SIGNAL CONDITIONINGUsually the sens

SIGNAL CONDITIONING

Usually the sensor output cannot be directly coupled to the display device. Simple signal conditioners may only amplify and filter the signal or merely match the impedance of the sensor to the display. Often sensor outputs are converted to digital form and then processed by specialized digital circuits or a microcomputer (Tompkins and Webster, 1981). For example, signal filtering may reduce undesirable sensor signals. It may also average repetitive signals to reduce noise, or it may convert information from the time domain to the frequency domain.


OUTPUT DISPLAY

The results of the measurement process must be displayed in a form that the human operator can perceive. The best form for the display may be numerical or graphical, discrete or continuous, permanent or temporary—depending on



1 . 3 A L T E R N A T I V E O P E R A T I O N A L M O D E S 7


the particular measurand and how the operator will use the information. Although most displays rely on our visual sense, some information (Doppler ultrasonic signals, for example) is best perceived by other senses (here, the auditory sense). User controls and the output display should conform to the Human Factors Engineering Guidelines and Preferred Practices for the Design of Medical Devices (AAMI, 1993).


AUXILIARY ELEMENTS

A calibration signal with the properties of the measurand should be applied to the sensor input or as early in the signal-processing chain as possible. Many forms of control and feedback may be required to elicit the measurand, to adjust the sensor and signal conditioner, and to direct the flow of output for display, storage, or transmission. Control and feedback may be automatic or manual. Data may be stored briefly to meet the requirements of signal conditioning or to enable the operator to examine data that precede alarm conditions. Alternatively, data may be stored before signal conditioning, so that different processing schemes can be utilized. Conventional principles of communications can often be used to transmit data to remote displays at nurses’ stations, medical centers, or medical data-processing facilities.


1.3 ALTERNATIVE OPERATIONAL MODES DIRECT-INDIRECT MODES

Often the desired measurand can be interfaced directly to a sensor because the measurand is readily accessible or because acceptable invasive procedures are available. When the desired measurand is not accessible, we can use either another measurand that bears a known relation to the desired one or some form of energy or material that interacts with the desired measurand to generate a new measurand that is accessible. Examples include cardiac output (volume of blood pumped per minute by the heart), determined from measurements of respiration and blood gas concentration or from dye dilution; morphology of internal organs, determined from x-ray shadows; and pulmonary volumes, determined from variations in thoracic impedance plethysmography.


SAMPLING AND CONTINUOUS MODES

Some measurands—such as body temperature and ion concentrations— change so slowly that they may be sampled infrequently. Other quantities— such as the electrocardiogram and respiratory gas flow—may require continuous monitoring. The frequency content of the measurand, the objective of the measurement, the condition of the patient, and the potential liability of



8 1 B A S I C C O N C E P T S O F M E D I C A L I N S T R U M E N T A T I O N


the physician all influence how often medical data are acquired. Many data that are collected may go unused.


GENERATING AND MODULATING SENSORS

Generating sensors produce their signal output from energy taken directly from the measurand, whereas modulating sensors use the measurand to alter the flow of energy from an external source in a way that affects the output of the sensor. For example, a photovoltaic cell is a generating sensor because it provides an output voltage related to its irradiation, without any additional external energy source. However, a photoconductive cell is a modulating sensor; to measure its change in resistance with irradiation, we must apply external energy to the sensor.


ANALOG AND DIGITAL MODES

Signals that carry measurement information are either analog, meaning continuous and able to take on any value within the dynamic range, or digital, meaning discrete and able to take on only a finite number of different values. Most currently available sensors operate in the analog mode, al- though some inherently digital measuring devices have been developed. Increased use of digital signal processing has required concurrent use of analog-to-digital and digital-to-analog converters to interface computers with analog sensors and analog display devices. Researchers have developed indirect digital sensors that use analog primary sensing elements and digital variable-conversion elements (optical shaft encoders). Also quasi-digital sensors, such as quartz-crystal thermometers, give outputs with variable frequency, pulse rate, or pulse duration that are easily converted to digital signals.
The advantages of the digital mode of operation include greater accuracy,
repeatability, reliability, and immunity to noise. Furthermore, periodic cali- bration is usually not required. Digital numerical displays are replacing many analog meter movements because of their greater accuracy and readability. Many clinicians, however, prefer analog displays when they are determining whether a physiological variable is within certain limits and when they are looking at a parameter that can change quickly, such as beat-to-beat heart rate. In the latter case, digital displays often change numbers so quickly that they are very difficult and annoying to observe.


