Диагностирование не цифровой части медицинской техники

ГЛАВА 3. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ

К задачам диагностирования относятся контроль и прогнозирование состояния технического средства, а также оценка параметров контролируемых объектов, поиск места и определение причин отказов или сбоев.

Основные понятия теории тестового диагностирования.

Согласно [24] под контролем понимается проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени (например, работоспособное или неработоспособное), а под прогнозированием – определение технического состояния объекта с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени. Указанные процессы объединяются более общим понятием – техническое диагностирование – процесс определения технического состояния. При этом к задачам диагностирования могут относиться как контроль или прогнозирование, так и собственно оценка параметров объектов, поиск места и определение причин отказа (последнюю задачу часто называют поиском дефектов).

В зависимости от принципа выделения необходимой информации различают два вида диагностирования: тестовое диагностирование (ТД) и функциональное диагностирование (ФД).

Система тестового диагностирования (тестового контроля) предназначена для выработки и подачи на объект диагностирования специальных воздействий. По принятым ответам объекта система должна принять решение относительно его исправности и, возможно, указать местонахождение неисправного элемента.

Система функционального диагностирования (аппаратный или схемный контроль) не генерирует специальных тестовых воздействий. Она принимает решение об исправности объекта диагностирования непосредственно в процессе его рабочего функционирования. Достигается это с помощью избыточного кодирования информации в устройстве либо за счёт специально введенной схемной избыточности, либо, наконец, за счёт комбинирования этих способов в одном объекте диагностирования.

Системы тестового и функционального диагностирования, решая одни и те же задачи используют совершенно различные методы. Однако ряд основных понятий и в первую очередь классы неисправностей объектов диагностирования, трудоёмкость процесса диагностирования, «приспособленность» объекта диагностирования для обнаружения (поиска) неисправностей в нём являются общими для любых методов диагностирования.

Обобщённые схемы тестового и функционального диагностирования показаны на рис. 3.1

Рис.3.1. Обобщенные схемы систем тестового (а) и функционального (б) диагностирования. СД – средство диагностирования; ДУ – диагностируемое устройство

На рис.3.2 приведена укрупнённая схема классификации средств диагностирования применяемых в медицинском приборостроении.

Рис. 3.2. Классификация средств диагностирования

Процесс диагностирования состоит из определённых частей (элементарных проверок), каждая из которых характеризуется подаваемым на устройство тестовым или рабочим воздействием и снимаемым с устройства ответом. Получаемое значение ответа (значение сигналов в контрольных точках) называется результатом элементарной проверки.

Объектом элементарной проверки назовём ту часть аппаратуры диагностируемого устройства, на проверку которой рассчитано тестовое или рабочее воздействие элементарной проверки.

Совокупность элементарных проверок, их последовательность и правила обработки результатов определяют алгоритм диагностирования.

Алгоритм диагностирования называется безусловным, если он задаёт одну фиксированную последовательность реализации элементарных проверок.

Алгоритм диагностирования называется условным, если он задаёт несколько различных последовательностей реализации элементарных проверок.

Процесс разработки систем диагностирования состоит из следующих этапов (рис.3.3):

выбора метода диагностирования;

разработки аппаратурных средств диагностирования;

разработки диагностических тестов;

разработки диагностических справочников;

проверки качества системы диагностирования.

Рис. 3.3. Этапы проектирования систем тестового диагностирования

Для сравнения различных систем диагностирования и оценки их качества чаще всего используются следующие показатели.

Вероятность обнаружения неисправности F.

Вероятность правильного диагностирования D. Неисправность диагностирована правильно, если неисправный блок указан в разделе диагностического справочника. В противном случае неисправность считается обнаруженной, но нелокализованной. Для изделий с развитой системой диагностирования обычно , . В том случае, когда неисправность только обнаружена, необходимы дополнительные процедуры по её локализации;

Средняя продолжительность однократного диагностирования . Величина включает в себя продолжительность выполнения вспомогательных операций диагностирования и продолжительность собственно диагностирования. Часто удобнее использовать коэффициент продолжительности диагностирования

, (3.1)

где - время восстановления. Коэффициент показывает, какая часть времени восстановления остаётся на восстановительные процедуры. Так, например, если , а , .

