Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Καραμήτσιος Σταμάτιος, 5645 Καλαμπόγιας Ιωάννης, 5637 Θέμα Μη Επεμβατική Μέθοδος Μέτρησης Γλυκόζης Επιβλέπων Ευάγγελος Δερματάς Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούνιος, 2011

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Μη Επεμβατική Μέθοδος Μέτρησης Γλυκόζης Τών φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Καλαμπόγιας Ιωάννης του Βασιλείου Καραμήτσιος Σταμάτιος του Βασιλείου Αριθμός Μητρώου: 5637 και 5645 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Μη Επεμβατική Μέθοδος Μέτρησης Γλυκόζης Φοιτητές: Καραμήτσιος Σταμάτιος Καλαμπόγιας Ιωάννης Επιβλέπων: Ευάγγελος Δερματάς Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζεται η εξομοίωση της μεθόδου για την μη επεμβατική μέτρηση της γλυκόζης στο αίμα. Η καρδιά της μεθόδου είναι ο μικροεπεξεργαστής της Texas Instruments Msp430f169, τον οποίο και προγραμματίσαμε σε γλώσσα C. Η φυσική αρχή λειτουργίας που στηριχθήκαμε είναι ο νόμος απορρόφησης του φωτός του Beer - Lambert. Το αναλογικό σήμα το μετατρέψαμε σε ψηφιακό με τη χρήση του ADC12 μετατροπέα, το οποίο είναι περιφερειακό στοιχείο του μικροεπεξεργαστή. Ο msp430f169 ενδείκνυται για την συγκεκριμενη περίπτωση καθώς ενέχει δυνατότητες λειτουργίας με πολύ μικρή κατανάλωση ενέργειας και δυνατότητα σύνδεσης με μεγάλη ποικιλία περιφερειακών συσκευών. Συγκεκριμένα, στο 1ο κεφάλαιο αναφερόμαστε σε κάποιες γενικές πληροφορίες για την βιοιατρική και τις εξελίξεις στον χώρο της τηλειατρικής. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στην επεξεργασία του βιολογικόυ σήματος και συγκεκριμένα στην διαδικασία ταξινόμησης, λήψης και επεξεργασίας του σήματος. Το 3ο κεφάλαιο περιγράφει τις μεθόδους προσδιορισμού της γλυκόζης στο αίμα τόσο επεμβατικά όσο και μη επεμβατικά. Ακολουθεί το 4ο κεφάλαιο στο οποίο γίνεται μια εισαγωγη στην οικογένεια του μικροεπεξεργαστή που χρησιμοποιήσαμε, με αναλυτική παρουσίαση με τα στοιχεία που αφορούν την αρχιτεκτονική του καθώς και οι γενικές αρχές λειτουργίας του ADC12 με τον οποίο γίνεται η μετατροπή του αναλογικού σε ψηφιακό σήμα. Με το 5ο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση της δομής του hardware, καθώς αναφερόμαστε στην κατασκευή της κυκλωματικής διάταξης, της τροφοδοσίας της και στις αρχές λειτουργίας των διόδων και όλων των στοιχείων που κάναμε χρήση κατά την εκπόνηση της διπλωματικής. Το 6ο

4 κεφάλαιο που αποτελεί νευραλγικό σημείο της διπλωματικής αποτελείται απο τον κώδικα για τον έλεγχο της αντίστασης του ποτενσιόμετρου και για την λήψη βιολογικού σήματος με χρήση τριών led. Τέλος, το 7ο κεφάλαιο, αναφέρει το θεωρητικό υπόβαθρο του νόμου του Beer-Lambert και επεξηγεί αναλυτικά τους παράγοντες που επηρρεάζουν την λήψη του βιολογικού σήματος.

5 Κατάλογος περιεχομένων...1 Κεφάλαιο ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Εμβιομηχανική Εμφυτεύσιμα συστήματα Διαγνωστικά Συστήματα Ελάχιστα επεμβατική ή μη επεμβατική χειρουργική Φαρμακευτικές εφαρμογές Εφαρμογές της Βιοΐατρικής Τεχνολογίας στην Οδοντιατρική Η-Υγεία Τηλεϊατρική ΥΠΟΣΧΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ...22 Κεφάλαιο ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΛΗΨΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Δειγματοληψία Κβαντισμός ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Ψηφιακά φίλτρα Μέση τιμή σήματος Φασματική ανάλυση Προσαρμοστικά φίλτρα...39 Κεφάλαιο ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΟ ΑΙΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΧΡΗΣΗ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΓΙΑ ΜΗ...45 ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΩΝ Εισαγωγή Εναλλακτικές μέθοδοι για τους μεταβολίτες Μη επεμβατικές φασματοσκοπικές μέθοδοι Συμπεράσματα ΜΗ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΟ ΑΙΜΑ Γενικές αρχές Μέτρηση της γλυκόζης με οπτικά μέσα Φάσμα απορρόφησης της γλυκόζης Μη επεμβατική μέτρηση ΠΡΩΤΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΔΕΥΤΕΡΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Τρόπος χρήσης ΤΡΙΤΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Λεπτομερής περιγραφή Οπτικά χαρακτηριστικά του υδατοειδούς υγρού και του...67 κερατοειδούς χιτώνα Οπτική πορεία Οπτικό σύστημα...68 Κεφάλαιο

