Измерительные системы мониторинга с заданными метрологическими характеристиками

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Измерительные системы мониторинга с заданными метрологическими характеристиками (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, терминов
Глава 1. Обзор методов и средств медицинского мониторинга
- 1. 1. Анализ объекта как источника информации
- 1. 2. Анализ существующих методов функциональной диагностики для применения в мониторинге ВНС
- 1. 3. Система мониторинга с заданными метрологическими характеристиками
Выводы
Глава 2. Метод проектирования систем мониторинга с регулируемой метрологией
- 2. 1. Анализ принципов проектирования средств измерения
- 2. 2. Синтез оператора системы мониторинга в категориальной форме
- 2. 3. Синтез структуры графа системы мониторинга
Выводы
Глава 3. Метрологический анализ системы мониторинга с регулируемой метрологией
- 3. 1. Определение типичных параметров моделей измерительных модулей
- 3. 2. Метрологический анализ системы мониторинга
- 3. 3. Теоретический метрологический расчет канала измерения
Выводы
Глава 4. Проведение аттестации и медицинского эксперимента
- 4. 1. Методика проведения аттестации систем мониторинга
- 4. 2. Методика медицинского эксперимента и описание экспериментальной установки
- 4. 4. Анализ результатов медицинского эксперимента
Выводы

Средства измерения медицинского назначения представляют собой сложную систему, имеющую на входе огромное количество разнородной информации с различным уровнем помех. Преобразование и анализ полученной информации должен обеспечить показатели с достаточной степенью достоверности для постановки диагноза или принятий каких либо решений. Поэтому вопрос точности конкретного прибора (или метода) и однородности характеристик группы приборов является в медицинском приборостроении одним из важных. Метрологические характеристики результатов измерения, полученных при проведении методик диагностики, обычно формируются на основе многочисленных исследований, при этом статистическими методами определяются вид получаемой информации с объекта (живого организма) и степень точности измерения этой информации, обеспечивающей необходимый уровень достоверности для анализа и принятия решения. Соответственно, требования к преобразованию информации: вид и точность преобразования, — и определяют метрологические характеристики аппаратуры. Для создания аппаратуры с заданными параметрами используют различные приемы проектирования. Эти способы имеют различную, в первую очередь, экономическую эффективность, т. е. затраты времени и материальных ресурсов на проведение процесса разработки. В медицинском приборостроении ужесточение оценок качества проектирования требует пристального внимания к эффективности разработки. Поэтому в работе рассматриваются вопросы проектирования систем измерения медицинского назначения с заданными характеристиками.

Самым развивающимися являются методы диагностики, направленные на изучение систем регуляции ВНС. Так как в настоящее время модели объектов (ВНС) только развиваются, то становятся актуальными вопросы отношения объектов и систем измерения. В первой главе проведен анализ отношения объекта и системы измерения. 5.

Рассмотрен порядок формирования модели объекта измерения. Анализ показал, что для идентификации сложных объектов, как, например, организма человека, необходимо применение регулирования метрологических характеристик систем измерения при проектировании и при эксплуатации. При этом анализ различных диагностических методик показал, что системы мониторинга на сегодняшний день являются наиболее эффективными средствами контроля, диагностики и лечения, следовательно, дальнейшие их развитие является наиболее перспективным направлением в медицинской технике. А применение мониторинга биофизического состояния на основе инструментальной рефлексодиагностики не только расширяет возможности диагностики и лечения существующих приемов рефлексотерапии, но имеет преимущество по сравнению с другими методами мониторинга, например: в количестве исследуемых подсистем организма, в безопасности и эффективности. Следовательно, целью диссертационной работы является: а) разработка методики эффективного проектирования измерительных систем медицинского мониторинга с заданными метрологическими характеристиками при построении моделей объекта измеренияб) проектирование и создание комплекса мониторинга биофизического состояния акупунктурной системы человека с заданными метрологическими характеристиками.

Во второй главе рассмотрена методика проектирования системы мониторинга с заданными метрологическими характеристиками. Проектирование заключается в формализации процесса измерения и построения измерительного уравнения. При этом предложены модели элементарных преобразователей. В основе моделей входят функции или операции преобразования (или трансформации) различных категорий информации: параметров сигналов, параметров преобразователей, метрологических характеристик (погрешностей и т. д.). В результате на основе измерительного уравнения, полученном на его основе графа преобразования и моделей измерительных модулей строится граф поэтапного преобразования различных категорий информации.

