Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

Алексанян Г.К. 1 Кучер А.И. 1 Щербаков И.Д. 1 Щербакова М.В. 1
1 Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова
В работе рассмотрены основные принципы построения программного обеспечения блока измерения в составе аппаратно-программного комплекса многоракурсной электроимпедансной томографии. Проанализированы представленные ранее программные решения. На основе проведенного анализа выдвинуты требования к алгоритмам функционирования основных компонентов аппаратной части системы трехмерной электроимпедансной томографии с учетом специфики их совместного использования. Разработаны и приведены структурные схемы как аппаратно-программного комплекса, так и блока измерения непосредственно. На основании выдвинутых требований и построенных структурных схем разработаны алгоритмы автоматического управления процессом получения измерительных данных методом многоракурсной электроимпедансной томографии, дано их подробное описание. Представлены блок-схемы разработанных алгоритмов, которые охватывают весь спектр выполняемых операций: от выбора электродного пояса, переключения отдельных инжектирующих и измерительных каналов, управления параметрами инжектирующего тока до автоматического тестирования качества электрического контакта между выбранным электродом и поверхностью исследуемого объекта, подбора коэффициента усиления и вывода полученных измерительных данных на персональный компьютер для их последующего анализа и обработки. Применение разработанных алгоритмов позволит повысить функциональные возможности аппаратно-программного комплекса многоракурсной электроимпедансной томографии, а также сократить сроки его проектирования и практической реализации.
трехмерная электроимпедансная томография
алгоритмы работы аппаратного обеспечения
1. Пеккер Я.С., Бразовский К.С. Электроимпедансная томография. Томск: Изд-во НТЛ, 2004. 192 с.
2. Корженевский А.В. Электроимпедансная томография: исследования, медицинские приложения, коммерциализация // Альманах клинической медицины. 2006. № 12. С. 58.
3. Aleksanyan G., Shcherbakov I., Kucher A., Priyma M. Research of the conductivity of organic and inorganic media in multi-angle multi-frequency electrical impedance tomography. MATEC Web of Conferences. 2017. V. 132. DOI: 10.1051/matecconf/201713204008.
4. Алексанян Г.К., Кучер А.И., Демьянов В.В. Разработка общего алгоритма функционирования блока сбора и передачи данных для информационно-измерительной системы электроимпедансной томографии биологических объектов // Новая наука: Теоретический и практический взгляд. 2016. № 11–1. С. 3–5.
5. Алексанян Г.К., Кучер А.И., Демьянов В.В. Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы электроимпедансной томографии биологических объектов // Проблемы внедрения результатов инновационных разработок: сборник статей международной научно-практической конференции, 2016. С. 9–11.
6. Васильев А.Е. Микроконтроллеры: разработка встраиваемых приложений. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. С. 6–8.
7. Fraden J. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. Springer, 2010. Р. 5.
8. What is a Universal Serial Bus (USB)? // Techopedia.com [Электронный ресурс]. URL: https://www.techopedia.com/definition/2320/universal-serial-bus-usb (дата обращения: 19.11.2018).
9. Godse A.P., Godse D.A. Advanced C Programming. Technical Publications. 2008. Р. 6–28.

Известны примеры разработки информационно-измерительных систем электроимпедансной томографии [1, 2] (ИИС ЭИТ), представляющих собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из устройства, выполняющего функции автоматического получения измерительной информации и ее передачу, и персонального компьютера с установленным програм- мным обеспечением, выполняющего функции приема, обработки, анализа, хранения и визуализации измерительных данных. В указанных примерах устройства, выполняющие измерения в плоскости одного пояса пациента, реализуют метод двумерной ЭИТ. В данной статье рассмотрены вопросы построения алгоритмов функционирования аппаратной части ИИС ЭИТ, а именно устройства, позволяющего проводить измерения в нескольких плоскостях поясов пациента, то есть методом многоракурсной электроимпедансной томографии (МРЭИТ) [3]. Концепция МРЭИТ заключается в возможности выбора отдельных томографических срезов, синтеза новых срезов в плоскостях, отличных от плоскостей расположения электродных поясов, что явно отличает ее от традиционной двумерной ЭИТ. При этом стоит отметить и возрастающую сложность проектирования аппаратной и программной составляющих такой системы.

Представленные ранее разработки аппаратно-программных комплексов традиционной двумерной электроимпедансной томографии [4, 5] не соответствуют требованиям метода МРЭИТ в части поддержки проведения измерений посредством нескольких электродных поясов. В этой связи возникает необходимость разработки технических средств МРЭИТ.

Материалы и методы исследования

Структурная схема АПК ЭИТ представлена на рис. 1.

aleks1.wmf

Рис. 1. Структурная схема АПК ЭИТ

Как можно видеть из представленной на рис. 1 схемы, и в персональном компьютере, и в измерительном устройстве работа аппаратного обеспечения невозможна без программной части, задающей алгоритмы функционирования всего устройства. При этом построение программной части невозможно без учета специфики использования его аппаратных компонентов.

Разработанная структурная схема аппаратной части измерительного устройства (БИ) в составе АПК ЭИТ представлена на рис. 2.

aleks2.wmf

Рис. 2. Структурная схема измерительного устройства

Согласно представленной на рис. 2 структурной схеме, блок измерения включает в себя следующие компоненты:

– микропроцессор (МК) [6],

– источник инжектирующего тока (ИТ),

– усилитель измерительного канала (УИК),

– блок коммутации, состоящий из n блоков мультиплексоров электродных поясов,

– блок питания (БП),

– блок электродов (БЭ), посредством которого устройство подключено к объекту исследования ИО.

