доступен, относительно прост и, следовательно, недорог.

Возможно применение перспективной технологии получения пластмассового корпуса монитора путем использования технологического комплекса изготовления быстрой оснастки (в эластичной силиконовой или металлополимерной форме, в зависимости от программы выпуска).

Преимуществами данной технологии изготовления пластмассовых изделий, по сравнению с применяемыми в производстве, являются быстрое получение серийной оснастки, высокое качество и улучшенный дизайн получаемых корпусных деталей.

Отличительные признаки промышленного образца: имеется блок диагностики по методике Захарьина-Геда, режим просмотра данных за последние 24 часа, представление информации на дисплее в удобном для врача режиме.

Внешний вид экрана прибора разрабатывался с учетом обеспечения максимального удобства восприятия информации пользователем. Кроме того, различные параметры и элементы изображения (цвета и размеры надписей и графиков, сокращения, аббревиатуры, и т. п.) формировались с учетом общепринятых в медицине и наиболее распространенных аналогов. Цвет и масштаб представляемых кривых и цифровых значений параметров выбраны в соответствии с эргономическими требованиями и, при необходимости, могут корректироваться пользователем (структура и режимы работы представлены на демонстрационном плакате ГУИР.403 200.001 ПЛ). Минимизировано количество кнопок для управления монитором с целью облегчения работы врача и упрощения работы с прибором.

2. Инженерно-психологическое и эргономическое проектирование монитора пациента

2.1 Эргономические требования к информации, представляемой пользователю на экране монитора

2.1.1 Требования к энергетическим и пространственным параметрам Для точного считывания информации и комфортных условий ее восприятия работа с дисплеями должна проводиться при таких сочетаниях контраста и яркости изображения, внешней освещенности экрана, углового размера знака и угла наблюдения экрана, которые входят в оптимальные или предельно допустимые (при кратковременной работе) диапазоны.

Яркость знаков не должна быть менее 35 кд/м² для дисплеев на ЭЛТ и не менее 20 кд/м² для дисплеев с плоскими экранами. Неравномерность яркости рабочего поля экрана и яркости элементов знаков не должна быть более 20%.

Яркостный контраст изображения, а также внутри знаков и между знаками должен быть не менее 3:1.

Ширина контура знака должна быть в пределах от 0,25 до 0,5 мм, а изменение размеров однотипных знаков на рабочем поле не должно превышать ± 5%. Если в документации на дисплей не оговорено проектное расстояние наблюдения, то его принимают равным 50 см для дисплеев с размером экрана по диагонали 14 — 17`` и 75 см — для экранов 19 — 21``.

2.1.2 Требования к цветовым параметрам

При необходимости точной идентификации цвета знака в рядах буквенно-цифровых символов его высота не должна быть менее 20` и 30` для обособленных знаков при проектном расстоянии наблюдения.

Не следует применять насыщенный синий цвет, если размер изображения менее 2.

Для чтения текстов, восприятия знаков и символов не следует применять при обратном контрасте синий и красный цвета на темном фоне и красный цвет на синем фоне, а при прямом контрасте — синий цвет на красном фоне.

Для точного опознания цветов должны применяться цветные изображения переднего плана на ахроматическом фоне или ахроматические изображения переднего плана на цветном фоне.

Число цветов, одновременно отображаемых на экране должно быть минимальным, а при необходимости проведения быстрого поиска, основанного на опознании цветов, и когда параметры цвета вызываются из памяти ЭВМ, следует применять не более 6 цветов.

При необходимости идентификации и распознавания цветов прикладная программа должна предлагать устанавливаемый по умолчанию набор цветов, а когда цвет может быть изменен пользователем, то должна быть предусмотрена возможность его восстановления.

Насыщенные крайние цвета видимого спектра приводят к нежелательным эффектам глубины изображаемого пространства и не должны применяться для изображений, которые требуют непрерывного чтения или просмотра.

Контраст изображения по отношению к фону должен быть оптимальным: для графической информации необходимо использование прямого контраста, для текстовой — обратного.

Должно обеспечиваться постоянство используемых цветов. Одни и те же объекты следует обозначать одинаковыми цветами. Используемые цвета должны соответствовать устойчивым зрительным ассоциациям: красный — опасность, желтый — внимание, слежение, зеленый — разрешающий и т. д.

Яркость цветов объектов по отношению к фону должна обеспечивать равномерное распределение яркости, яркостный контраст должен быть не менее, чем 60%.

Следует использовать оптимальный выбор цветов для смыслового противопоставления объектов: красный — зеленый, синий — желтый, белый — черный.