В третьей главе рассмотрены вопросы практического применения методики проектирования. Определен набор преобразователей (модулей) системы мониторинга, имеющих аппаратную реализацию, и имеющих широкое применение в системах измерения: цифро-аналоговый преобразовательпреобразователь-формирователь тока воздействияэлектродная системаобъект измеренияаналоговый коммутатораналоговые входные преобразователианалогово-цифровой преобразовательсистемы управления и цифровой обработки сигнала. Для каждого модуля определены типичные категории информации, параметры, функции преобразования и трансформации. Проведен анализ формирования различных метрологических характеристик системы мониторинга на основе модели канала измерения: методической и инструментальной погрешности, статической и динамической погрешности, систематической и случайной погрешности и т. д. Проанализированы основные способы формирования метрологических характеристик и предложены способы их регулирования. В результате метрологического анализа проведена коррекция структуры графа преобразования.

В четвертой главе рассмотрены вопросы проведения метрологического и медико-клинического экспериментов. На основе рекомендации и методик ГОСТа разработан порядок метрологической аттестации системы мониторинга. По результатам метрологического эксперимента получены характеристики системы и сформированы корректирующие функции преобразования. Проведена серия медицинских экспериментов по изучению биоритмологического проявления систем регуляции ВНС, показавшая состоятельность применения мониторинга акупунктурной системы человека для контроля проведения различных терапевтических процедур.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

— предложена модель объекта измерения и его взаимодействия с системой измерения при регистрации проявления регуляции ВНС;

— разработана универсальная модель модулей преобразования, входящих в состав системы мониторинга, и основанная на трансформации различных видов информации;

— разработаны детальные модели модулей преобразования различных видов информации, типичных для аппаратно-программной реализации;

— предложен способ построения графа поэтапной трансформации всех видов информации в канале измерения системы;

Практическая ценность заключается в следующем:

— определены параметры моделей типичных преобразователей систем медицинского мониторинга;

— определены основные способы формирования метрологических характеристик и предложены способы их регулирования;

— показана эффективность использования системы мониторинга биофизического состояния акупунктурной системы человека при проведении лечебной методики «ТЭС».

— применение метода проектирования с заданными метрологическими характеристиками повышает эффективность разработки систем измерения медицинского назначения;

— порядок проектирования позволяет использовать элементы схемотехники со средними характеристиками с сохранением функциональных и метрологических показателей всей системы мониторинга.

Основные выводы и результаты.

1) Анализ процесса медицинской диагностики показал, что при построении адекватных диагностических моделей, измерительная система должна обладать следующими свойствами:

— достаточной степенью автоматизации проведения процесса диагностики, что приводит к уменьшению времени диагностики и увеличивает ее достоверность и объективностьсистема должна позволять проводить мониторинг достаточного количества точек объекта по различным параметрам и в течение длительного времени для обеспечения определения состояния различных подсистем организма с учетом их биоритмологической активности.

2) Выявлено, что при построении адекватной диагностической модели на начальном ее этапе развития основным звеном, которое существенно влияет на время и стоимость процесса построения модели, является проектирование и реализация измерительной системы с заданными метрологическими характеристиками. При этом существующие приемы проектирования недостаточно эффективны по следующим причинам:

— в недостаточной степени разработаны модели взаимодействия объекта и измерительной системы медицинского мониторинга;

— существующие метрологические модели каналов измерения не учитывают широкий спектр метрологических характеристик реальных модулей преобразования, из которых состоит измерительная система;

— слабо формализованы описания или модели типичных преобразовательных модулей.

Следовательно, необходимо применять более гибкие подходы в проектировании систем медицинского мониторинга с заданными метрологическими характеристиками.

3) Разработанные формализация процесса измерения, модели преобразовательных модулей, каналов измерения и порядок их метрологического анализа позволили построить методику проектирования систем медицинского мониторинга с заданными метрологическими характеристиками, основными этапами которой являются следующие:

— формализация процесса измерения на основе данных технического задания и исследования предметной области;

— формирование предварительных данных диагностической модели и параметров взаимодействия с объектом;

— составление измерительного уравнения системы измерения в операциональной форме, т. е. совокупности элементарных измерительных преобразователей и их моделей;

— декомпозиция измерительного уравнения до операций, имеющих широкое применение в измерительной практике и являющихся функционально законченными;

— дополнительная декомпозиция до операций, соответствующих аппаратно реализуемым преобразовательным модулям;

— построение структуры системы измерения на основе измерительного уравнения;

— составление и параметризация моделей преобразовательных модулей, вошедших в состав системы;

— построение графа поэтапного преобразования различных видов информации в канале измерения, влияющих на метрологические характеристики системы;

— проведение метрологического анализа на основе полученного графа и моделей преобразовательных модулей;

— корректировка структуры системы и параметризация преобразовательных модулей для достижения необходимых метрологических характеристик системы;

— реализация системы, проведение поверки и метрологического эксперимента для формирования таблиц коррекции результатов измерения.

