biomedicinski signali

D. Bošković Biomedicinski signali i sistemi

1

Analiza EKG sistema EKG sistem može biti samostalni EKG uređaj različitog stepena složenosti ili aplikacija koja transformiše PC u neki od EKG uređaja: standardni elektro-kardiograf, bolesnički EKG monitor, EKG trenažer. Savrmeni uređaji bazirani na akviziciji EKG signala obavljaju sljedeće funckije: prikazivanje signala na bolesničkom monitoru, štampanje signala, slanje signala nekim komunikacionim kanalom – modem, infra-crveni talasi, radio-talasi, u slučajevima dijagnostike i nadzora zdravstvenog stanja ronilaca, sportista, paciejnata na lokacijama udaljenim i nepristupačnim ljekarskoj pomoći. Kod razvoja svih ovih sistema može se uočiti dosta toga zajedničkog i jedan jedinstveni otvoreni model razvijen do nekog stepena bi mogao biti podloga za razvoj čitave game specifičnih uređaja. Na ovaj način bi se najbolje mogla dijeliti iskustva stečena u toku razvoja, pojednostaviti, pojeftiniti i ubrzati proces isporuke novog uređaja. Ako se za jedan ovako planirani otvoreni sistem definiše popis svih mogućih usluga to je osnov za definisanje najšireg skupa zahtjeva, a onda bi implementacija određenog modela uređaja podrazumijevala implementaciju podskupa ovih zahtjeva. Tako zamišljeni otvoreni sistem bi trebao uključivati slijedeće aktivnosti: snimanje akviziciju EKG signala, prikaz EKG signala na monitoru, štampanje signala na standardnom ili EKG štampaču, arhiviranje signala na disk ili njegovo slanje nekim određenim komunikacionim kanalom, čitanje signala iz arhive, utvrđivanje srčanog ritma, određivanje alarmantnih stanja na osnovu srčanog ritma do analize signala koja podrazumijeva određivanje ključnih parametara signala u cilju računarski podržanog dijagnosticiranja. Kod najjednostavnijih EKG uređaja snimljeni signal se odmah transmituje na izlaz u nekoj drugoj formi u zavisnosti koji izlaz se koristi. To može biti specifičan štampač, modem, radio-talasi, infracrvene zrake. Slanje EKG signala na neki od pobrojanih izlaza je specifično samo u pogledu algoritma konverzije signala u oblik pogodan za određeni izlazni uređaj, tako da se ova obrada signal može svesti na jedinstvenu generaliziranu aktivnost. Dosta česta primjena akvizicije EKG signala je praćenje promjena signala na bolesničkom monitoru. Ovaj proces prikazivanja signala može biti praćen nekom jednostavnoijom ili složenijom analizom, sa ugrađenim nadzorom javljanja alarmantnih stanja, najčešće aritmije. Najkompleksniji primjer uređaja omogućava uz snimanje i praćenje signala, njegovo arhiviranje, a zatim i naknadno pregledanje, kao podrška dijagnostici ili u obuci. Sa hardverske strane dosta je razlika među opisanim uređijama. Ono što je očigledno jedinstveno za sve je akvizicija signala sa barem jedne elektrode – odvoda koja snima električnu aktivnost srca, što se može proširti na višekanalnu akviziciju do maksimalno 12 kanala. Problem filtriranje signala se može riješiti na dva načina: filtriranje se može obaviti nad signalom prije AD konverzije dok je u analognom obliku, znači analognim filterima, ili nakon AD konverzije, znači korištenjem tehnika digitalnog filtriranja. Ovo pitanje filtriranja dotiče se problema podjele sistema na hardverski i softverski dio. Ulaz signala u sistem je potpuno sinhron, jer se AD konverzija obavlja u tačno određenim vremenskim periodima diktirana sistemskim satom. Ako se za frekventni opseg EKG signala odredi gornja granica fEKG, onda se frekvencija uzorkovanja fSodređuje minimalno kao: fS = 2 x fEKG,


2

odnosno period uzorkovanja kao inverzna vrijednost frekevncije. TS = (fS)-1. Moguće je asinhrono ponašanje hardvera za AD konverziju ako ovaj modul ujedno vrši i baferovanje signala, pa ostatku sistema prekidom javlja kada je potrebno preuzeti konvertovane vrijednosti. Ali i u ovom slučaju poznavanjem kapaciteta bafera, frekvencije uzorkovanja i vremena obrade signala – što može uključivati i filtriranje, moguće je tačno predvidjeti vrijeme javljanja ovog prekida. Prikaz signala bilo na tradiocionalnom monitoru, ili nekom specifičnom displeju, se razlikuje od običnog tranfera signala jer podrazumijeva podršku različitim načinima prikaza: razmjera signala – apmlituda i brzina ispisa, boja signala i podloge, broj kanala koji se prikazuje i sl. Monitor i ostali pobrojani izlazni uređaji su pasivni i njihovo opsluživanje od strane sistema je isto periodično i diktirano sistemskim satom. Za potrebe komunikacije sa korisnikom neophodan je ulazno/izlazni interfejs čija kompleksnost zavisi od kompleksnosti konkretnog EKG sistema, zapravo je određen složenošću predviđene interakcije sa korisnikom. Očigledno je ponašanje sistema diktirano periodom akvizicije signala. Čak i uslučaju čitanja arhiviranog signala sa diska ili sličnog medija, pošto ovaj signal predstavlja vremensku sekvencu, on se mora prikazivati istim ritmom kako je i sniman. Ovo treba posebno naglasiti jer posmatranje i analiziranje EKG siganla od strane specijaliste je dosta empirijsko i zasnovano na unaprije poznatom ritmičnom ponašanju signala. Jedino u slučaju praćenja EKG signala koje istovremeno uključuje i nadzor promjene srčanog ritma, može doći do alarmantnog događaja – identifikacije aritmije o kojem treba izvijestiti korisnika i ova aktivnost ima najveći prioritet u sistemu.