Должно обеспечиваться оптимальное сочетание цвета и яркости изображения: красный — при высокой яркости, зеленый — в среднем диапазоне, желтый — в широком диапазоне, синий — при малой яркости.

2.1.3 Требования к пространственному размещению информации на экране монитора

Формы объектов должны соответствовать устойчивым зрительным ассоциациям, т. е. быть похожими на экране на формы реальных объектов.

Для графической информации обязательно должны использоваться логические ударения, желательно их использовать также для текстово-графической информации.

Логические ударения должны использоваться оптимально: наличие не более одного логического ударения в каждый момент времени, выделение логическим ударением главного объекта. Последовательность логических ударений должна соответствовать оптимальному порядку восприятия информации.

Поля восприятия графической информации должны соответствовать оптимальному порядку изучения информации. Должно обеспечиваться соответствие пространственного расположения информации на экране оптимальному порядку изучения. Степень засоренности поля главного объекта не должна быть большой: превышать 4 — 6 второстепенных объектов в поле главного объекта.

2.1.4 Требования к надписям, знакам и предъявляемому на экране тексту Надписи, обозначающие объекты или органы управления должны быть краткими, однозначно воспринимаемыми и читаться слева направо. Допускается использование только тех слов, которые хорошо известны пользователю. Сокращение слов нежелательно, в крайнем случае, можно использовать только стандартные сокращения.

Параметры предъявляемого на экране текста должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Высота знака — не менее 3 мм.

2. Отношение ширины буквы, цифры к высоте — в пределах 0.76 — 0.80.

3. Толщина линии обводки в прямом контрасте — в пределах 10 — 15%. от высоты знака, в обратном контрасте — в пределах 12 — 16% от высоты знака.

4. Расстояние между знаками — не менее 30% от высоты знака.

5. Расстояние между строками — 1,5 — 2 высоты знака.

6. Длина строки — 40 — 80 знакомест.

Используемые в тексте слова должны соответствовать тезаурусу (словарю с полной смысловой информацией) пользователя, а его лингвистическая композиция обеспечивать доступность и понятность текста.

2.2 Эргономические требования к видеодисплейным терминалам и электронно-вычислительным машинам

Визуальные эргономические параметры видеодисплейных терминалов являются параметрами безопасности, и их неправильный выбор способствует ухудшению здоровья пользователей.

Конструкция видеодисплейного терминала, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надежное и комфортное считывание отображаемой информации в условиях эксплуатации.

Должна обеспечиваться возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах ± 30° и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах ± 30° с фиксацией в заданном положении. Корпус видеодисплейного терминала должен быть окрашен в спокойные мягкие тона с диффузным рассеиванием света, а клавиатура и другие блоки и устройства персональной электронной вычислительной машины должны иметь матовую поверхность одного цвета с коэффициентом отражения 0,4 — 0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики.

На лицевой стороне корпуса не рекомендуется располагать органы управления, маркировку, какие-либо вспомогательные надписи и обозначения. При необходимости расположения органов управления на лицевой панели они должны закрываться крышкой или быть утоплены в корпусе.

Конструкция должна предусматривать наличие ручек регулировки яркости и контраста, обеспечивающих возможность регулировки этих параметров от минимальных до максимальных значений.

2.3 Разработка сценария функционирования системы с проработкой мероприятий по обеспечению эргономических требований к компоновке информации, предъявляемой пользователю на экране монитора

Внешний вид экрана прибора разрабатывался с учетом обеспечения максимального удобства восприятия информации пользователем. Кроме того, различные параметры и элементы изображения формировались с учетом общепринятых в медицине и наиболее распространенных аналогов. Цвет и масштаб представляемых кривых и цифровых значений параметров выбраны в соответствии с эргономическими требованиями. Минимизировано количество кнопок для управления монитором с целью облегчения работы врача и упрощения работы с прибором. Информация выводится на цветной 15-дюймовый жидкокристаллический дисплей без вредных электромагнитных излучений.

В основном режиме работы на экран монитора выводятся в реальном масштабе времени графики электрокардиограммы и пульсоксиметрии. В цифровом виде — частота сердечных сокращений, температура, артериальное давление (систолическое, диастолическое и среднее), процентное содержание кислорода в крови. При отклонении контролируемых параметров за установленные границы вырабатывается сигнал тревоги.

