Аппаратно-программная реализация метода электроимпедансной томографии [1] (ЭИТ) неизбежно связана с использованием нескольких совместно функционирующих вычислительных блоков, а именно: блок источника инжектируемого тока, блок измерения, блок микроконтроллерного управления аппаратной части и персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением [2, 3]. На рис. 1 приведена общая структурная схема информационно-измерительной системы (ИИС) для случая двухмерной и трехмерной ЭИТ, на которой выделены данные основные функциональные блоки.
Рис. 1. Общая структурная схема информационно-измерительной системы (ИИС) для случая двухмерной и трехмерной ЭИТ
|
|
|||
|
а) |
|||
|
|
|
|
|
|
б) |
в) |
г) |
д) |
Рис. 2. а) Внешний вид разработанной ИИС; б)–д) разработанные макеты, «фантомы» и электродные системы
На рис. 2 показаны разработанные авторами ранее технические средства, позволяющие выполнять исследования объектов методом ЭИТ [3]:
– установка для проведения измерений методом ЭИТ, состоящая из персонального компьютера с установленным програм- мным обеспечением, блоком измерения и макетом, позволяющим имитировать неоднородность в проводящей среде (рис. 2, а);
– функциональный макет томографического среза грудной клетки человека (рис. 2, б);
– функциональный макет томографического среза грудной клетки малых биологических форм с поддержкой измерения методом трехмерной ЭИТ в двух поясах (рис. 2, в);
– макет томографического среза грудной клетки человека с поддержкой измерения методом трехмерной ЭИТ в десяти поясах (рис. 2, г);
– макет, позволяющий имитировать неоднородность в проводящей среде с поддержкой измерения методом трехмерной ЭИТ в двух поясах (рис. 2, д).
Функционирование ИИС в режимах реального и квазиреального времени, необходимых для визуализации методом ЭИТ динамических процессов, протекающих в объекте, предъявляет требования к частоте обновления реконструируемых изображений не менее чем 20 кадров в секунду [4]. В этой связи критическими являются источники задержек, вносимые структурами аппаратной части ИИС. В работах [5] и [6] описаны способы технической реализации системы двумерной ЭИТ с применением одного пояса электродов. В данных работах проведена оценка временных задержек, связанных с ресурсоемкостью процесса обработки, анализа, реконструкции и вывода результатов измерения, полученных методом ЭИТ. В настоящей работе выполнена оценка временных задержек, связанных с передачей измерительных данных между блоком измерения и персональным компьютером.
Материалы и методы исследования
При увеличении числа электродных поясов (при реализации трехмерной ЭИТ) неизбежно возрастают объемы передаваемой информации. На основании приведенных в работе [7] данных об объеме измерений Nφi при варьировании числа электродных поясов NEB была рассчитана ресурсозатратность в виде относительного времени задержки передачи данных tотн, при допущении, что tотн изменяется пропорционально изменению Nφi. В табл. 1 представлена сравнительная оценка ресурсозатратности двумерной и трехмерной ЭИТ по выделенным параметрам, а именно: общее число электродов (N), количество электродов в поясе (NEL), количество электродных поясов (NEB), количество регистрируемых потенциалов (Nφi), относительное время задержки передачи данных (tотн).
Таблица 1
Сравнительная оценка ресурсозатратности двумерной и трехмерной ЭИТ
|
Вид исследования |
NEB, шт |
NEL, шт |
N, шт |
Nφi, В |
tотн |
|
Двумерная ЭИТ |
1 |
16 |
16 |
208 |
1 |
|
Трехмерная ЭИТ |
2 |
16 |
32 |
928 |
4,46 |
|
Трехмерная ЭИТ |
10 |
16 |
160 |
25120 |
120,8 |
Проведенные расчеты показали, что при NEB = 2 задержка tотн будет больше в 4,46 раз по сравнению с таковой при NEB = 1, а при NEB = 10, tотн будет больше уже в 120,8 раз.
В этой связи существует необходимость в разработке новых подходов, методов и алгоритмов, позволяющих уменьшить временные задержки, что позволит повысить быстродействие всей ИИС. В данной статье предлагается один из способов повышения быстродействия ИИС, основанный на разработке нового алгоритма вывода массива измерительной информации.
При проведении исследований использованы разработанные ранее авторами технические средства электроимпедансной томографии, в частности ИИС ЭИТ, «фантомы», электродные системы, показанные на рис. 2. Разработка предлагаемого алгоритма велась на языке программирования С [8]. Отладка выполнялась на блоке микроконтроллера аппаратной части, построенной на базе микроконтроллера архитектуры ARM Cortex-M4 [9].
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 3 представлены блок-схемы двух разработанных алгоритмов взаимодействия АПЧ_МК и ПК, в частности передача измерительной информации в ПК.