Глубина поиска дефекта L. Величина L указывает составную часть диагностируемого устройства с точностью, до которой определяется место дефекта.

За глубину поиска дефекта L может приниматься число предполагаемых неисправными сменных блоков (СБ), определяемое по формуле

, (3.2)

где - число предполагаемых неисправными сменных блоков при -й неисправности; N – общее число неисправностей.

В качества показателя глубины поиска дефекта можно также использовать коэффициент глубины поиска дефекта , определяющий долю неисправностей, локализуемых с точностью до М сменных блоков, М=1,2,3,...,m.

Пусть =1, если при i-й неисправности число подозреваемых сменных блоков не превышает М. В противном случае =0. Тогда ()

. (3.3)

Как правило, изделия медицинской техники представляют собой достаточно сложные технические объекты, содержащие аналоговую и цифровую части, которые могут находиться во взаимодействии с механическими, гидравлическими, пневматическими и т.д. системами, что необходимо учитывать при проектировании соответствующих диагностических систем. При этом в современных медицинских изделиях роль средства диагностирования выполняют цифровые системы (внешние или внутренние, решающие основные медицинские задачи или специально встраиваемые только для решения задач диагностирования).

Диагностирование не цифровой части медицинской техники

Источниками неисправностей или неправильной работы не цифровой части могут быть различные узлы и блоки, реализующие функции медицинских аппаратов, систем и комплексов: обрыв в цепи электродов входных цепей; высокий уровень сетевых помех; высокий уровень медленно-меняющейся составляющей напряжения помехи из-за «паразитного» заряда проходных ёмкостей; разряд батарей питания; разгерметизация газовых магистралей в наркозно-дыхательных аппаратах; наличие воздушных включений в магистралях аппаратов для транспортировки физиологических жидкостей и т.д.

Традиционным способом решения задач контроля наличия неисправностей или недопустимых режимов функционирования не цифровой части является установка соответствующих датчиков или специальных схем контроля. Рассмотрим типовые варианты построения таких схем согласованных по своим выходам с цифровыми контролирующими схемами.

Для контроля качества подключения электродов к пациенту и фиксации фактов их отрыва используются компараторные схемы, варианты которых показаны на рис 3.4.

Рисунок 3.4. Варианты схем контроля качества прикрепления электродов.

В схеме приведенной на рисунке 3.4, а при отсоединении электродов на выходе сумматора изменяется напряжение, вызывая срабатывание компаратора, собранного на операционном усилителе без обратной связи. Порог срабатывания компаратора подбирается делителем на сопротивлениях , . Для согласования этой схемы с анализатором плохого контакта, в качестве которого может выступить микропроцессор или ПЭВМ, в схеме используется преобразователь уровня собранный на элементах , и .

В схеме, приведённой на рисунке 3.4.б на операционном усилителе собран генератор достаточно высокой частоты (50-100 КГц), значительно превышающий полосу пропускания усилительного канала медицинского регистрирующего прибора. Выход генератора через делитель собранный на резисторах , , подключается к коммутатору входной цепи, который может подключить любой из контролируемых электродов к прямому входу неинвертирующего усилителя . При хорошем контакте контролируемых электродов с биообъектом делитель , , нагружается небольшим сопротивлением биообъекта, в результате чего на вход напряжение с высокочастотного генератора практически не проходит. Тем более оно отсутствует на входе при ненажатой кнопке контроль. При нарушении контактов электродов с биообъектом эквивалентное сопротивление подключаемое к клемме ВхЦ возрастает. Возрастает и напряжение поступающее на вход . Это переменное напряжение преващается в постоянное напряжение выпрямителем на элементах и . Когда нарушение контактов электродов доходит до определённого критического уровня срабатывают компараторы и , включая соответствующие светодиоды и . Компараторы, настраивают на различные уровни срабатывания, например на плохой контакт и отрыв электрода. При отрыве электродов от биообъектов напряжение на выходе генератора может возрасти настолько, что выведет из строя компараторы. Чтобы это не произошло в схеме включены ограничивающие стабилитроны и . Режим контроля осуществляется при нажатой кнопке контроль, когда прямой вход отключается от «земли».