6 ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ MSP430x1xx ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Βασικά χαρακτηριστικά Βασικά χαρακτηριστικά Χώρος διευθύνσεων ΕΠΑΝΕΚΚΙΝΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ, ΔΙΑΚΟΠΕΣ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ...84 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Επανεκκίνηση συστήματος και αρχικοποίηση Διακοπές Τρόποι λειτουργίας Bit RISC CPU Εισαγωγή Καταχωρητές της CPU Τρόποι διευθυνσιοδότησης Σύνολο εντολών ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΙΣΟΔΟΙ/ΕΞΟΔΟΙ Εισαγωγή Λειτουργία Ψηφιακών Εισόδων/Εξόδων Καταχωρητές των Ψηφιακών Εισόδων/Εξόδων ΧΡΟΝΙΣΤΗΣ_Α (TIMER_A) Εισαγωγή Λειτουργία του Χρονιστή_Α Καταχωρητές του Timer_A ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗ ΔΙΕΠΑΦΗ USART, Λειτουργία SPI Εισαγωγή: SPI Mode Λειτουργία USART: SPI Mode Καταχωρητές της USART : SPI Mode ADC Εισαγωγή στον ADC Λειτουργία του ADC Καταχωρητές του ADC Κεφάλαιο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ HARDWARE ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΤΟΥ INA ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ INA Συνδεσμολογία Καθορισμός του κέρδους Ρύθμιση offset Προστασία εισόδων ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ AD Βασική περιγραφή Γενική περιγραφή Λειτουργία ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΕΚΠΕΜΠΟΥΣΕΣ ΔΙΟΔΟΙ (LEDs) Βασικές αρχές Βασικές έννοιες...190

7 5.8 ΟΠΤΙΚΟΙ ΦΩΤΟΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ Εισαγωγή Bασικές έννοιες Φωτοδίοδοι Χιονοστιβάδας (APD) Η Φωτοδίοδος PDB-C Κεφάλαιο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ Το βήματα της υλοποίησης ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ Θεωρητική περιγραφή του προγραμματισμού του ψηφιακού ποτενσιόμετρου Προγραμματισμός του ψηφιακού ποτενσιόμετρου σε γλώσσα C Προγραμματισμός για την λήψη βιολογικού σήματος με χρήση τριών led σε γλωσσα C..202 Κεφάλαιο ΛΗΨΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο νόμος του BEER Μετάδοση και απορροφητικότητα του φωτός Πολλαπλοί απορροφητές Παλμός του Αίματος Λόγος των λόγων Μέθοδος ανώτατης και κατώτατης τιμής Μέθοδος παραγώγου Κορεσμός αντί κανονικοποιημένου λόγου Κανονικοποίηση Ο λόγος των κανονικοποιημένων σημάτων Θεωρητική καμπύλη βαθμονόμησης Παράγοντες που επηρεάζουν την λήψη Επίδραση του χώρου μέτρησης στο λαμβανόμενο σήμα Επίδραση του μέρους του σώματος του ασθενούς που εξετάζεται Επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης στο μέρος του σώματος που εξετάζεται Επίδραση του χρώματος δέρματος Επίδραση της αρτηριακής πίεσης Bιβλιογραφία...224

8 Κεφάλαιο 1 ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Βιοϊατρική Τεχνολογία (από την ερμηνεία του αγγλοσαξονικού όρου Biomedical Engineering ή του Γαλλικού Genie Biologie et Medicale) ορίζεται ως η επιστήμη που εφαρμόζει αρχές και μεθόδους της μηχανικής, των θετικών επιστημών (φυσικής, χημείας, μαθηματικών) και της τεχνολογίας εν γένει στη Βιολογία και την Ιατρική. Αποτελεί ένα ευρύ πεδίο για την εφαρμογή των αρχών της μηχανικής και της προηγμένης τεχνολογίας, με σκοπό την επίλυση προβλημάτων της ιατρικής και της Βιοεπιστήμης γενικότερα. Έχει επεκταθεί μέχρι σήμερα πρακτικά σε όλους τους τομείς της μηχανικής χρησιμοποιώντας αρχές και τεχνολογίες της, για να σχεδιάσει και να αναπτύξει διάφορα προϊόντα για κλινική χρήση (όπως τα ενδοσκόπια, την υπερηχητική λιθοτριψία, το laser, τους πυρηνικούς τομογράφους-mri, τους υπολογιστικούς τομογράφους-ct τους υπερηχογράφους και τους βηματοδότες) καθώς και τεχνικές (όπως επεξεργασία βιοσημάτων και εικόνων, τεχνητή νοημοσύνη κλπ.) τόσο κατά την κλινική έρευνα όσο και κατά τις διαδικασίες της διάγνωσης και θεραπείας των ασθενειών. Η Βιοϊατρική Τεχνολογία περιλαμβάνει πολλούς επί μέρους τομείς και ασχολείται με διάφορα αντικείμενα μελέτης, πολλά από τα οποία επικαλύπτονται με το χώρο δράσης άλλων επιστημών. Στο σχήμα 1.1 παρουσιάζεται ο συνδυασμός των επιστημών στις οποίες βασίζεται η Βιοϊατρική Τεχνολογία. Σχήμα 1.1: Η Βιοϊατρική Τεχνολογία ως σύνθεση επιστημονικών πεδίων