4) Проведенные этапы проектирования, реализации и поверки комплекса мониторинга акупунктурной системы человека показали:

— предложенный метод проектирования значительно уменьшает количество итерационных этапов блочно-функционального распределения и параметризации;

— полученные метрологические характеристики системы удовлетворяют заявленным значениям для построения диагностической модели;

— совмещение метрологического анализа и этапа параметризации привело к достижению необходимых метрологических характеристик измерительной системы с использованием минимального количества преобразовательных модулей, имеющих повышенные показатели стоимость/точность.

5) Проведенная серия медицинских экспериментов по изучению биоритмологического проявления систем регуляции ВНС на основе реализованной системы мониторинга показала:

— адекватность предложенной модели взаимодействия объекта и системы мониторинга;

— адекватность методики современным направлениям инструментальной рефлексодиагностики;

— гибкость и эффективность при построении диагностической модели состояния систем организма.

Показать весь текст

Список литературы

Фролов М. В., Милованова Г. Б. Электрофизиологические помехи и контроль состояния человека-оператора. М.: «Эдиториал УРСС», 1996 г., 160 с.
Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: Учеб. пособие / Е. П. Попечителев, Н. А. Кореневский- Под ред. Е. П. Попечителева. М.: Высш. шк., 2002 г., 470 с.
Рагульская М. В., Любимов В. В. Приборное изучение воздействия магнитных полей на БАТ человека: методы, средства, результаты // «Журнал радиоэлектроники», № 11,2000 г.
Вернер Ф. Основы электроакупунктуры. М.: ИМЕДИС, 1993 г., 182 с.
Иглоукалывание / Под общей ред. Хоанг Бао Тяу, Ла Куанг Ниеп- пер. с въет. Алешина П. И. -М.: Медицина, 1988 г., 672 с.
Избранные тезисы и доклады II (1996 г.) и III (1997 г.) Международных конференций «Теоретические и клинические аспекты применения биорезонансной и мультирезонансной терапии». М.: ИМЕДИС, 1999 г., 528 с.
Крамер Ф. Учебник по электроакупунктуре: В 2-х томах: Т. 1./ Пер. с нем. -М.: ИМЕДИС, 1995 г., 192 с.
Крамер Ф. Учебник по электроакупунктуре: В 2-х томах: Т. 2./ Пер. с нем. М.: ИМЕДИС, 1995 г., 272 с.
Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество: Количественный подход: Пер. с англ. М.: Мир, 1991 г., 366 с.
Тезисы и доклады IV Международной конференции «Теоретические и клинические аспекты применения биорезонансной и мультирезонансной терапии». М/. ИМЕДИС, Ч. 1,1998 г., 368 с.
Тезисы и доклады IV Международной конференции «Теоретические и клинические аспекты применения биорезонансной и мультирезонансной терапии». М.: ИМЕДИС, Ч. II, 1998 г., 336 с.
Тезисы и доклады V Международной конференции «Теоретические и клинические аспекты применения биорезонансной и мультирезонансной терапии». М.: ИМЕДИС, Ч. I, 1999 г., 384 с.
Тезисы и доклады V Международной конференции «Теоретические и клинические аспекты применения биорезонансной и мультирезонансной терапии». М.: ИМЕДИС, Ч. И, 1999 г., 384 с.
Жигайло Т. JL, Евдокимова Г. А., Козлов Е. И. Зависимость сопротивления БАТ от времени измерений. Вопросы медицинской электроники. // Межведомственный тематический научный сборник. Таганрог, ТРТИ, 1984 г., вып. И5, с. 119−121.
Рагульская М. В., Хабарова О. В., Обридко В. Н., Дмитриева И. В. Влияние солнечных возмущений на функционирование и синхронизацию человеческого организма // «Журнал радиоэлектроники», № 10, 2000 г.
Волкова JI. В. Спектральные характеристики годичных ритмов психофизиологических свойств индивидуальности // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата психологических наук, Уфа, 1998 г.
Гаркави JI. X., Квакина Е. Б., Кузьменко Т. С. Антистрессорные реакции и активационная терапия. Реакция активации как путь к здоровью через процессы самоорганизации. М.: «ИМЕДИС», 1998 г., 656 с.
Агулова JI. П. Биоритмологические закономерности формирования компенсаторно-приспособительных реакций в условиях клинической модели стресса // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук, Томск, 1999 г.
Ложкина А. Н. Флуктуации в физиологии. Поиск закономерностей. // Забайкальский медицинский вестник. 1997. -N½. — С.51−56.