При работе в режиме просмотра записи на дисплее отображаются графики изменения общих характеристик пациента (в центральной части экрана), форма сигнала от датчиков в конкретный момент времени (в левой части экрана) и числовые значения параметров состояния пациента в конкретный момент времени (в правой части экрана). Вертикальная линия на графике служит указателем момента времени для которого отображаются данные в левой и правой частях экрана. Время на часах в верхней части экрана соответствует положению линии на графике. Этот указатель перемещается пользователем влево или вправо с помощью функциональной клавиатуры.

Таким образом, пользователь может наблюдать как общую картину изменения состояния пациента, так и конкретные характеристики состояния пациента в определенный момент времени. В режиме просмотра данных вышеперечисленные характеристики могут быть воспроизведены в любой из интересуемых моментов за прошедшие 36 часов. Ход процесса с отклонениями в течение последних 36 часов отображается на экране.

3. Разработка структурной схемы монитора пациента

Структурная схема, на которой изображены основные модули монитора, изображена на демонстрационном чертеже ГУИР.403 200.001 Э1.

В состав монитора входят периферийные модули, модуль сопряжения, модуль обработки и хранения информации, модуль отображения. Модульный принцип построения прибора позволяет комплектовать изделие в соответствии с требованиями заказчика, легко дополнять прибор новыми блоками и совершенствовать диагностику за счет резервных возможностей блока обработки и хранения информации.

Обоснование структуры прибора и методов измерения приведено в промежуточном техническом отчете за первый год. Описание модулей на структурно-функциональном уровне приведено ниже.

3.1 Модуль обработки и хранения информации

После создания первого макетного экземпляра модуля обработки и хранения информации по результатам испытаний в его структуру были внесены незначительные поправки, связанные с использованием нового, более высокопроизводительного процессора фирмы ATMEL Atmega128 и изменением топологии подключения некоторых вспомогательных устройств модуля.

Структурная схема модуля обработки и хранения информации представлена на рисунке 3.1.

Ядром модуля обработки и хранения информации является микроЭВМ ATMEGA128 фирмы ATMEL. МикроЭВМ предназначена для конфигурирования модуля и настройки остальных компонентов системы, управления визуализацией информации, полученной от первичных преобразователей, управления накоплением информации во флэш-памяти долговременного хранения, а также для обеспечения связи с внешними устройствами. К микроЭВМ подключены функциональная клавиатура, запоминающее устройство, предназначенное для хранения конфигурационных программ и меню.

Рисунок 3.1 — Модуль обработки и хранения информации

После включения питания микроЭВМ конфигурирует коммутационный процессор, выполненный на базе FPGA XILINX. Затем конфигурируется видеоадаптер, выполненный на базе FPGA XILINX. Видеоадаптер позволяет не только отображать растровую информацию, но и обеспечивает аппаратную поддержку специальных функций обработки изображений, ориентированных на медицинские приложения. Видеоадаптер и коммутационный процессор могут быть переконфигурированы в процессе работы. Коммутационный процессор может содержать узлы аппаратной поддержки для решения задач, необходимых в конкретных приложениях. Такая архитектура позволяет адаптировать модуль обработки и хранения информации под конкретную проблему. Также к коммутационному процессору подключены служебные устройства, предназначенные для поддержки службы реального времени, датчик температуры и цифро-аналоговый преобразователь для управления яркостью и контрастностью дисплея.

Далее, в соответствии с выбранной структурой модуля обработки и хранения информации, осуществляется загрузка программ в процессор DSP фирмы ANALOG DEVICES, используемый для поддержки функций цифровой обработки сигналов, полученных посредством периферийных модулей.

Интерфейс периферийных модулей является частью коммутационного процессора и также может быть сконфигурирован под конкретный интерфейс периферийных модулей, используемых в приборе.

Для связи с внешними устройствами используется интерфейс UART микроЭВМ и процессора DSP.

Как было отмечено выше при описании структурной схемы, ядром модуля обработки и хранения информации является процессор, выполненный на базе однокристальной микроЭВМ фирмы ATMEL ATmega128. Этот кристалл является главной функциональной частью созданного модуля обработки и хранения информации. Кристалл может устанавливаться на плату как запрограммированным одним из способов, рекомендованных фирмой ATMEL для данного кристалла, так и не запрограммированным.

В случае установки кристалла в запрограммированном виде, мы рекомендуем использовать режимы высоковольтного программирования, так как эти режимы обеспечивают гарантированную продолжительность сохранения информации во FLASH памяти программ и данных. Можно использовать программирование в параллельном высоковольтном режиме или в последовательном высоковольтном режиме. В этом случае процессор сразу готов к работе. Однако в случае необходимости, его можно будет перепрограммировать одним из способов, описанных ниже.