9 Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, η Βιοϊατρική Τεχνολογία μπορεί να διαχωριστεί στα παρακάτω γνωστικά αντικείμενα: Εμβιομηχανική (Biomechanics):είναι η εφαρμογή των αντιλήψεων και θεωριών του μηχανικού προκειμένου να προσομοιωθούν βασικά βιολογικά συστήματα. Ιατρική Τεχνολογία (Medical Engineering):αναφέρεται στην εφαρμογή τεχνολογιών για την ανάπτυξη νέων διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών, μηχανημάτων και συσκευών στα πεδία της Βιοϊατρικής και των Βιοϋλικών. Κλινική Μηχανική (Clinical Engineering):περιλαμβάνει την ανάπτυξη νέων τεχνικών αλλά και τη διαχείριση τεχνικών που ήδη εφαρμόζονται για τη βελτίωση της παροχής υπηρεσιών υγείας σε νοσοκομεία, κλινικές και κέντρα υγείας. Τεχνολογία Αποκατάστασης (Rehabilitation Engineering):περιλαμβάνονται η χρήση της τεχνολογίας για τη βελτίωση των συνθηκών ζωής ατόμων με ειδικά προβλήματα καθώς και η ανάπτυξη τεχνητών οργάνων. Πέρα από αυτούς τους βασικούς τομείς, με βάση τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται και τις εφαρμογές των αποτελεσμάτων, η Βιοϊατρική Τεχνολογία περιλαμβάνει και άλλα πεδία όπως: Βιοϋλικά (Biomaterials) με στόχο την ανάπτυξη υλικών για αντικατάσταση ιστών, οργάνων και λειτουργιών του σώματος (μαλακοί ιστοί, ορθοπεδικές προσθέσεις, βηματοδότες κ.λπ.), Βιορομποτική (Bio-robotics), Τηλεϊατρική, Ηλεκτρονική υγεία (e-health). Παράλληλα, η Βιοϊατρική Τεχνολογία περιλαμβάνει τομείς όπως: Ιατρική Απεικόνιση με έμφαση στη διάγνωση και υποστήριξη θεραπευτικών διαδικασιών, Εφαρμογές Εικονικής Πραγματικότητας στην ιατρική εκπαίδευση και τη σχεδίαση της θεραπευτικής αντιμετώπισης κλινικών δεδομένων με χρήση Η/Υ, Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιών και Πληροφορικής στην υγεία και εκπαίδευση (ιατρική αρχειοθέτηση, τηλεεκπαίδευση κλπ.) Ανάπτυξη τεχνικών επεξεργασίας κυττάρων και κυτταρικών συστατικών (επεξεργασία πρωτεϊνών, παραγωγή μονοκλωνικών αντισωμάτων, γονιδιακή θεραπεία) κλπ. Ο κλάδος της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλούς ρυθμούς ανανέωσης σαν αποτέλεσμα της συνεχούς παραγωγής νέας γνώσης, μεθόδων και τεχνικών που προκύπτουν από μεγάλο αριθμό προγραμμάτων έρευνας και ανάπτυξης σε όλες τις αναπτυγμένες χώρες. Οι τεχνολογικές εφαρμογές στο χώρο της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας τον καθιστούν σήμερα έναν από τους ταχύτερα εξελισσόμενους κλάδους της βιομηχανίας, μαζί με αυτούς της τηλεματικής και της βιοτεχνολογίας με τους οποίους άλλωστε επικαλύπτεται και διασυνδέεται στενά. Διεθνώς ο κλάδος εκφράζεται σήμερα μέσω μεγάλου αριθμού επιστημονικών και επαγγελματικών εταιρειών από τις οποίες 45 έχουν αναγνωρισθεί και λειτουργούν κάτω από την ομπρέλα της Διεθνούς Συνομοσπονδίας Ιατρικής και Βιολογικής Μηχανικής IFMBE (International Federation of Medical and Biological Engineering). Αντίστοιχες ενώσεις έχουν δημιουργηθεί και εκφράζουν τους κατασκευαστές ιατροτεχνολογικών προϊόντων, σε περιφερειακό ή διεθνές επίπεδο και κυρίως στους οργανισμούς τυποποίησης (ISO, CEN κ.λπ.) και τις αρμόδιες αρχές.

10 1.2 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Παρακάτω παρατίθενται στοιχεία που σχετίζονται με τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογής της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Εμβιομηχανική Το ερευνητικό πεδίο της Εμβιομηχανικής (Biomechanics) περιλαμβάνει μηχανική βιολογικών στερεών και υγρών, σχεδιασμό και ανάπτυξη οργάνων μέτρησης και συσκευών, βιοϊατρική απεικόνιση, σχεδιασμό τεχνητών αρθρώσεων, βιοϋλικά για βιοσυμβατότητα. Η έρευνα στο χώρο της Εμβιομηχανικής στοχεύει : στην ελαχιστοποίηση του μεγέθους των ήδη υπαρχουσών συσκευών στην αύξηση της βιοσυμβατότητας στην αύξηση της λειτουργικότητας στην αύξηση της ακρίβειας στη μείωση του χρόνου μέτρησης και ανάλυσης στην ανάπτυξη συστημάτων αυτόματης διάγνωσης και ανάλυσης στην επίτευξη συστημάτων παρακολούθησης και έλεγχου του ασθενούς στην αυτόματη ή ευφυή διαχείριση και παροχή φαρμάκων στην ανάπτυξη συστημάτων μικροχειρουργικής Στον πίνακα 1.1 συνοψίζονται οι παρούσες και οι μελλοντικές τυπικές εφαρμογές μικροσυστημάτων και νανοσυστημάτων στο χώρο της ιατρικής, μαζί με τις κύριες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη τους: Είναι φανερό από τον παρακάνω πίνακα ότι, τουλάχιστον στο πεδίο της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, οι νανοτεχνολογίες σε σχέση με τις μικροτεχνολογίες βρίσκονται ακόμα σε βασικό στάδιο έρευνας. Τα πρώτα μικροσκοπικά συστήματα τα οποία κινούνται στο ανθρώπινο κυκλοφορικό σύστημα με στόχο την ίαση ασθενειών είναι ήδη έτοιμα. Παρ' όλα αυτά οι νανοτεχνολογίες έχουν πολύ μεγάλη δυναμική και προβλέπεται ότι θα κυριαρχήσουν στις τεχνολογικές εφαρμογές στα αμέσως επόμενα χρόνια. Ήδη υπάρχουν ομάδες ιατρικών ερευνητών οι οποίες εκμεταλλεύονται τα εργαλεία της νανοτεχνολογίας για την επεξεργασία βιομορίων που σχετίζονται με την ανθρώπινη υγεία και ειδικότερα με κάποιες ασθένειες. Ήδη έχουν δοκιμαστεί με επιτυχία συστοιχίες από μικροσκοπικές βελόνες (σε μορφή αυτοκόλλητου) με τις οποίες χορηγούνται ανώδυνα φαρμακευτικές ουσίες μέσω του δέρματος.