REAL-TIME AND DELAYED-TIME MODES

Of course sensors must acquire signals in real time as the signals actually occur. The output of the measurement system may not display the result immediately, however, because some types of signal processing, such as averaging and transformations, need considerable input before any results can be produced. Often such short delays are acceptable unless urgent

Kết quả (Việt) 1:

TÍN HIỆU LẠNHThường đầu ra cảm biến không thể được kết hợp trực tiếp vào điện thoại hiển thị. Điều hòa nhiệt độ tín hiệu đơn giản có thể chỉ khuyếch đại và lọc các tín hiệu hoặc chỉ đơn thuần là phù hợp với trở kháng của bộ cảm biến để hiển thị. Thường cảm biến đầu ra được chuyển đổi sang dạng kỹ thuật số và sau đó xử lý bởi các mạch kỹ thuật số chuyên ngành hoặc một vi máy tính (Tompkins và hồ, 1981). Ví dụ, tín hiệu lọc có thể giảm tín hiệu cảm biến không mong muốn. Nó cũng có thể trung bình là lặp đi lặp lại tín hiệu để giảm tiếng ồn, hoặc nó có thể chuyển đổi thông tin từ thời gian đến miền tần số.HIỂN THỊ ĐẦU RAKết quả của quá trình đo lường phải được hiển thị trong một hình thức mà các nhà điều hành của con người có thể cảm nhận. Các hình thức tốt nhất cho hiển thị có thể là số hoặc đồ họa, rời rạc hoặc liên tục, thường trú hoặc tạm thời — tùy thuộc vào 1. 3 MỘT L T E R N T MỘT TÔI V E O P E R MỘT T TÔI O N MỘT L M O D E S 7measurand cụ thể và làm thế nào các nhà điều hành sẽ sử dụng thông tin. Mặc dù hầu hết Hiển thị dựa trên ý thức trực quan của chúng tôi, một số thông tin (Doppler siêu âm tín hiệu, ví dụ) tốt nhất được cảm nhận của các giác quan khác (ở đây, cảm giác thính giác). Điều khiển người dùng và hiển thị đầu ra nên phù hợp với con người yếu tố kỹ thuật hướng dẫn và thực hành ưa thích cho các thiết kế thiết bị y tế (AAMI, 1993).YẾU TỐ PHỤ TRỢMột tín hiệu chuẩn với các tính chất của measurand nên được áp dụng cho các cảm biến đầu vào hoặc đầu trong dây chuyền xử lý tín hiệu nhất có thể. Nhiều hình thức kiểm soát và thông tin phản hồi có thể được yêu cầu để elicit measurand, để điều chỉnh cảm biến và tín hiệu điều hòa nhiệt độ, và trực tiếp dòng chảy đầu ra cho hiển thị, lưu trữ hoặc truyền tải. Kiểm soát và thông tin phản hồi có thể được tự động hoặc hướng dẫn sử dụng. Dữ liệu có thể được lưu trữ một thời gian ngắn để đáp ứng các yêu cầu của tín hiệu lạnh hoặc để cho phép các nhà điều hành để kiểm tra dữ liệu đứng trước báo động điều kiện. Ngoài ra, dữ liệu có thể được lưu trữ trước khi tín hiệu lạnh, do đó chương trình xử lý khác nhau có thể được sử dụng. Các nguyên tắc thông thường của truyền thông thường có thể được sử dụng để truyền dữ liệu để hiển thị từ xa tại trạm y tá, y tế Trung tâm hoặc cơ sở xử lý dữ liệu y tế.1.3 THAY THẾ CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG TRỰC TIẾP, GIÁN TIẾP CHẾ ĐỘThường measurand mong muốn có thể được giao trực tiếp với một bộ cảm biến vì measurand là dễ dàng có thể truy cập hoặc thủ tục xâm lấn chấp nhận được có sẵn. Khi bạn muốn measurand không phải là có thể truy cập, chúng tôi có thể sử dụng một trong hai measurand một gấu một mối quan hệ được biết đến để mong muốn một hoặc một số hình thức của năng lượng hoặc tài liệu tương tác với measurand mong muốn để tạo ra một measurand mới có thể truy cập. Ví dụ bao gồm tim sản lượng (khối lượng máu bơm mỗi phút bởi Trung tâm), xác định từ các phép đo của nồng độ khí hô hấp và máu hoặc từ thuốc nhuộm pha loãng; hình thái của cơ quan nội tạng, xác định từ x-quang