В случае если предполагается изменять программное обеспечение центрального процессора, рекомендуется программировать хотя бы загрузочный блок в высоковольтном режиме программирования.

Загрузка пользовательской программы осуществляется под управлением системной программы, находящейся в загрузочном блоке процессора.

После загрузки программного обеспечения устройство готово к работе.

Работа системы начинается с загрузки конфигурационных последовательностей по очереди в коммутационный процессор, процессор видеоадаптера и процессор цифровой обработки сигналов. Загрузка конфигурационных последовательностей осуществляется центральным процессором. Конфигурационные последовательности хранятся в последовательном запоминающем устройстве фирмы ATMEL AT45DB041 емкостью 4Мбита. Емкости последовательного запоминающего устройства достаточно, чтобы загрузить две программируемые логические интегральные схемы фирмы XILINX XC2S200 и процессор цифровой обработки сигналов фирмы ANALOG DEVICES ADSP — 2188M.

Конфигурационное последовательное запоминающее устройство можно устанавливать на плату модуля обработки и хранения информации, как в запрограммированном виде, так и незапрограммированную (чистую). Программирование конфигурационного последовательного запоминающего устройства в последнем случае осуществляется посредством передачи соответствующих файлов из персональной электронной вычислительной машины под управлением центрального процессора модуля обработки и хранения информации и размещение их по строго определенным адресам.

Для этого на персональном компьютере запускается соответствующее программное обеспечение, и центральный процессор переводится в режим программирования конфигурационного последовательного запоминающего устройства. Для программирования используется последовательный интерфейс SPI. Синхронизация осуществляется центральным процессором. Используется блочный режим записи.

Если в центральный процессор загружено программное обеспечение, то устройство готово к работе. По сигналу запуска процессор переходит к инициализации системы.

4. Разработка функциональной схемы Монитора пациента

4.1 Функциональная схема периферийного модуля Исходя из задач, решаемых периферийным процессором: управление аналоговым каналом ввода информации с датчиков, прием потоков данных от датчиков, первичная обработка потоков данных (фильтрация, децинация и т. д.), накопление информации с датчиков в устройствах долговременного хранения информации, передача информации в процессор отображения была разработана функциональная схема периферийного модуля, которая представлена на демонстрационном чертеже ГУИР.403 200.001 Э2.

Основой периферийного процессора является однокристальная микроЭВМ, функционирующая по жесткой программе и осуществляющая инициализацию всего процессора вцелом и управление его работой. Для обмена информацией между устройствами процессора служит коммутационная среда на базе программируемых логических интегральных схем. Конфигурирование программируемых логических интегральных схем осуществляется однокристальной микроЭВМ.

Информация для конфигурирования находится в последовательном запоминающем устройстве и считывается из него по последовательному интерфейсу. Далее полученная информация заносится в программируемую логическую интегральную схему, на базе которой образуется коммутационная среда. Такое решение позволяет легко адаптироваться к меняющемуся аналоговому оборудованию и позволяет иметь несколько возможных структур коммутационной среды.

Коммутационная среда позволяет однокристальной микроЭВМ управлять аналоговым каналом цифрового масштабирующего усилителя по последовательному интерфейсу, мультиплексором, устройством выборки хранения и аналого-цифровым преобразователем напрямую, а также получать информацию из аналого-цифрового преобразователя. Также коммутационная среда позволяет накапливать и извлекать данные, получаемые от датчиков в запоминающее устройство последовательного типа.

Также с помощью коммутационной среды образуется интерфейс для связи с процессором отображения. Для решения задач первичной обработки сигналов опционно в периферийный процессор может быть включен процессор цифровой обработки сигналов. Программирование его осуществляется через коммутационную среду. Программа находится в последовательном запоминающем устройстве. Процессор цифровой обработки сигналов может обмениваться данными непосредственно с каналом аналогового ввода или однокристальной электронной вычислительной машиной.

Такая функциональная схема позволяет обеспечить функциональную гибкость за счет введения адапционных функций (процессор цифровой обработки сигналов и коммутационная среда).

Особенностями разработки является применение интеллектуальных датчиков, выполняющих функцию предварительной обработки сигналов и их оцифровки. Применение последовательного протокола передачи (UART), возможность оперативного внесения изменений в формат передачи данных позволяют осуществлять построение территориально распределенных систем сбора информации с выводом ее как на специализированный монитор, так и на стандартный персональный компьютер. При использовании помехозащищенного кодирования и электрического интерфейса RS-485 осуществлять передачу на расстояние до 1200 м.