11 Κύριες Τεχνολογίες Τυπική Εφαρμογή Μελλοντική Εφαρμογή Μικροηλεκτρονική Καρδιακοί Βηματοδότες Ακουστικά Βοηθήματα Αισθητήρες για πολλαπλές εφαρμογές Τεχνητοί αισθητήρες όπως ακουστικά και οπτικά βοηθήματα Μικροοπτική Οπτική μικροσκοπία Αισθητήρες Ινών Προβολή και Έλεγχος DNA Ενδοσκοπία Μικροχειρουργικές επεμβάσεις Χειρουργική με Laser Πολυεργαλεία μικροχειρουργικής Μικρορευστότητα Μικροαντιδραστήρες Συστήματα Μικροαντλιών Καρδιολογική Βοήθεια Αισθητήρες Ροής Μικροβαλδίδες Τεχνολογία «Εργαστήριο πάνω σε chip» Μικρομηχανική Αισθητήρες πίεσης αίματος In vivo αισθητήρες πίεσης αίματος Ευφυή συστήματα καθετήρων Τεχνητά βοηθήματα κίνησης και μύες Μικρο τεχνο λογίες Τεχνολογία λεπτού φίλμ Βιοσυμβατικές επιφάνειες Συστήματα αισθητήρων Μηχανική ιστών Βιοϋλικά, Βιομοριακές αρχιτεκτονικές Ερευνητική εργασία μόνο Νανο Ιδιαίτερα σκριβής τεχνο επεξεργασία των λογίες επιφανειών και των πλευρικών δομών Ερευνητική εργασία μόνο Βιολειτουργικές μεμβράνες Βιολειτουργικές συσκευές και όργανα Εξαιρετικά μικροσκοπικοί In vivo αισθητήρες για μακροχρόνια παρακολούθησης Τεχνολογία «Εργαστήριο πάνω σε chip» Γονιδιακή τεχνολογία Τεχνητά όργανα Ευφυή συστήματα παροχής φαρμάκων Μη επεμβατική ιατρική θεραπεία Ατομικά σχεδιασμένα φάρμακα Βιοτεχνητά όργανα

12 Νανοοπτική Ερευνητική εργασία μόνο Τεχνητός αμφιβληστροειδής Νανοσωματίδια Κυρίως ερευνητική εργασία Νανοσωματίδια για τη θεραπεία του καρκίνου Ευφυή συστήματα παροχής φαρμάκων Νανομηχανές Ανεφάρμοστες θεωρίες Νανομηχανές για in vivo επίθεση στα καρκινικά κύτταρα και στους ιούς Μηεπεμβατική χειρουργική Πίνακας 1.1: Ιατρικές εφαρμογές μικροτεχνολογίας και νανοτεχανολογίας Εμφυτεύσιμα συστήματα Παρακάτω αναφέρονται κάποια παραδείγματα μικροτεχνολογιών με τη μορφή εμφυτεύσιμων συστημάτων που βρίσκονται ήδη σε εφαρμογή. Καρδιακοί βηματοδότες Οι καρδιακοί βηματοδότες αποτελούν ένα από τα πιο σημαντικά παραδείγματα εφαρμογών των μικροτεχνολογιών. Το πρώτο εμπορικό σύστημα ήταν διαθέσιμο το 1960, ενώ από τότε γίνονται προσπάθειες για μείωση των διαστάσεων και αύξηση της λειτουργικότητας και του χρόνου ζωής. Οι κύριες απαιτήσεις είναι: Υψηλή αξιοπιστία και λειτουργικότητα Μικρό μέγεθος συσκευής ώστε να μπορεί να τοποθετηθεί δίπλα στην καρδιά Βιοσυμβατότητα έτσι ώστε να χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα μέσα στον οργανισμό Αποτελεσματική διαχείριση της ενέργειας ώστε να υπάρχει μακρόχρονη σταθερότητα Περίπου βηματοδότες εμφυτεύονται σε παγκόσμια κλίμακα κάθε χρόνο.

13 Βοηθήματα ακοής Τα βοηθήματα ακοής μπορούν να διακριθούν σε 4 μεγάλες κατηγορίες: ΒΤΕ (Behind the ear) ITE (in the ear) ITC (in the channel) CIC (completely in the channel) Οι κατηγορίες ITC και CIC έχουν ιδιαίτερα μικρές διαστάσεις και είναι ειδικά σχεδιασμένες για εμφύτευση στο αυτί. Για πάνω από 20 χρόνια, η χειρουργική εμφύτευση ακουστικών βοηθημάτων έχει γίνει μια τυπική θεραπεία για όσους πάσχουν από απώλεια ακοής. Σε παγκόσμια κλίμακα περίπου 1000 ασθενείς κάθε χρόνο υποβάλλονται σε τέτοια επέμβαση. Πέρα από τη μείωση του σχήματος, τα σύγχρονα ακουστικά βοηθήματα όλων των τύπων οδηγούνται προς τον πλήρη προγραμματισμό, ρυθμίζοντας το επίπεδο ενίσχυσης και την απόκριση της συχνότητας, στην ακουστική ανεπάρκεια του ασθενή Διαγνωστικά Συστήματα Η Βιοϊατρική Τεχνολογία έχει συμβάλλει σημαντικά και στον τομέα της διάγνωσης νοσημάτων. Παρακάτω αναφέρονται κάποια παραδείγματα διαγνωστικών συστημάτων. Αισθητήρες Πίεσης του Αίματος Οι αισθητήρες πίεσης του αίματος θεωρούνται ως ένα από τα πιο ευρέως διαδεδομένα προϊόντα μικροσυστημάτων για ιατρικές εφαρμογές. Σε σύγκριση με τις κοινές τεχνικές μέτρησης της πίεσης του αίματος, η τεχνολογία των αισθητήρων παρέχει ένα ηλεκτρονικό σήμα το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτόματη ιατρική παρακολούθηση και έλεγχο του ασθενούς. Η σύγχρονη τάση στην τεχνολογία μετρήσεων της πίεσης είναι οι εμφυτεύσιμοι αισθητήρες οι οποίοι συν τοις άλλοις επιτρέπουν διαρκή καταγραφή του σήματος. Οι διαστάσεις αυτών των συστημάτων είναι μικρότερες των χιλιοστών χάρη στη μικροτεχνολογία σιλικόνης. Αισθητήρες γλυκόζης Ο διαβήτης είναι μια από τις πιο διαδεδομένες ασθένειες στις ανεπτυγμένες χώρες, με εκατομμύρια ασθενείς παγκοσμίως. Ακόμα και σήμερα ο διαβήτης δεν μπορεί να θεραπευθεί και έτσι οι ασθενείς είναι υποχρεωμένοι να κάνουν καθημερινά ενέσεις ινσουλίνης ή να φέρουν αντλίες έγχυσης ινσουλίνης. Προκειμένου να χορηγείται στους ασθενείς η κατάλληλη δόση ινσουλίνης, πρέπει να παρακολουθείται με ακρίβεια το επίπεδο της γλυκόζης στο αίμα. Οι σύγχρονες εξελίξεις σε Ηνωμένες Πολιτείες και Γερμανία έχουν οδηγήσει σε νέα συστήματα αισθητήρων, τα οποία είναι ήδη διαθέσιμα στην αγορά είτε θα είναι σύντομα. Οι υπηρεσίες που παρέχουν αυτά τα συστήματα περιλαμβάνουν: Μετρήσεις μέσω μικροσκοπικών εμφυτεύσιμων ηλεκτροχημικών αισθητήρων κάτω από το δέρμα Μεταφορά σωματικού υγρού μέσω ηλεκτρο-όσμωσης Διάτρηση του δέρματος με LASER σε μικροοπές για μεταφορά σωματικού υγρού στην κεφαλή του αισθητήρα Εφαρμογή τεχνικών μικροδιάλυσης με τη βοήθεια εμφυτευόμενων ινών κάτω από το δέρμα Πολωσιμετρία και φασματοσκοπία σε εμφυτευμένα συστήματα