При использовании цифровых контролирующих схем после и необходимо поставить преобразователи уровня для согласования выходных уровней напряжения ОУ со входными уровнями напряжения цифровых схем. В этом варианте (рис.3.4.в), контроль качества электродов может осуществляться непрерывно и в автоматическом режиме. Генератор тока высокой частоты ГТ имеет большое внутреннее сопротивление, за счёт чего при малом сопротивлении между электродами и (хороший контакт) выходное напряжение от ГТ на линиях электродов мало. При ухудшении контакта сопротивление между и растёт, вызывая рост соответствующего переменного напряжения. На усилитель биопотенциалов (УБП) это напряжение не поступает, поскольку оно отфильтровывается фильтром низких частот (ФНЧ), пропускающим только полезный сигнал. Полосовой фильтр (ПФ), настроенный на частоту ГТ, пропускает высокочастотный сигнал с линии электродов, который выпрямляется выпрямителем В. Если сигнал от ГТ, присутствующий на линии электродов, превышает некоторое пороговое значение срабатывает компаратор, включая светодиод . Так же как и в схеме рисунка 3.4.б. в схеме рисунка 3.4.в может быть задействовано несколько компараторов, настроенных на различные пороги срабатывания. Элементы , , выполняют функции формирователя напряжения, необходимого для работы микропроцессорных систем, а стабилитроны , - функцию ограничителя напряжения.

Для контроля уровня выходного напряжения усилителей биопотенциалов, которое может выйти за рамки установленных значений, например из-за «паразитного» заряда проходных емкостей может быть использована схема, приведённая на рис.3.5.

Рис. 3.5. Схема контроля перенапряжений УБП.

В этой схеме превышение напряжения на выходе УБП за данные пределы в положительную или отрицательную сторону контролируется двухсторонним компаратором, собранном на операционном усилителе без цепи отрицательной обратной связи. Согласование уровней напряжения и цифровых схем осуществляет преобразователь уровня (ПУ).

Контроль уровня напряжения питания может осуществляться как встроенными средствами микроконтроллеров, так и специальными схемами, вариант которой представлен на рис.3.6.

Рис. 3.6. Вариант схемы контроля уровня разряда аккумуляторной батареи.

В этой схеме опорное напряжение для работы компараторов и создаётся стабилитроном , питающимся от контролируемого источника питания . Это же напряжение поступает на инверсные входы компараторов, выполненных на операционных усилителях и . Настройка порогов срабатывания и производится резисторами и . Преобразователи уровня (ПУ) согласуют уровни напряжения от операционных усилителей с уровнями портов микро-ЭВМ. При нормальном напряжении питания на выходах и формируется код 00. При напряжении питания АБ 50% рабочего напряжения формируется код 01. При напряжении 25% рабочего напряжения формируется код 11.

Высокий уровень сетевой помехи на выходе усилителя биопотенциалов может быть зафиксирован с помощью схемы, структура которой приведена на рис.3.7.

Рис. 3.7. Вариант структуры детектора сетевой помехи.

В этой схеме режекторный фильтр (РФ), настроенный на частоту 50 Гц выделяет из электрофизиологического сигнала сетевую составляющую которая усиливается усилителем У и преобразуется в однополярный сигнал детектором Д. Интегратор (ИНТ) накапливает составляющую сетевой помехи и когда его выходное напряжение превосходит порог установленный резистором срабатывает компаратор (К). Сигнал с выхода компаратора формируется преобразователем уровня (ПУ) и передаётся в микро-ЭВМ.

Анализ этих и других схем контроля состояния элементов, узлов и блоков не цифровой части медицинской аппаратуры позволяет сделать вывод о том, что большинство из них имеет аналогичную обобщённую структуру, в которой содержатся следующие основные элементы: датчик контролируемого параметра с электрическим выходом (давления в магистральных элементах, химического состава вещества, наличия вредных «включений» и т.д.); компаратора, изменяющего своё состояние при выходе контролируемого параметра за заранее установленные пределы; преобразователя уровня, обеспечивающего согласование работы контролируемых схем с цифровой частью.

Полученные с выходов преобразователя уровня сигналы могут быть подключены к портам микроконтроллера (МК) для их анализа, обработки, индикации и возможного управления с целью автоматического устранения неисправности. Однако при большом числе анализируемых сигналов в таком варианте реализации имеется опасность занятия недопустимо большого количества разрядов портов МК.