Входы аналого-цифрового преобразователя могут быть сконфигурированы как дифференциальные или как псевдодифференциальные. Интегральная микросхема имеет последовательный интерфейс. Установка коэффициента усиления и полярности сигнала выполняются программно через последовательный порт.

AD7714 имеет отличные статические характеристики: отсутствие пропущенных кодов до 24 разрядов, точность + 0, 0015% и малый шум (среднеквадратичное значение 140нВ). Ошибки на концах шкалы и эффекты температурного дрейфа устраняются внутренней автокалибровкой, при которой корректируются ошибки нуля и полной шкалы.

Микроконтроллер выполнен на базе микросхемы XC95288XL — высокопроизводительной CPLD фирмы Xilinx, состоящей из 16-ти 54V18 функциональных блоков (288 макро ячеек), емкостью 6400 логических вентилей и задержкой распространения сигнала контакт — контакт 10 нс. Микросхемы семейства XC9500XL могут использоваться в крупносерийной аппаратуре, а также в системах, где требуется перепрограммирование «на ходу» .

Особенности перепрограммируемых в системе программируемых логических интегральных схем CPLD семейства XC9500XL:

— корпуса малого размера VQFP, TQFP и CSP;

— совместимость по входу с 5 В, 3.3 В и 2.5 В сигналами;

— возможность программирования в системе;

— не менее 10 000 циклов запись/стирание;

— программирование/стирание в полном коммерческом и промышленном диапазоне напряжения питания и температур;

— гарантированный срок хранения конфигурации 20 лет;

— расширенные возможности закрепления выводов перед трассировкой;

— программируемый режим пониженной потребляемой мощности в каждой макро ячейке;

— расширенная возможность защиты схемы от копирования;

— полная поддержка периферийного сканирования в соответствии со стандартом IEEE Std1149/1 (JTAG).

Эти и другие особенности послужили основанием для выбора данной элементной базы. Микроконтроллер выполняет следующие функции:

— выполняет первоначальную запись требуемых значений внутренних регистров аналого-цифрового преобразователя;

— осуществляет опрос регистра данных аналого-цифрового преобразователя асинхронно или синхронно;

— может осуществлять (если это необходимо) предварительную цифровую обработку полученной информации (например, фильтрацию);

— формирование логического интерфейса UART для последующей передачи информации по последовательному интерфейсу;

— управление драйвером интерфейса RS-485.

В структуре канала измерения частоты дыхания по сравнению с каналом измерения температуры меняется только первичный преобразователь частоты дыхания.

Отличительной особенностью структуры канала измерения SPO₂ является наличие предварительного усилителя, усиливающего сигнал инфракрасного фотодиода и согласованного по выходу с аналого-цифровым преобразователем, инфракрасного излучателя, управляемого микроконтроллером.

Структура канала измерения артериального давления имеет свои характерные особенности. На входы аналого-цифрового преобразователя подаются сигналы от первичного преобразователя артериального давления и микрофон, считывание информации происходит поочередно с двух преобразователей. А контроллер помимо интерфейса управляет драйвером двигателя компрессора в соответствии с заданным алгоритмом.

Структура канала измерения электрокардиограммы, приведенная на рисунке 4.1, имеет большие отличия от вышеописанных каналов. Вследствие того, что необходимо снимать информацию с трех отведений одновременно, три электрода подключаются попарно к изолирующим усилителям I, II, III. Далее усиленные сигналы попадают на аналоговые преобразователи I, II, III. Микроконтроллер управляет тремя АЦП одновременно и драйвером интерфейса. Информация через драйвер интерфейса в общем потоке поступает на устройство сбора, обработки, вывода информации и управления.

Рисунок 4.1 — Структура канала измерения ЭКГ

4.2 Функциональная схема видеоконтроллера Разрабатываемое устройство относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике, в частности, к контроллерам устройств отображения и может быть использовано для управления дисплеями различного типа.

В настоящее время построение конкурентоспособной электронной аппаратуры невозможно без применения графических цветных устройств отображения. Для управления устройствами отображения используются специализированные контроллеры. Основными функциями контроллеров являются: формирование требуемой последовательности управляющих сигналов; формирование на устройстве отображения символьной и графической информации в соответствии с перечнем команд; разгрузка центрального процессора от операций по обработке изображения. Последняя весьма важна, поскольку работа с графическими изображениями требует значительной вычислительной мощности. Реализация дополнительных функций обработки изображения контроллером устройства отображения позволяет разгрузить центральный процессор и использовать его для реализации других алгоритмов управления и обработки информации, либо использовать в составе системы менее производительные и, следовательно, более дешевые центральные процессорные устройства.