bóng; và khối lượng phổi, xác định từ các biến thể trong ngực trở kháng plethysmography.CHẾ ĐỘ LẤY MẪU VÀ LIÊN TỤCMột số measurands — chẳng hạn như cơ thể nhiệt độ và ion nồng độ — thay đổi chậm như vậy rằng họ có thể được thưởng thức thường xuyên. Với số lượng khác-chẳng hạn như electrocardiogram và dòng chảy đường hô hấp khí — có thể yêu cầu giám sát liên tục. Nội dung tần số của measurand, mục tiêu của các phép đo, tình trạng của bệnh nhân, và trách nhiệm pháp lý tiềm năng của 8 1 B A S TÔI C C O N C E P T S O F M E D TÔI C MỘT L TÔI N S T R U M E N T T MỘT TÔI O N bác sĩ tất cả ảnh hưởng như thế nào thường dữ liệu y khoa được mua lại. Nhiều dữ liệu được thu thập có thể đi không sử dụng.TẠO RA VÀ ĐIỀU CHỈNH CẢM BIẾNBộ cảm biến tạo ra sản xuất của đầu ra tín hiệu từ năng lượng lấy trực tiếp từ measurand, trong khi bộ cảm ứng điều chỉnh sử dụng measurand để làm thay đổi dòng chảy của năng lượng từ một nguồn bên ngoài trong một cách mà ảnh hưởng đến đầu ra của bộ cảm biến. Ví dụ, một tế bào quang điện là một bộ cảm biến tạo ra bởi vì nó cung cấp một điện áp đầu ra liên quan đến bức xạ của nó, mà không có bất kỳ nguồn bổ sung năng lượng bên ngoài. Tuy nhiên, một tế bào photoconductive là một bộ cảm biến modulating; để đo lường sự thay đổi của nó trong kháng chiến với chiếu xạ, chúng tôi phải áp dụng bên ngoài năng lượng cho các cảm biến.ANALOG VÀ KỸ THUẬT SỐ CHẾ ĐỘTín hiệu thực hiện đo thông tin được tương tự, có nghĩa là liên tục và có khả năng đưa vào bất kỳ giá trị trong phạm vi năng động, hoặc kỹ thuật số, có nghĩa là rời rạc và có thể đi trên chỉ là một số hữu hạn các giá trị khác nhau. Đặt hiện đang có sẵn cảm biến hoạt động trong chế độ tương tự, al - mặc dù một số dụng cụ đo lường kỹ thuật số vốn đã được phát triển. Gia tăng sử dụng xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã yêu cầu sử dụng đồng thời của kỹ thuật số analog và kỹ thuật số-to-analog chuyển đổi để giao diện máy tính với bộ cảm biến tương tự và analog Hiển thị thiết bị. Các nhà nghiên cứu đã phát triển gián tiếp cảm biến kỹ thuật số sử dụng tương tự các yếu tố cảm biến chính và các yếu tố chuyển đổi biến kỹ thuật số (quang trục mã hóa). Cũng cảm biến quasi-kỹ thuật số, chẳng hạn như nhiệt kế tinh thể thạch anh, cung cấp cho các kết quả đầu ra với tần số biến, nhịp tim, hoặc thời gian xung dễ dàng được chuyển đổi sang kỹ thuật số tín hiệu.Những lợi thế của kỹ thuật số chế độ hoạt động bao gồm chính xác hơn,Độ, độ tin cậy và miễn dịch đối với tiếng ồn. Hơn nữa, định kỳ cali-bration thường không phải là bắt buộc. Hiển thị số kỹ thuật số thay thế nhiều đồng hồ analog phong trào vì của độ chính xác và dễ đọc hơn. Nhiều bác sĩ, Tuy nhiên, thích tương tự sẽ hiển thị khi họ xác định cho dù một biến sinh lý là trong giới hạn nhất định, và khi họ đang tìm kiếm một tham số có thể thay đổi một cách nhanh chóng, chẳng hạn như nhịp tim đánh bại đánh bại. Trong trường hợp thứ hai, kỹ thuật số hiển thị thường xuyên thay đổi con số quá nhanh rằng họ là rất khó khăn và gây phiền nhiễu để quan sát.CHẾ ĐỘ THỜI GIAN THỰC VÀ THỜI GIAN TRÌ HOÃNTất nhiên cảm biến phải có được tín hiệu trong thời gian thực như các tín hiệu thực sự xảy ra. Đầu ra của hệ thống đo lường có thể không hiển thị kết quả ngay lập tức, Tuy nhiên, bởi vì một số loại xử lý tín hiệu, chẳng hạn như trung bình và biến đổi, cần đáng kể đầu vào trước khi bất kỳ kết quả có thể được sản xuất. Thường xuyên như vậy sự chậm trễ ngắn được chấp nhận trừ khi khẩn cấp