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.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 MODESOf 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) 2:

TÍN HIỆU ĐIỀU Thông thường các cảm biến đầu ra không thể được kết nối trực tiếp với các thiết bị hiển thị. Điều tín hiệu đơn giản chỉ có thể khuếch đại và lọc các tín hiệu hoặc chỉ phù hợp với trở kháng của cảm biến để hiển thị. Thường thì kết quả đầu ra cảm biến được chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số và sau đó xử lý bằng mạch kỹ thuật số chuyên dụng hoặc một máy vi tính (Tompkins và Webster, 1981). Ví dụ, bộ lọc tín hiệu có thể làm giảm tín hiệu cảm biến không mong muốn. Nó cũng có thể lặp đi lặp lại tín hiệu trung bình để giảm tiếng ồn, hoặc nó có thể chuyển đổi thông tin từ miền thời gian để miền tần số. OUTPUT DISPLAY Kết quả của quá trình đo lường phải được hiển thị trong một hình thức mà các nhà điều hành con người có thể cảm nhận được. Các hình thức tốt nhất cho màn hình hiển thị có thể số lượng, hoặc đồ họa, rời rạc hay liên tục, thường xuyên hay tạm thời-tùy thuộc vào 1. 3 ALTERNATIVEOPERATIONA LMODES 7 các measurand đặc biệt và làm thế nào các nhà điều hành sẽ sử dụng thông tin. Mặc dù hầu hết các màn hình dựa vào thị giác của chúng tôi, một số thông tin (Doppler tín hiệu siêu âm, ví dụ) là tốt nhất cảm nhận bằng các giác quan khác (ở đây là thính giác). Điều khiển người dùng và hiển thị đầu ra phải phù hợp với yếu tố con người hướng dẫn kỹ thuật và thực tiễn ưu tiên cho thiết kế của thiết bị y tế (AAMI, 1993). PHỤ YẾU TỐ Một tín hiệu hiệu chuẩn với các thuộc tính của measurand nên được áp dụng cho các đầu vào cảm biến hoặc sớm trong chuỗi tín hiệu xử lý càng tốt. Nhiều hình thức kiểm soát và phản hồi có thể được yêu cầu để gợi ra những measurand, để điều chỉnh các cảm biến và tín hiệu điều hòa và chỉ đạo các dòng đầu ra cho màn hình hiển thị, lưu trữ, hoặc truyền. Kiểm soát và thông tin phản hồi có thể tự động hoặc bằng tay. Dữ liệu có thể được lưu trữ một thời gian ngắn để đáp ứng các yêu cầu của tín hiệu điều hay để cho phép các nhà điều hành để kiểm tra dữ liệu trước điều kiện báo động. Ngoài ra, dữ liệu có thể được lưu trữ trước khi điều chỉnh tín hiệu, do đó chương trình xử lý khác nhau có thể được sử dụng. Nguyên tắc thông thường của thông tin liên lạc thường xuyên có thể được sử dụng để truyền dữ liệu để hiển thị từ xa tại các trạm y tá, trung tâm y tế, hoặc các cơ sở xử lý dữ liệu y tế. 1.3 THAY THẾ PHƯƠNG THỨC HOẠT ĐỘNG CHẾ ĐỘ TRỰC TIẾP- Thường thì measurand mong muốn có thể giao tiếp trực tiếp với một cảm biến vì measurand có thể tiếp cận hoặc do thủ thuật xâm lấn có thể chấp nhận được. Khi measurand mong muốn là không thể truy cập, chúng tôi có thể sử dụng một measurand rằng cần phải có một mối quan hệ được biết đến với mong muốn một hoặc một số dạng năng lượng hay tài liệu mà tương tác với measurand mong muốn để tạo ra một measurand mới có thể truy cập. Ví dụ như cung lượng tim (lượng máu được bơm mỗi phút của tim), được xác định từ các phép đo nồng độ hô hấp và khí máu hoặc từ pha loãng thuốc nhuộm; hình thái của cơ quan nội tạng, xác định từ bóng X-quang; và khối lượng phổi, xác định từ các biến thể trong lồng ngực trở kháng plethysmography. LẤY