14 Κοινό μέλημα των συστημάτων αυτών αποτελεί η περαιτέρω μείωση του πόνου από την πλευρά του ασθενούς, σε συνδυασμό με την επίτευξη υψηλότερης ακρίβειας στον καθορισμό των δόσεων της ινσουλίνης. Διαγνωστική Απεικόνιση Το πεδίο αυτό της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας έχει ως αντικείμενο την έρευνα και ανάπτυξη απεικονιστικών διαγνωστικών συστημάτων. Στον πίνακα 1.2 συνοψίζονται οι υπάρχουσες ιατρικές εφαρμογές και οι μελλοντικές εξελίξεις στον τομέα αυτό. Τυπική Εφαρμογή - Συμβατική ακτινοδιάγνωση - Τεχνικές Υπερήχων - Ψηφιακή Ακτινογραφία - Ενδοσκόπηση - Τομογραφία εκπομπής Ποζιτρονίων - Βιομαγνητισμός Μελλοντικές Εξελίξεις - Αντικατάσταση της Συμβατικής ακτινολογίας με Ψηφιακή - Έμφαση σε τεχνικές συμπίεσης και υψηλής ταχύτητας τηλεπικοινωνιακά συστήματα - Ενσωμάτωση σε εφαρμογές Τηλεματικής στην υγεία - Τεχνικές επεξεργασίας και αρχειοθέτησης εικόνων και τεχνικές επικοινωνίας Πίνακας 1.2 : Ιατρικές εφαρμογές διαγνωστικής απεικόνισης και μελλοντικές εξελίξεις Ελάχιστα επεμβατική ή μη επεμβατική χειρουργική Η σύγχρονη χειρουργική τείνει να μειώσει το χειρουργικό τραύμα και να επικεντρώσει όλες τις χειρουργικές δραστηριότητες πάνω στην περιοχή ενδιαφέροντος. Η νευροχειρουργική ειδικότερα απαιτεί εξαιρετικά μικροσκοπικά εργαλεία με ελάχιστη επίδραση στις περιοχές του εγκεφάλου που περιστοιχίζουν την περιοχή ενδιαφέροντος. Ένα άλλο, εξίσου κρίσιμο πεδίο είναι οι επεμβάσεις στην καρδιά και στα αιμοφόρα αγγεία. Σε αυτά τα πεδία οι μικροτεχνολογίες, και κυρίως τα μικρομηχανικά και μικροοπτικά συστήματα, παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο. Χάρη στα προφανή πλεονεκτήματα των ελάχιστα επεμβατικών τεχνολογιών, προβλέπεται ότι τα επόμενα 15 χρόνια το 80% των επεμβάσεων θα χρησιμοποιούν αυτή την τεχνολογία. Ενδοσκόπια Τα ενδοσκόπια επιτρέπουν την εξέταση της υπό θεραπεία περιοχής εντός του ανθρώπινου οργανισμού χωρίς μεγάλη χειρουργική επέμβαση και αποτελούν τα εργαλεία κλειδιά για την ελάχιστα επεμβατική χειρουργική. Πρόκειται για μια παραδοσιακή τεχνική οπτικής παρατήρησης περιοχών στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος. Οι πρώτες εφαρμογές πραγματοποιήθηκαν στα τέλη του 19ου αιώνα. Τα πρώτα συστήματα έγιναν διαθέσιμα στην αγορά στις αρχές της δεκαετίας του Σήμερα τα ενδοσκόπια χρησιμοποιούνται σε μια πληθώρα ιατρικών πεδίων όπως η γαστροσκοπία, η ουρολογία, η ωτορινολαρυγγολογία, η γυναικολογία, η αθλητική ιατρική κτλ., και είναι εξοπλισμένα και με συστήματα video.