а) б)
Рис. 3. а) алгоритм построчного вывода измерительной информации; б) алгоритм вывода массива измерительной информации
На рис. 3, а, показан разработанный ранее алгоритм построчного вывода измерительной информации, который зарекомендовал себя как наиболее простой в реализации в составе программного обеспечения как микроконтроллера, так и персонального компьютера. Данный алгоритм осуществляет форматированный вывод информации таким образом, что данные каждого измерения передаются на персональный компьютер построчно, пока не будет завершен вывод данных всех измерений. Для вывода каждого измерения используется функция printf() стандартной библиотеки языка программирования С [8]. Кроме того, для обмена данными между блоком измерения и персональным компьютером была задана скорость V = 230400 бит/с. По результатам выполненных исследований было установлено, что дальнейшее увеличение скорости приводит к ошибкам передачи данных, приводившим к потерям измерительной информации.
К достоинствам данного алгоритма можно отнести простоту реализации и возможность использования измерительных данных без дальнейшей математической обработки. Недостатками данного алгоритма являются:
– низкая скорость обмена данных между микроконтроллером и персональным компьютером;
– большое число операций, используемых при выводе измерительной информации, и, как следствие, повышенная нагрузка на микропроцессор микроконтроллера;
– возможность потери целостности передаваемых измерительных данных.
Блок-схема алгоритма вывода массива измерительной информации представлена на рис. 3, б.
Для увеличения скорости передачи данных с МК_АПЧ на персональный компьютер был изменён способ передачи значений измеренных потенциалов φi. Массив измерительной информации был отформатирован в виде числа с плавающей точкой с шестью знаками после неё. Так как примененные в первоначальной версии алгоритма передачи измерительных данных форматирование вывода и многочисленные вызовы функции printf() служили источниками существенных задержек, данная функция вывода была заменена на функцию write() [10]. Данная функция является функцией более низкого уровня, но при этом потребляет меньше процессорного времени [8]. Функция выводит блок памяти, занимаемый измерительными данными, целиком. Так как write() является функцией байтового вывода, при передаче измерительных данных необходим перевод из формата числа с плавающей точкой в байты. При приеме измерительных данных программным обеспечением на персональном компьютере осуществляется обратный процесс.
Применение реализованного алгоритма передачи измерительных данных, снижающего нагрузку на микроконтроллер, также позволило повысить скорость обмена данными между измерительным устройством и персональным компьютером до максимальной для выбранного микроконтроллера V = 921600 бит/с [12].
Таким образом, к достоинствам второго алгоритма можно отнести:
– высокую скорость обмена данных между микроконтроллером и персональным компьютером;
– всего одну операцию, используемую при выводе всего массива измерительной информации;
– снижение нагрузки на микропроцессор микроконтроллера вследствие снижения потребления процессорного времени;
– повышенную надежность передаваемых измерительных данных.
Недостатками данного алгоритма являются сложность реализации и невозможность использования измерительных данных без разработанного под эти нужды программного обеспечения.
Для сравнения результатов работы разработанных алгоритмов на аппаратно-программном комплексе ЭИТ [5, 6] было проведено исследование зависимости времени задержки, источником которой является передача измерительных данных t, от применяемого алгоритма передачи измерительных данных и скорости обмена данными.
Использована ИИС [6], фантом с подключенным электродным поясом, выбрана следующая конфигурация: NEB = 1, NEL = 1. На основании предварительно проведенных исследований разработанных алгоритмов были выбраны значения V = 230400, 460800 и 921600 бит/с.
Результаты исследования приведены в табл. 2.
Анализ результатов проведенного исследования показывает практически двукратное уменьшение t при применении усовершенствованного алгоритма с той же V. Кроме того, благодаря уменьшению нагрузки на микроконтроллер измерительного устройства повышение v до 921600 бит/с не привело к появлению ошибок при передаче измерительных данных. Таким образом, применение усовершенствованного алгоритма передачи измерительных данных с учетом повышения V позволило уменьшить t почти в 5 раз, со 140 мс до 30 мс, что позволяет увеличить скорость обновления с 7 кадров/с до 33 кадров/с соответственно.
Таблица 2
Сравнение t при различных параметрах передачи данных
|
V, бит/с |
Алгоритм |
t, мс |
Возникновение ошибок при передаче данных |
|
230400 |
Построчный вывод |
140 |
нет |
|
230400 |
Вывод массива |
75 |
нет |
|
460800 |
Построчный вывод |
75 |
да |
|
460800 |
Вывод массива |
40 |
нет |
|
921600 |
Построчный вывод |
45 |
да |
|
921600 |
Вывод массива |
30 |
нет |
Заключение
В работе показано существенное влияние временных задержек, вызванных недостаточной скоростью передачи данных, на процесс визуализации методом электроимпедансной томографии, особенно при реализации многопоясной схемы измерения.
В результате проведенных исследований разработаны два алгоритма передачи данных между измерительным устройством и персональным компьютером в составе аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии. Проведено сравнение разработанных алгоритмов по нескольким параметрам, в результате которого выбран алгоритм, обеспечивающий наилучшую производительность. Применение данного алгоритма позволило значительно повысить скорость передачи данных, повысить ее надежность и снизить нагрузку на микроконтроллер измерительного устройства.
Полученные результаты позволят реализовать методы трехмерной электроимпедансной томографии с минимизацией временных задержек, связанных с передачей измерительных данных.
Работы выполняются в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-196.2017.8.