MẪU VÀ PHƯƠNG THỨC LIÊN TỤC Một số measurands-chẳng hạn như nhiệt độ cơ thể và ion concentrations- thay đổi quá chậm nên có thể được lấy mẫu thường xuyên. Quantities- khác như điện khí hô hấp dòng chảy có thể yêu cầu giám sát liên tục. Các nội dung tần số của measurand, mục tiêu của việc đo lường, tình trạng của bệnh nhân, và trách nhiệm pháp lý tiềm năng của 8 1 BASICCONCEPTSOFMEDICA LINSTRUMENTATION bác sĩ tất cả ảnh hưởng như thế nào thường xuyên dữ liệu y tế được mua. Nhiều dữ liệu được thu thập có thể đi không sử dụng. GENERATING và điều chỉnh SENSORS Tạo cảm biến tạo ra tín hiệu đầu ra từ năng lượng lấy trực tiếp từ measurand, trong khi bộ cảm biến điều chỉnh sử dụng measurand thay đổi dòng chảy của năng lượng từ một nguồn bên ngoài trong một cách mà ảnh hưởng đến sản lượng của cảm biến. Ví dụ, một tế bào quang điện là một cảm biến tạo ra bởi vì nó cung cấp một điện áp đầu ra liên quan đến bức xạ của nó, mà không cần bất kỳ nguồn năng lượng bên ngoài bổ sung. Tuy nhiên, một tế bào quang là một cảm biến điều chế; để đo lường sự thay đổi của nó trong kháng chiến với chiếu xạ, chúng ta phải áp dụng năng lượng bên ngoài để các cảm biến. ANALOG và DIGITAL PHƯƠNG THỨC tín hiệu mang thông tin đo lường được, hoặc tương tự, có nghĩa là liên tục và có thể đưa vào bất kỳ giá trị trong phạm vi năng động, hoặc kỹ thuật số, có nghĩa là rời rạc và có khả năng đảm nhận chỉ có một số hữu hạn các giá trị khác nhau. Hiện nay hầu hết các cảm biến có sẵn hoạt động ở chế độ tương tự, mặc dù một số thiết bị đo lường kỹ thuật số vốn đã được phát triển. Tăng cường sử dụng xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã được yêu cầu sử dụng đồng thời từ analog sang kỹ thuật số và kỹ thuật số-to-analog chuyển đổi giao diện máy tính với bộ cảm biến tương tự và thiết bị hiển thị tương tự. Các nhà nghiên cứu đã phát triển cảm biến kỹ thuật số gián tiếp sử dụng các phần tử cảm biến chính tương tự và các yếu tố biến-chuyển đổi kỹ thuật số (mã hóa trục quang học). Ngoài cảm biến bán kỹ thuật số, chẳng hạn như nhiệt kế thạch anh tinh thể, cho kết quả đầu ra với tần số biến, nhịp tim, hoặc độ rộng xung được dễ dàng chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số. Những lợi thế của chế độ kỹ thuật số hoạt động bao gồm độ chính xác cao, độ lặp lại, độ tin cậy, và khả năng miễn dịch với tiếng ồn. Hơn nữa, kỳ bration cali- thường không cần thiết. Hiển thị số kỹ thuật số được thay thế nhiều phong trào mét tương tự vì độ chính xác cao hơn và khả năng đọc của họ. Nhiều bác sĩ, tuy nhiên, thích màn hình tương tự khi chúng được xác định một biến sinh lý là trong giới hạn nhất định và khi họ đang tìm kiếm một thông số có thể thay đổi một cách nhanh chóng, chẳng hạn như nhịp tim đập đến nhịp. Trong trường hợp sau, màn hình kỹ thuật số thường xuyên thay đổi số điện thoại một cách nhanh chóng rằng họ là rất khó khăn và gây phiền nhiễu để quan sát. REAL-THỜI GIAN VÀ HOÃN THỜI GIAN PHƯƠNG THỨC của cảm biến nhiên phải có 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, vì một số loại xử lý tín hiệu, chẳng hạn như trung bình và biến đổi, cần sự đóng góp đáng kể trước khi bất kỳ kết quả có thể được sản xuất. Thường thì sự chậm trễ ngắn như vậy là chấp nhận được, trừ khi khẩn cấp