Одной из распространенных функций видеосистем является сдвиг части или всего изображения экрана. Практически каждый известный видеоконтроллер реализует функцию вертикальной прокрутки (скроллинга) экрана. В ряде применений, связанных, например, с отображением различных временных зависимостей, необходимо обеспечивать горизонтальную прокрутку изображения экрана или его части. В качестве областей применения такой функции видеосистем можно указать осциллографию, электрокардиографию, пульсоксиметрию, компьютерную анимацию и т. п.

Известные видеоконтроллеры содержат запоминающее устройство с произвольной выборкой для хранения информации о цвете пикселя (видеопамять); схему синхронизации для формирования сигналов строчной и кадровой развертки; схему управления для формирования требуемой последовательности управляющих сигналов; регистры для хранения адреса пикселя и кода цвета пикселя; интерфейсную схему для сопряжения с устройством отображения [1, 2]. Однако данные контроллеры не реализуют функцию прокрутки изображения экрана.

Устройства [3, 4] реализуют прокрутку статического изображения, однако они не реализуют функцию обновления освобождающейся при сдвиге строки или столбца окна прокрутки новой информацией. Эта функция необходима для отображения временных диаграмм сигналов в реальном масштабе времени, поскольку в освобождающуюся строку или столбец необходимо постоянно заносить новую информацию, поступающую от первичных преобразователей. Другим недостатком существующих видеоконтроллеров является отсутствие возможности независимой прокрутки изображения в нескольких областях экрана. Данная функция необходима, например, при одновременном отображении на экране монитора пациента нескольких временных зависимостей электрокардиограмм по разным отведениям, фотоплетизмограммы и временной зависимости содержания углекислого газа в выдыхаемом воздухе.

Наиболее близким к заявляемому видеоконтроллеру является устройство [5], в котором предложена схема для вычисления адреса видеопамяти. Прокрутка изображения реализуется путем вычисления адреса видеопамяти для текущей позиции пикселя экрана перед ее отображением на дисплее. Для этой цели устройство содержит регистры адреса видеопамяти, сумматоры для сложения текущего адреса видеопамяти со значением числа позиций прокрутки, схему синхронизации и видеопамять. Указанное устройство обладает следующими недостатками: отсутствует функция обновления освобождающейся при сдвиге строки или столбца в окне прокрутки новой информацией, отсутствует возможность независимой прокрутки изображения в нескольких областях экрана, отсутствует возможность прокрутки изображения по кольцу (изображение, выдвигаемое из первой строки или столбца окна прокрутки, отображается в последней строке или столбце). Данная функция важна при прокрутке циклических изображений, например, при отображении периодических зависимостей.

Целью разработки является — сокращение времени прокрутки изображения на экране дисплея, создание на экране нескольких прямоугольных окон произвольного размера с независимой прокруткой в каждом, обновление освобождающейся при сдвиге строки или столбца окна прокрутки новой информацией, реализация прокрутки изображения по кольцу и разгрузка центрального процессора от выполнения данных операций.

В прокручиваемом изображении имеется неизменяемая часть, которая уже хранится в видеопамяти. Такой частью является все изображение в окне прокрутки, кроме освобождающейся при сдвиге крайней строки (при вертикальной прокрутке) или крайнего столбца (при горизонтальной прокрутке). При прокрутке изображения по кольцу обновляемая часть изображения отсутствует, и все изображение полностью хранится в видеопамяти, необходимо только обеспечить отображение информации в нужных областях экрана.

Отображение графической информации на экране дисплея осуществляется путем вывода пикселя с кодом цвета, хранящимся в ячейке видеопамяти с адресом, соответствующим текущим адресам строки и столбца пикселя на экране. При попадании в окно прокрутки адрес текущего пикселя пересчитывается. Окно имеет прямоугольную форму и задается двумя углами — левым верхним и правым нижним. Ниже приводятся выражения для расчета адресов при различных вариантах сдвига. В этих выражениях приняты следующие обозначения:

AC — текущий адрес столбца экрана;

AR — текущий адрес строки экрана;

CP — значение счетчика позиций, на которые нужно осуществить сдвиг;

ACL — адрес столбца левого верхнего угла окна прокрутки;

ACR — адрес столбца правого нижнего угла окна прокрутки;

ARL — адрес строки левого верхнего угла окна прокрутки;

ARRадрес строки правого нижнего угла окна прокрутки;

ACMR — адрес столбца в видеопамяти, по которому будет произведено чтение данных;

ARMR — адрес строки в видеопамяти, по которому будет произведено чтение данных;

ACMW — адрес последнего столбца в видеопамяти для записи новых данных в прокручиваемое окно;

ARMW — адрес последней строки в видеопамяти для записи новых данных в прокручиваемое окно.