15 Υπάρχουν δύο διαφορετικού τύπου ενδοσκόπια: Ενδοσκόπια με άκαμπτο μοχλό, τα οποία εμπεριέχουν το οπτικό σύστημα Ενδοσκόπια τα οποία είναι βασισμένα σε τεχνολογία ευέλικτων οπτικών ινών Εργαλεία για ελάχιστα επεμβατική θεραπεία Η ελάχιστα επεμβατική χειρουργική επιτρέπει την αξιοσημείωτη μείωση του μεγέθους των χειρουργικών ανοιγμάτων. Η τεχνική αυτή όμως απαιτεί τα κατάλληλα μικροσκοπικά εργαλεία. Για το σκοπό αυτό η μικροτεχνολογία είναι η τεχνολογία κλειδί. Εργαλεία όπως η τανάλια, ο σφικτήρας, το ψαλίδι, ο ανατόμος και τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές εφαρμογές έχουν μέγεθος μερικών χιλιοστών ή και λιγότερο. Οι σύγχρονες τάσεις στη χειρουργική χρησιμοποιούν το laser σαν κύριο εργαλείο. Πέρα από την ελαχιστοποίηση του μεγέθους, σκοπός της έρευνας στον τομέα αυτό είναι η ανάπτυξη πολυεργαλείων (αισθητήρων, μικρομηχανικών εργαλείων, εργαλείων laser, ηλεκτροδίων κτλ.) επιτρέποντας έτσι το συνδυασμό πολλών λειτουργιών σε ένα μοναδικό σύστημα Φαρμακευτικές εφαρμογές Ο τομέας αυτός παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς αναπτύσσονται όλο και περισσότερα πρωτοποριακά συστήματα παροχής φαρμάκων. Ευφυή Συστήματα Παροχής Φαρμάκων Τα υπάρχοντα συστήματα παροχής φαρμάκων έχουν πολλά μειονεκτήματα και προκαλούν πολλά προβλήματα. Οι περισσότερες φαρμακευτικές ουσίες δεν εστιάζουν τη δράση τους στην περιοχή ενδιαφέροντος αλλά κατανέμονται σε όλο το σώμα χάνοντας έτσι αρκετά σε αποτελεσματικότητα. Για την αντιμετώπιση τέτοιων καταστάσεων, τα ερευνητικά εργαστήρια έχουν προχωρήσει στην ανάπτυξη έξυπνων χαπιών που αποτελούνται από γυάλινη κάψουλα στην οποία εμπεριέχεται το φάρμακο και από ηλεκτρονικό και μηχανικό σύστημα υπεύθυνο για τον έλεγχο της δοσολογίας. Μετά την κατάποση της κάψουλας από τον ασθενή, αυτή κατευθύνεται στο σημείο θεραπείας μέσω ενός συστήματος αισθητήρων, ελευθερώνει το φάρμακο και εγκαταλείπει το σώμα μέσο της φυσικής οδού. Στο επιστημονικό αυτό πεδίο έρχονται να εφαρμοστούν νανοτεχνολογίες με στόχο την παροχή φαρμάκων με χρήση νανοσωματιδίων, τα οποία εμπεριέχουν μόρια του φαρμάκου με σκοπό την εναπόθεση τους στο όργανο-στόχο. Τα νανοσωματίδια όντας αδρανή δεν ερεθίζουν το ανοσοποιητικό σύστημα βελτιώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα. Μέχρι σήμερα όλες αυτές οι τεχνικές βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο, αν και αναμένεται να χρησιμοποιηθούν γρήγορα σε θεραπευτικές μεθόδους.

16 Μηχανική αποκατάστασης (Rehabilitation Engineering) Το πεδίο αυτό δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε θέματα όπως η ανάπτυξη προσθετικών μελών, ο σχεδιασμός "έξυπνων" αναπηρικών καρεκλών ελεγχόμενων για παράδειγμα με τη φωνή. Με την εφαρμογή τεχνολογιών όπως η τηλεδιάσκεψη, η εικονική πραγματικότητα, η καταγραφή και αξιολόγηση της κίνησης μέσω αισθητήρων, παρέχεται ένα σημαντικό βοήθημα σε άτομα με αναπηρία, πράγμα που βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα ζωής τους. Για παράδειγμα η εικονική πραγματικότητα μπορεί να αποτελέσει ένα πολύ ισχυρό βοήθημα για ανθρώπους με κινητικά προβλήματα (π.χ. ασθενείς με Πάρκινσον) αλλά και για άτομα με φοβίες. Μέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον ένα τέτοιο άτομο μπορεί με ασφάλεια να εξοικειωθεί με καταστάσεις που του προκαλούν φόβο ή που μπορεί να είναι πραγματικά επικίνδυνες γι' αυτό στην πραγματική ζωή Εφαρμογές της Βιοΐατρικής Τεχνολογίας στην Οδοντιατρική Η Βιοΐατρική Τεχνολογία έχει αναπτύξει εφαρμογές και στην οδοντιατρική. Έχουν ή δη ενσωματωθεί τεχνολογίες όπως : μικροκάμερες τεχνολογίας οπτικής ίνας, Excimer Lasers για κοπή οδοντικών ουσιών κλπ. Ειδικά η χρήση laser είναι πολύ διαδεδομένη, τόσο στη διάγνωση παθήσεων της στοματικής κοιλότητας όσο και για στη θεραπεία τους. Τα lasers χρησιμοποιούνται με μεγάλη επιτυχία στην περιοδοντολογία και στην χειρουργική μαλακών ιστών. Παράλληλα γίνονται έρευνες με θετικά μέχρι τώρα αποτελέσματα για την χρήση τους στην πρόληψη και θεραπεία της τερηδόνας. Άλλη μία μέθοδος που εφαρμόζεται και έχει δώσει μέχρι τώρα καλά αποτελέσματα είναι η ηλεκτρονική αναισθησία. Πρόκειται για ένα σύστημα εξωτερικά εφαρμοζόμενων ηλεκτροδίων που προκαλεί τοπική αναισθησία σε περιπτώσεις οδοντιατρικών επεμβάσεων. Επιπλέον, σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της οδοντιατρικής επιστήμης έπαιξε η υιοθέτηση της χρήσης βιοϋλικών, η οποία δεν ήταν συνέπεια μόνο της εφεύρεσης των βιοϋλικών αλλά και της ανάπτυξης πολυποίκιλων μορφών ελέγχου των υλικών αυτών σε εργαστηριακό επίπεδο πριν την ενσωμάτωση τους στη κλινική πράξη. Οι διαδικασίες ελέγχου ξεκινούν από τις πλέον βασικές (π.χ. τοξικότητα, κίνδυνος πρόκλησης καρκίνου) και φθάνουν σε αξιοσημείωτη λεπτομέρεια, διαπιστώνοντας με μεγάλο βαθμό την αξιοπιστία των υλικών αυτών σε πραγματικές συνθήκες πίεσης (μάσηση), τριβής (βούρτσισμα), διαλυτότητας (σάλιο) και αντοχής στο χρόνο. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνονται: Νέοι τρόποι διάγνωσης ασθενειών της στοματικής κοιλότητας με χρήση ψηφιακών μεθόδων Δυνατότητα ανάλυσης και επεξεργασίας δεδομένων με στόχο την αποτελεσματικότερη θεραπεία Μεγαλύτερη διάρκεια ζωή στις αποκαταστάσεις που τοποθετούνται στο στόμα Αξιοσημείωτη αισθητική απόδοση που αγγίζει το όριο του φυσικού Μεγαλύτερη οικονομία στα τμήματα που αφαιρούνται προκειμένου να τοποθετηθούν πρόσθετα τεχνητά Τοποθέτηση υλικών που είναι συμβατά με τα φυσικά και δεν προκαλούν ενοχλήσεις ή βλάβες