Степанов А. М. Акупунктура древние и современные взгляды на явление // Журнал благотворительного фонда «Дельфис», № 1, 1999 г., С. 60−66.
Калакутский Л. И., Манелис Э. С. Аппаратура и методы клинического мониторинга: Учебное пособие Самара: Самарский государственный аэрокосмический ун-т., 1999 г., 161 с.
Мишин А. Т., Логинов А. С. Инфра-низкочастотные усилители бионапряжений с гальваническим разделением входа и выхода. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., 80 с.
Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество: Количественный подход / Пер. с англ. -М.: Мир, 1991 г., 366 с.
Загускин С. Л. Биоритмы: энергетика и управление. // Препринт ИОФАН N236 М., 1986 г., 56 с.
Загускин С. Л., Гринченко С. Н., Бродский В. Я. Взаимодействие околочасового и околосуточного ритма: кибернетическая модель / Известия РАН, серия биологическая, N6, 1991 г., С. 965−969.
Плотников А. В. Цифровой монитор для суточной регистрации ЭКГ // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2000 г.
Прилуцкий Д. А. Электрокардиографическая система на основе сигма-дельта аналогово-цифрового преобразования // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 1998 г.
Вайсман М. В. Построение алгоритмов и средств испытаний многоканальных цифровых электрокардиографов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2000 г.
Портнов Ф.Г. Электропунктурная рефлексотерапия. Рига: Зинатне, 1988 г., 352 с.
Миф Н. П. Модели и оценка погрешности технических измерений. -М., Изд-во стандартов, 1976 г., 144 с.
Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация) / Под ред. Е. Т. Удовиченко. М.: Изд-во стандартов, 1991 г., 192 с.
Браславский Д. А., Петров В. В. Точность измерительных устройств. М., «Машиностроение», 1976 г., 311 с.
Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2000 г., 462 с.
Земельман М. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.: Изд-во стандартов, 1972 г., 200 с.
Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А. А., Шекиханов А. М. Итерационные методы повышения точности измерений. М.: Энергоатомиздат, 1986 г., 168 с.
Бромберг Э. М., Куликовский К. Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М., 1978 г.
Цветков Э. И. Основы математической метрологии. Ч. I. С-Пб., 2001 г., 88 с.
Цветков Э. И. Основы математической метрологии. Ч. И. — С-Пб., 2001 г., 106 с.
Цветков Э. И. Основы математической метрологии. Ч. III. С-Пб., 2002 г., 86 с.
Цветков Э. И. Основы математической метрологии. Ч. IV. С-Пб., 2002 г., 106 с.
Муха Ю.П. Структурные методы в проектировании сложных систем. Ч. I, II: Учеб. пособие. Волгоградский политехнический институт, 1993 г. 1. Глава 3.
Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И., Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Сов. радио, 1980 г., 224 с.
Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А. А. Измерительная техника: Учеб. пособие для техн. вузов. М.: Высш. шк., 1991 г., 384 с.
Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — 2-е изд., перераб. и доп. — JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988 г., 304 с.
Иванцов А. И. Основы теории точности измерительных устройств: Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство стандартов, 1972 г., 212с.
Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1 М.: ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.
Кауфман М., Сидман А. Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник в 2 т.: Т. 2: Пер. с англ./ Под ред. Покровского Ф. Н., -М.: Энергоатомиздат, 1993 г. 288 с.
Новицикий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. — JL: Энергоатомиздат, 1991 г., 304 с.
Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях: Пер. с англ./ под ред. Молодяну А. П.-М.: БИНОМ, 1994 г., 352 с.
Рудзит Ф. А., Плуталов В. Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении: Учеб. пособие для студентов приборостроительных специальностей вузов. М.: «Машиностроение», 1991 г., 304 с.
Р. В. Литовкин. Погрешности измерений в электронных медицинских системах: теоретический и практический расчеты. // Журнал «Биомедицинские технологии и радиэлектроника». № 4. 2002 г.
A. Rich. Understanding interference-type noise. //Application notes. Analog Devices.
B. Carter, P. Rowland, J. Karki, P. Miller. Amplifiers and Bits: An introduction to selecting amplifiers for data converters. // Application report. Texas Instruments Incorporated.