Горизонтальная прокрутка справа налево.

Адрес строки не пересчитывается. Адрес столбца для окна прокрутки (ACL AC ACR и ARL AR ARR):

(4.1)

В выражении (4.1) необходимо иметь в виду, что счетчик позиций сдвига должен быть сброшен по достижении условия

CP=ACR-ACL+1 (4.2)

либо иметь соответствующий коэффициент пересчета.

Адрес последнего столбца для добавления новой информации в окно прокрутки

(4.3)

Горизонтальная прокрутка слева направо.

Адрес строки не пересчитывается. Адрес столбца для окна прокрутки (ACL AC ACR и ARL AR ARR):

(4.4)

В выражении (4.4) необходимо иметь в виду, что счетчик позиций сдвига должен быть сброшен по достижении условия (4.2)

Адрес последнего столбца для добавления новой информации в окно прокрутки

(4.5)

Вертикальная прокрутка снизу-вверх.

Адрес столбца не пересчитывается. Адрес строки для окна прокрутки (ARL AR ARR и ACL AC ACR):

(4.6)

В выражении (4.6) необходимо иметь в виду, что счетчик позиций сдвига должен быть сброшен по достижении условия

CP=ARR-ARL+1 (4.7)

Адрес последней строки для добавления новой информации в окно прокрутки

(4.8)

Вертикальная прокрутка сверху-вниз.

Адрес столбца не пересчитывается. Адрес строки для окна прокрутки (ARL AR ARR и ACL AC ACR):

(4.9)

В выражении (4.9) необходимо иметь в виду, что счетчик позиций сдвига должен быть сброшен по достижении условия (4.7).

Адрес последней строки для добавления новой информации в окно прокрутки

(4.10)

Структурная схема предлагаемого видеоконтроллера приведена демонстрационном чертеже ГУИР.403 200.001 Э2.

Схема содержит шину данных 1 для приема видеоданных от центрального процессора; шину команд 2 для приема команд от центрального процессора; схему управления 3, представляющую собой синхронный автомат для выработки управляющих сигналов видеоконтроллера; схему синхронизации 4, предназначенную для генерации сигналов синхронизации; схему формирования сигналов синхронизации устройства отображения 5, предназначенную для формирования сигналов строчной и кадровой разверток и сигнала разрешения отображения данных; регистр состояния 6, предназначенный для хранения состояния видеоконтроллера; схему сопряжения с устройством отображения 7, предназначенную для реализации интерфейса данных конкретного типа устройства отображения; буфер ввода-вывода 8, предназначенный для подключения регистров видеоконтроллера к шине данных; регистр номера окна 9, предназначенный для хранения кода окна прокрутки и используемый при обновлении крайней строки или столбца соответствующего окна; входной регистр цвета 10, предназначенный для хранения кода цвета пикселя при записи в видеопамять; выходной регистр цвета 11, предназначенный для хранения кода цвета пикселя, считываемого из видеопамяти; счетчик текущего адреса столбца экрана 12, предназначенный для хранения и наращивания значения адреса текущего столбца пикселей экрана устройства отображения; счетчик текущего адреса строки экрана 13, предназначенный для хранения и наращивания значения адреса текущей строки пикселей экрана устройства отображения; N схем управления окном прокрутки 14 для N независимых окон прокрутки изображения, предназначенных для вычисления адреса видеопамяти в соответствующем окне, управления записью в крайний столбец (строку) окна, формирования сигналов попадания текущего адреса позиции экрана в окно прокрутки и завершения записи в видеопамять линии заданной длины; схему управления мультиплексором адреса видеопамяти 15; схему формирования сигналов записи/чтения видеопамяти 16; буфер ввода-вывода данных видеопамяти 17; мультиплексор адреса столбца видеопамяти 18; регистр адреса столбца видеопамяти 19; видеопамять 20; мультиплексор адреса строки видеопамяти 21; регистр адреса строки видеопамяти 22; шину управления видеоконтроллера 23, предназначенную для передачи сигналов управления видеоконтроллера. Для упрощения чертежа не показаны подключения некоторых блоков видеоконтроллера к шине управления.