17 1.2.7 Η-Υγεία Ο όρος Ηλεκτρονική υγεία (e-health), κυρίως από το 1999 και μετά, χρησιμοποιείται για να περιγράψει οτιδήποτε συνδυάζει υπολογιστές και ιατρική. Πρόκειται για την απόρροια μιας προσπάθειας να επεκταθούν οι αρχές του ηλεκτρονικού εμπορίου στο χώρο της υγείας και να τονιστούν οι νέες δυνατότητες που παρέχει το διαδίκτυο στο χώρο της ιατρικής περίθαλψης, οι οποίες μπορούν να συνοψιστούν στις παρακάτω: Δυνατότητα των πολιτών να αλληλεπιδρούν διαδικτυακά με τα συστήματα τους (B2C : "business to consumer"), Βελτιωμένες δυνατότητες μεταφοράς δεδομένων ανάμεσα σε οργανισμούς υγείας (Β2Β : "business to business"), Νέες δυνατότητες για peer-to-peer επικοινωνία των πολιτών (C2C = "consumer to consumer"). Ένας ευρύτερος ορισμός του όρου η-υγεία θα μπορούσε να είνα ο ακόλουθος: Η ηλεκτρονική υγεία (e-health) είναι ένας τομέας της ιατρικής πληροφορικής και των τηλεματικών εφαρμογών της, της δημόσιας υγείας και της βιομηχανίας, που αναφέρεται σε υπηρεσίες υγείας και πληροφορικής, οι οποίες προσφέρονται ή ενισχύονται μέσω του διαδικτύου και των σχετικών με αυτό τεχνολογιών. Με την ευρύτερη έννοια ο όρος δεν χαρακτηρίζει μόνο την τεχνολογική ανάπτυξη αλλά και ένα τρόπο σκέψης και συμπεριφοράς, μια δέσμευση για βελτίωση της περίθαλψης τοπικά και διεθνώς με τη χρήση τεχνολογιών πληροφορικής και τηλεπικοινωνιών. Τα κύρια χαρακτηριστικά της ηλεκτρονικής υγείας: Αποδοτικότητα (Efficiency) : ένα στοίχημα της ηλεκτρονικής υγείας είναι η αύξηση της αποδοτικότητας της ιατρικής περίθαλψης, μειώνοντας το κόστος. Ένας πιθανός τρόπος μείωσης του κόστους είναι η αποφυγή μη απαραίτητων διαγνωστικών ή θεραπευτικών επεισοδίων μέσω επικοινωνίας ανάμεσα στους φορείς υγείας και τον πολίτη. Βελτίωση της ποιότητας περίθαλψης : η αύξηση της αποδοτικότητας δεν μειώνει μόνο το κόστος αλλά βελτιώνει ταυτόχρονα και την ποιότητα. Η ηλεκτρονική υγεία μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα της ιατρικής περίθαλψης επιτρέποντας για παράδειγμα συγκρίσεις ανάμεσα στους παροχείς υγείας. Επιστημονική τεκμηρίωση (Evidence based) : οι ενέργειες της ηλεκτρονικής υγείας πρέπει να τεκμηριώνονται με την έννοια ότι η αποδοτικότητα τους πρέπει να αποδεικνύεται με επιστημονικές μεθόδους. Ενδυνάμωση πολιτών και ασθενών : καθιστώντας τις βάσεις δεδομένων υγείας και τον προσωπικό ηλεκτρονικό ιατρικό φάκελο προσβάσιμο από το διαδίκτυο, ανοίγονται νέοι ορίζοντες για ανθρωποκεντρικά συστήματα υγείας και διευκολύνεται ο ασθενής στις επιλογές του. Ενθάρρυνση νέων σχέσεων ανάμεσα στον ασθενή και τον επαγγελματία της υγείας, προς μια συνεργασία όπου οι αποφάσεις θα λαμβάνονται από κοινού. Εκπαίδευση των ιατρών και του παραϊατρικού προσωπικού από διαδικτυακές πηγές (συνεχής ιατρική εκπαίδευση) αλλά και των πολιτών (για παράδειγμα ιατρικές πληροφορίες πρόληψης). Διευκόλυνση ανταλλαγής πληροφοριών και επικοινωνίας με έναν προτυποποιημένο τρόπο ανάμεσα στους διάφορους φορείς υγείας : Παρέχεται η δυνατότητα προσπέλασης δεδομένων όλων των συστημάτων με ταυτόχρονη ύπαρξη ενός ενιαίου φορέα διαχείρισης και ελέγχου. Επέκταση της εμβέλειας της ιατρικής περίθαλψης πέρα από τα συμβατικά όρια, τόσο με την γεωγραφική όσο και με την μεταφορική έννοια του όρου : Οι πολίτες έχουν πρόσβαση σε online ιατρικές υπηρεσίες που παρέχονται από διεθνείς παροχείς. Αυτές οι υπηρεσίες