В этом случае сигналы с элементов контроля целесообразно собирать в специально выделяемых регистрах, часто называемых регистрами статуса (РгС). Вариант такой реализации приведён на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Вариант схемы контроля состояния не цифровой части с параллельным регистром статуса.

Для управления регистром статуса к шине адреса (ША) микропроцессорной системы МПС, в состав программного обеспечения которой наряду с основными программами входят программы контроля состояния медицинского изделия, подключён дешифратор адреса DA, инвертор (НЕ) и три схемы И (&). При обращении по специально выделенным адресам к регистру статуса МПС на своей шине управления (ШУ) формирует сигнал, по которому, в зависимости от кода адреса, РгС может быть: обнулён (вход R); переведён из высокоимпедансного состояния для передачи кода данных на шину данных (ЩД) МПС (вход Е); переведён в режим приёма информации с преобразователей уровня (вход С). Чтобы МПС могла сразу реагировать на появление неисправностей зарегистрированных любым из датчиков () и выделенные компараторами (), ко всем ПУ подключена схема ИЛИ и формирователь (Ф) сигнала прерывания IRQ по появлению которого МПС переходит к обработке прерывания по неисправности не цифровой части медицинского изделия.

Для сокращения числа линий связи между блоками контроля не цифровой части и цифровой системой обработки вместо параллельного регистра можно использовать сдвиговые регистры опрашиваемые например, микроконтроллером (МК) (рис.3.9.)

Рис. 3.9. Вариант схемы контроля состояния не цифровой части с регистром сдвига.

В этой схеме приём информации в сдвиговый регистр статуса осуществляется по сигналу с разряда порта микроконтроллера. С разряда осуществляется установка РгС в исходное состояние. Сдвиг информации в РгС осуществляется тактовыми импульсами, формируемыми разрядом микроконтроллера, а приём информации старшего разряда в МК осуществляется через разряд с нормой . Запрос на прерывание по поводу обслуживания отказов или сбоев формируется аналогично схеме рис.3.8.

В условиях, когда вычислительных ресурсов МПС или МК бывает достаточно некоторые сигналы аналоговых датчиков (обычно после усиления) преобразуются в цифровой код аналого-цифровыми преобразователями, а сравнение с пороговыми значениями и формирование сигналов неполадок формируется цифровой частью программно.

Для того чтобы цифровая часть легко распознавала место и характер неисправностей при разработке диагностической части медицинских приборов разряды регистра статуса жёстко закрепляются за контролируемыми параметрами.

Приведённые схемотехнические решения относятся к классу функциональных диагностических систем.

В ряде вариантов диагностические процедуры подразумевают формирование тестовых воздействий на контролируемую часть схемы (подача гармонического сигнала или прямоугольных импульсов на вход контролируемых усилителей с целью проверки их динамических параметров, подача различных типов физиологических сигналов для проверки качества работы интерпретирующих алгоритмов, формирование сигналов эквивалентных не электрическим свойствам биообъектов и т. д.).

В этом варианте микроконтроллеры, микропроцессорные системы или ПЭВМ через свои интерфейсы формируют коды управляющих слов, которые преобразуются в воздействия требуемой модальности блоком формирования воздействий БФВ (рис.3.10.).

Рис. 3.10. Вариант схемы контроля состояния не цифровой части методом тестового диагностирования.

Для контроля достаточно простых средств медицинской техники цифровые системы контроля могут не использоваться, тогда контроль работоспособности может реализовываться по более простой схеме (рис.3.11.).

Рис. 3.11. Вариант схемы контроля медицинского прибора.

В этой схеме БФВ могут представлять из себя простейшие генераторы или другие имитаторы свойств биообъекта, а состояние элементов, узлов и блоков медицинского прибора (МП) контролируется контрольно-измерительными приборами (КИП) (вольтметры, частотомеры, осциллографы, логические пробники и т.д.).

Обобщая сказанное, следует отметить, что при проектировании средств диагностирования медицинской аппаратуры не цифровая часть по отношению к контролирующей цифровой части может быть представлена цифровым регистром статуса и рассматриваться как узел цифровой системы, что позволяет использовать хорошо отработанные схемы проектирования цифровых диагностических систем.