Схема содержит шину адреса столбца экрана 24; шину адреса строки экрана 25; регистр-счетчик 26, предназначенный для хранения и инкрементирования адреса строки или столбца при операциях записи в крайний столбец (строку) окна прокрутки; регистр адреса столбца левого верхнего угла окна (ACL) 27; регистр адреса столбца правого нижнего угла окна (ACR) 28; регистр адреса строки правого нижнего угла окна (ARR) 29; регистр адреса строки левого верхнего угла окна (ARL) 30; счетчик позиций сдвига (CP) 31, предназначенный для хранения позиций сдвига и подсчета числа сдвигов; регистр направления 32, предназначенный для хранения кода направления прокрутки; счетчик длины 33, предназначенный для хранения и декрементирования количества пикселей одного цвета при операциях записи в крайний столбец (строку) окна прокрутки; первый сумматор 34; компаратор адреса 35, предназначенный для выработки сигнала попадания текущего адреса позиции экрана в окно прокрутки; пятый сумматор 36; второй сумматор 37; схему формирования сигнала сброса счетчика позиций 38; шестой сумматор 39; схему управления мультиплексорами 40; первый мультиплексор 41; второй мультиплексор 42; сумматор величины числа позиций прокрутки со значением адреса столбца 43; третий, четвертый, восьмой и седьмой сумматоры — соответственно 44, 45, 46 и 47; сумматор величины числа позиций прокрутки со значением адреса строки 48; мультиплексор адреса столбца 49; мультиплексор адреса строки 50. Схема управления окном прокрутки вырабатывает сигнал попадания адреса позиции экрана в окно прокрутки 51 и формирует адрес столбца видеопамяти 52 и адрес строки видеопамяти 53.

Устройство работает следующим образом. Центральный процессор устанавливает команду видеоконтроллера на шину команд 2. Если команда связана с передачей данных, то предварительно на шину данных 1 устанавливаются требуемые данные. Такими данными могут являться: код цвета, адрес столбца или строки, номер зоны и т. п. Схема управления 3 принимает команду и обеспечивает формирование требуемой последовательности управляющих сигналов в соответствии с частотой синхронизации, вырабатываемой схемой синхронизации 4. Видеоконтроллер постоянно, в соответствии с сигналами синхронизации, формируемыми схемой синхронизации устройства отображения 5, осуществляет чтение ячеек видеопамяти 20 и передачу кода, соответствующего цвету пикселя, на экран устройства отображения через буфер ввода-вывода 17, регистр цвета 11 и схему сопряжения с устройством отображения 7.

Предполагается, что циклы чтения/записи при работе с видеопамятью периодически чередуются: цикл чтения, цикл записи (возможно пустой при отсутствии необходимости записи в видеопамять), цикл чтения, цикл записи и т. д. Поэтому работа с памятью и при записи и при чтении осуществляется через один порт. В случае достаточно редких операций записи можно использовать запись только в конце каждой строки или в конце каждого кадра.

Для формирования адресов ячеек видеопамяти и позиций пикселей на экране используются счетчики адреса столбца 12 и адреса строки 13. Сигнал переноса счетчика адреса столбца 12 разрешает инкремент счетчика адреса строки 13. Работа счетчиков синхронизируется сигналами от схемы синхронизации 4 и схемы формирования сигналов синхронизации устройства отображения 5. При выполнении чтения из видеопамяти с последующим отображением пикселей на экране при отсутствии окон прокрутки имеет место равенство значений адресов столбца и строки пикселя на экране и адресов столбца и строки ячейки видеопамяти. При наличии окон прокрутки эти адреса должны быть пересчитаны в соответствии с выражениями (4.1), (4.4), (4.6) или (4.9) в зависимости от направления прокрутки. Данная функция реализуется с помощью введения схем управления окном прокрутки 14, мультиплексоров адресов столбца 18 и строки 21 ячейки видеопамяти и схемы управления мультиплексорами адресов ячейки видеопамяти 15. При необходимости организации N независимых окон прокрутки необходимо иметь N схем управления окном прокрутки и N-входовые мультиплексоры адресов столбца и строки видеопамяти. Для корректной прокрутки изображения окна не должны перекрываться. Каждая схема управления окном прокрутки формирует на своем выходе адрес столбца, адрес строки, сигнал попадания позиции пикселя на экране в зону прокрутки (сигнал зоны) и сигнал завершения записи линии заданной длины. Адресные сигналы подаются на соответствующие мультиплексоры, сигнал зоны подается на схему управления мультиплексорами адреса строки и столбца видеопамяти, что позволяет передать адреса с соответствующих входов мультиплексоров на регистры адреса строки 22 и столбца 19 и далее на адресные входы видеопамяти 20. При отсутствии окон в регистрах адреса запоминается адрес, поступающий с первой схемы управления окном прокрутки.