Микропроцессор МК является центральным элементом БИ. С помощью МК осуществляется автоматическое переключение каналов измерения потенциалов на поверхности исследуемого объекта и инжектирования тока через него, задание параметров работы инжектирующей и измерительной схем на отдельных этапах работы АПК ЭИТ.

Источник тока ИТ под управлением МК позволяет динамически менять параметры инжектирующего тока.

Блоки мультиплексоров электродных поясов (1..n) выполняют функцию коммутации реализованных в АПК ЭИТ аналоговых каналов: инжектирующего тока, общей точки, дифференциальных измерительных каналов.

Схема блока УИК, представляющая собой программируемый усилитель, управляемый микропроцессором, позволяет автоматически изменять коэффициент усиления измерительного сигнала в зависимости от его амплитуды.

В работах [4–5] представлены разработаные ранее алгоритмы функционирования аппаратной части АПК ЭИТ, которые показали высокую эффективность для решения задач двухмерной ЭИТ. Однако учесть данные алгоритмы для реализации МРЭИТ не представляется возможным в связи с новыми техническими требованиями. Поэтому необходима разработка новых подходов и алгоритмов функционирования АПК для практической реализации метода МРЭИТ.

При этом разрабатываемый АПК ЭИТ должен иметь возможность управления процессом такого исследования, заключающуюся в возможности задания оператором автоматического режима работы комплекса с момента задания параметров исследования до получения конечного результата, который в каждом отдельном случае зависит от решаемых методом МРЭИТ задач.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе сформированных требований разработана блок-схема общего алгоритма функционирования аппаратной части АПК ЭИТ, которая представлена на рис. 3.

aleks3.wmf

Рис. 3. Блок-схема общего алгоритма функционирования аппаратной части АПК ЭИТ

Согласно разработанному алгоритму, блок измерения работает следующим образом: МК проверяет наличие подключения к ПК, в случае его отсутствия МК переходит в режим ожидания. В случае успешного подключения к ПК МК ожидает ввода следующих параметров измерения: амплитуда, частота и форма инжектирующего тока, а также количество задействованных электродных поясов, подключенных к ИО.

После задания параметров исследования производится проверка наличия электрического контакта поверхности исследуемого объекта и каждого электрода в составе выбранных поясов. Проверка контакта осуществляется путем измерения сопротивления между двумя соседними электродами, путем подключения соответствующих каналов коммутаторов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП [7]. В случае, если сопротивление между выбранными электродами превышает заданное значение, МК выводит сообщение с номерами электродов, на которых обнаружено нарушение контакта, и переходит в режим ожидания устранения выявленных нарушений и сигнала возможности продолжения измерения.

В случае успешного подключения всех электродов производится тестовое измерение, блок-схема алгоритма которого представлена на рис. 4.

В результате тестового измерения определяется коэффициент усиления УИК, соответствующий диапазону измеряемого напряжения. Затем выполняется процедура основного измерения с выбранным коэффициентом усиления с проверкой полученных измерительных данных на соответствие выбранному коэффициенту усиления. В случае выхода значений измеренных величин напряжения за заданные пределы процедура повторяется. При успешном завершении процедуры измерения на основе выбора коэффициента усиления УИК производится первичная математическая обработка измерительных данных с учетом коэффициента передачи всей измерительной цепи и выбранного значения коэффициента усиления УИК.

aleks4.tif

Рис. 4. Блок-схема алгоритма тестового измерения

В результате проведенного измерения и математической обработки измерительных данных производится запись в массив измерительных данных.

При завершении измерительных процедур во всех выбранных конфигурациях подключения инжектирующих и измерительных электродов, с помощью МК осуществляется выбор следующего электродного пояса и процедура повторяется заново. При достижении заданного числа электродных поясов МК завершает процедуру измерения и производит вывод полученных измерительных данных на ПК по линии USB [8], где производится их дальнейшая обработка. Производится очистка динамической памяти [9], выделенной под все массивы хранения измерительной информации, МК переходит в режим ожидания параметров следующего измерения.

Таким образом, в ходе работы реализовано автоматическое управление всем процессом получения измерительных данных методом МРЭИТ, а именно следующими процедурами:

– заданием параметров измерения;

– проверкой наличия электрического контакта выбранных электродов;

– переключения отдельных инжектирующих и измерительных каналов;

– управления параметрами инжектирующего тока;

– подбором коэффициента усиления;

– выводом полученных измерительных данных.

Выводы

В результате проведенных работ сформированы требования к аппаратной части аппаратно-программного комплекса многоракурсной электроимпедансной томографии, разработана структурная схема измерительного устройства. На основе выдвинутых требований и структурных схем измерительного устройства разработан алгоритм общего функционирования аппаратной части комплекса, представлена блок-схема разработанного алгоритма.

Разработка позволяет реализовать автоматическое управление всеми процессами получения измерительных данных, от момента задания оператором параметров исследования до момента получения измерительных данных.

Работы выполняются в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-196.2017.8.


Библиографическая ссылка

Алексанян Г.К., Кучер А.И., Щербаков И.Д., Щербакова М.В. АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 11-2. – С. 163-167;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37296 (дата обращения: 23.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074