Dijagram slučajeva upotrebe EKG sistema Na osnovu opisanog problema može se pristupiti izradi dijagrama slučajeva upotrebe (engl. Use Case Diagram) sistema EKG. Model EKG sistema koji ćemo razmatrati ima četiri aktera: Pacijenta, Doktora, Monitor i Izlazni uređaj. Doktor inicira sve upotreba sistema kojih je ukupno šest: Konfiguriši, Administriraj pacijenta, Izlaz signala, Postavi dijagnozu, Prikaži signal i Snimi EKG. Dijagram slučajeva upotrebe razvijen u ovoj fazi analize sistema je prikazan na slici 1. Kod četiri slučaja upotrebe sistema neophodna je interakcija sa akterom Pacijentom: Izlaz signala, Postavi dijagnozu, Prikaži signal i Snimi EKG. Upotreba Prikaži signal zahtijeva interakciju sa Monitorm, akterom uređajem za prikaz signala, naziv Monitor je korišten jer je to najčešći uređaj za prikaz, a veoma rijetko su to neki specifični displej. Upotreba Izlaz signala zahtijeva interakciju sa Izlaznim uređajem.


3

Slika 1. Dijagram upotrebe EKG sistema

Identifikacija vanjskih događaja Opisani dijagram slučajeva upotrebe je polazni dokument od kojeg se dalje razvijaju sve aktivnosti analize. Na ovom dijagramu sistem je jedinstvena cjelina okružena vanjskim akterima koji komuniciraju sa sistemom razmjenjujući 'poruke'. Ova razmjena poruka se odvija putem prethodno definisanih asocijacija između aktera i sistema upotrebe. Vanjske poruke imaju posebno važnu ulogu kod definisanja ponašanja sistema, a naročito za sisteme realnog vremena, koji su reaktivne prirode i imaju visok stepen interakcije sa vanjskim okruženjem. Vanjske poruke su događaji koji iniciraju aktivnosti sistema. Svaki događaj će izazvati određenu reakciju – željeni odziv sistema. Opis ponašanja sistema se može dokumentovati kao:

- niz aktivnosti koje zajedno čine scenario ponašanja, ili - niz prelaza kroz sistemska stanja.

Analiza dinamičkog ponašanja sistema počinje identifikacijom događaja. Svaka veza na dijagramu upotrebe između aktera i sistema, kod kojih akter nije strogo pasivan, ukazuje bar na jedan ili čak čitav niz događaja. Vanjske događaje je potrebno opisati, da se ustanovi ko je izvor događaja, kakva se reakcija očekuje, koji dio sistema bi trebao biti odgovoran za reakciju na događaj. Po tipu javljanja događaji se mogu podijeliti na periodične i ne-preiodične (ili epizodične), a ova osobina je vezana za razmatranje njihovog uticaja na predvidivost ponašanja sistema.


4

Tabela 1. Lista događaja EKG sistema

Događaj Očekivana reakcija Izvor Tip Odziv 1. Pokretanje

sistema Konfigurisanje sistema

Korisnik Ne-periodičan

2. Korisnik zadaje komandu za početak rada

Započinjanje odgovarajućeg scenarija

Korisnik Ne-periodičan < 1 s

3. Korisnik zadaje komandu za prestanak rada

Prekid trenutno aktivnog scenarija

Korisnik Ne-periodičan < 1 s

4. Istek perioda uzorkovanja (TU)

Očitava se vrijednost EKG signala i spašava očitane vrijednosti u bafer

Sat sistema akvizicije

Periodičan < TU (trajanje)

5. Istek intervala sistemskog sata (TS)

Šalje se poruka kontroleru

Sistemski sat Periodičan < TS (trajanje)

6. Detektovana aritmija

Aktivira se alarmno stanje Sistem – interni događaj ???

Ne-periodičan < 3 s

Kod sistema realnog vremena važno je obavezno dodati i vremensku odrednicu odziva i rekacije, u smislu vremenskog ograničenja trajanja reakcije ili maskimalnog dozvoljenog vremena do početka reakcije. Komande korisnika je bilo moguće prikazati kao zasebne događaje u ovisnosti koji se scenario inicira: snimanje, izlaz, prikaz EKG signala, dijagnostika itd. Kod dalje razrade modela naravno da će se ovi događaji odvojiti i zasebno modelirati, ali u ovoj fazi bitno je i dovoljno uočiti razlike reakcije kod događaja konfigurisanja sistema, početka nekog načina rada i zaustavljanja. Zbog periodičnosti procesa akvizicije, čitav sistem se ponaša periodično. Pokretači periodičnog ponašanja sistema će biti dva tajmera, jedan za nadziranje akvizicije signala, a drugi za diktiranje perioda aktivnosti cjelokupnog sistema. Očigledno je da će u EKG sistemu trebati predvidjeti objekat tipa kontrolera ili dispečera koji će vršiti cikličan raspored aktivnosti na ostale objekte u sistemu u skladu sa njihovim odgovornostima.

biomedicinski signali

Documents