B. Clarke. Find Op Amp noise spreadsheet. //Application notes. Analog Devices.
D. Sheehan, M. Smith. Bandwidth, OFF isolation and crosstalk performance of the ADG5XXA multiplexer series. //Application notes. Analog Devices.
E. Nash. Errors and error budget analysis in instrumentation amplifier applications. //Application notes. Analog Devices.
Fundamentals of sampled data systems. //Application notes. Analog Devices.
J. Buxton. Careful design tames high speed Op Amps. //Application notes. Analog Devices.
J. Johnston. Switched-capacitor AID converter input structures. //Application notes. A Cirrus Logic Company.
J. R. Riskin. A User’s guide to 1С instrumentation amplifiers. //Application notes. Analog Devices.
J. Reidy. AD7672 converter delivers 12-bit 200 kHz sampling systems. //Application notes. Analog Devices.
J. Whitmore. Behind the switch symbol. Use CMOS analog switches more effectively when you consider them as circuits. //Application notes. Analog Devices.
J. Wynne. CMOS DACs and Op Amps combine to build programmable gain amplifiers Part I. //Application notes. Analog Devices.
J. Wynne. CMOS DACs and Op Amps combine to build programmable gain amplifiers Part II. //Application notes. Analog Devices.
Jerry Horn. Interleaving analog-to-digital converters. // Application bulletin. Texas Instruments Incorporated.
John Austin. Getting the full potential from your ADC. // Application report. Texas Instruments Incorporated.
L. Smith, D. H. Sheingold. Noise and operational amplifier circuits. //Application notes. Analog Devices.
Minimizations of noise in operational amplifiers applications. // Application notes. Precision Monolithics Inc.
Principles of data acquisition and conversion. // Application bulletin. Texas Instruments Incorporated.
R. I. Demrow. Settling time of operational amplifiers. //Application notes. Analog Devices.
R. Moghimi. Ways to optimize the performance of a difference amplifier. //Application notes. Analog Devices.
R. Stata. Operational integrators. //Application notes. Analog Devices.
R. Stata. User’s guide to applying and measuring operational amplifiers specifications. //Application notes. Analog Devices.
T. Kugelstadt. Switched-capacitor ADC analog input calculations. // Application report. Texas Instruments Incorporated.
Understanding crosstalk in analog multiplexers. //Application notes. Analog Devices.
Understanding data converters. // Application report. Texas Instruments Incorporated.
Using Sigma-Delta converters Part 1. //Application notes. Analog Devices.
Using Sigma-Delta converters Part 2. //Application notes. Analog Devices.
W. Jung. Applying 1С sample-hold amplifiers. //Application notes. Analog Devices.
W. Kester. Test video AID converters under dynamic conditions. //Application notes. Analog Devices.
What designers should know about data converter drift. // Application bulletin. Texas Instruments Incorporated.1. Глава 4.
Измерения в электронике: Справочник/Кузнецов В. А., Долгов В. А., Коневских В. М. и др.- Под ред. Кузнецова В. А. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., 512 с.
Вайсман М. В. Построение алгоритмов и средств испытаний многоканальных цифровых электрокардиографов/Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2000 г.
ГОСТ 11 294–81. Линии измерительные. Технические требования. Методы испытаний.
ГОСТ 8.497−83. Амперметры, вольтметры, ваттметры, варметры. Методы и средства поверки.
ГОСТ 8.513−84. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения.
ГОСТ 8.401−80. Классы точности средств измерений. Общие требования.
Стандарт МЭК 601−1. Изделия медицинские электрические.
ГОСТ Р 50 326−92 (МЭК 513−76). Основные принципы безопасности электрического оборудования, применяемого в медицинской практике.
ГОСТ Р 50 444−92. Приборы, аппараты и оборудование медицинские. Общие технические условия.
ГОСТ 25 995–83 (СТ СЭВ 3932−82). Электроды для съема биоэлектрических биопотенциалов. Общие технические требования и методы испытания.
Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А. А. Измерительная техника: Учеб. пособие для техн. вузов. -М.: Высш. шк., 1991 г., 384 с.

Заполнить форму текущей работой