18 μπορεί να είναι απλά συμβουλευτικές ή και ουσιαστικότερες όπως για παράδειγμα η προμήθεια φαρμακευτικών προϊόντων. Ασφάλεια : Η η-υγεία (e-health) περιλαμβάνει νέες μορφές αλληλεπίδρασης ασθενή - ιατρού και ενέχει νέες προκλήσεις σε θέματα ασφάλειας, όπως το ιατρικό απόρρητο. Ισότητα : Μια υπόσχεση της ηλεκτρονικής υγείας είναι να γίνει η ιατρική περίθαλψη πιο ισότιμη. Σήμερα οι κυριότερες εφαρμογές της ηλεκτρονικής υγείας είναι ο ηλεκτρονικός ιατρικός φάκελος και τα διαδικτυακά φαρμακεία. Ο ηλεκτρονικός ιατρικός φάκελος είναι ένα σύστημα σχεδιασμένο έτσι ώστε να υποστηρίζει την απόλυτη διαθεσιμότητα και ακρίβεια ιατρικών πληροφοριών με σκοπό την παροχή ιατρικής περίθαλψης. Περιέχει πληροφορίες όπως κλινικά δεδομένα, νοσηλείες, εγχειρήσεις, γνωματεύσεις, ιατρικές εικόνες, ιατροφαρμακευτική περίθαλψη, ιατρικό ιστορικό, οι οποίες μπορούν να μελετηθούν, να εμπλουτιστούν, και να αξιοποιηθούν όπου και όποτε αυτό είναι απαραίτητο, από εξουσιοδοτημένα άτομα (ιατρούς, νοσηλευτές, ασθενείς, φαρμακοποιούς). Μία άλλη εφαρμογή της ηλεκτρονικής υγείας είναι τα διαδικτυακά φαρμακεία, τα οποία δεν περιορίζονται μόνο στη διεκπεραίωση συναλλαγών, αλλά επεκτείνονται στην ανταλλαγή ιατρικών δεδομένων μεταξύ ιατρών, φαρμακοποιών, διοικητικών και παραϊατρικών φορέων, καθώς και χρηστών με στόχο το αυξημένο επίπεδο παροχής υπηρεσιών υγείας Τηλεϊατρική Ο ορισμός του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας για την Τηλεϊατρική είναι: Η παροχή ιατρικής περίθαλψης - σε περιπτώσεις που η απόσταση είναι κρίσιμος παράγοντας - από όλους τους επαγγελματίες του χώρου της Υγείας χρησιμοποιώντας τεχνολογίες πληροφοριών και επικοινωνιών για την ανταλλαγή έγκυρης πληροφορίας για τη διάγνωση, αγωγή και πρόληψη ασθενειών, την έρευνα και εκτίμηση, όπως και την συνεχή εκπαίδευση των επαγγελματιών Υγείας, των ατόμων και των κοινοτήτων τους. Ο όρος τηλεϊατρική, με την ευρύτερή του έννοια, αναφέρεται στην εφαρμογή σύγχρονων τεχνολογιών των τηλεπικοινωνιών και της πληροφορικής, κυρίως προς την κατεύθυνση της αμφίδρομης επικοινωνίας με μετάδοση ήχου και εικόνας, με στόχο την παροχή ιατρικής περίθαλψης σε απομακρυσμένους ασθενείς, την τηλεμετρία και τη διακίνηση της ιατρικής γνώσης μεταξύ των ιατρικών λειτουργών. Στην πραγματικότητα η τηλεϊατρική θα πρέπει να θεωρηθεί ως μέρος ενός ολοκληρωμένου συστήματος ιατρικής φροντίδας, βασισμένου στην τεχνολογία της επικοινωνίας, κι όχι σαν ένας ανεξάρτητος κλάδος των υπηρεσιών υγείας. Αντικειμενικός στόχος ενός τέτοιου συστήματος είναι η ποιοτική και αποτελεσματική φροντίδα των ασθενών η οποία ευνοείται από τη βελτιστοποίηση της κατανομής των διαθέσιμων πόρων, είτε κλινικών είτε τεχνολογικών. Η απεξάρτηση από περιορισμούς χώρου και χρόνου, όταν αναφερόμαστε στην παροχή ιατρικής φροντίδας και στην εκπαίδευση του ιατρικού και παραϊατρικού προσωπικού, είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα της τηλεϊατρικής. Κάτω από ένα γενικότερο πλαίσιο, μπορούμε να διακρίνουμε δυο ειδών υπηρεσίες τηλεϊατρικής: Τις πραγματικού χρόνου ή διαδραστικές εφαρμογές video-διάσκεψης οι οποίες αφορούν στην ταυτόχρονη δραστηριότητα τόσο στον κεντρικό όσο και στους περιφερειακούς κόμβους του συστήματος τηλεϊατρικής. Οι διαδραστικές εφαρμογές τηλεϊατρικής χρησιμοποιούνται συχνά για την εξέταση και εξαγωγή γνωμάτευσης από έναν κλινικό γιατρό σε σχέση με κάποιον ασθενή που βρίσκεται σε απομακρυσμένο σημείο. Η τεχνολογία που κατά βάση χρησιμοποιείται έχει να κάνει με τη διαδραστική τηλεόραση. Καθένας από τους εμπλεκόμενους κόμβους είναι εξοπλισμένος με οθόνη προβολής εικόνας video καθώς και με video κάμερα η οποία συλλέγει και προωθεί προς αποστολή μέσω του

19 χρησιμοποιούμενου τηλεπικοινωνιακού δικτύου, εικόνα και ήχο σε πραγματικό χρόνο. Επιπρόσθετα προς την οπτική επαφή μεταξύ του ασθενούς και του ιατρού, που παρέχει το σύστημα τηλεϊατρικής, είναι δυνατή η συλλογή και αποστολή κρίσιμων βιοσημάτων τα οποία παίζουν καίριο ρόλο στην εξέταση του ασθενούς. Στην πραγματικότητα σχεδόν κάθε σύγχρονο ιατρικό όργανο, ικανό να δώσει σε κάποια έξοδο του την πληροφορία την οποία συλλέγει, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συστατικό στοιχείο του συστήματος τηλεϊατρικής. Ενδεικτικά αναφέρονται τα απεικονιστικά μηχανήματα (η έξοδος τους είναι δεδομένα εικόνας), ο υπερηχογράφος Doppler (στην έξοδο είναι επιπλέον διαθέσιμα και δεδομένα ήχου) ή ο ηλεκτροκαρδιογράφος (είναι διαθέσιμα προς αποστολή γραφήματα των δυναμικών της καρδιάς). Τις εφαρμογές store-and-forward οι οποίες αποτελούν μια χρονικά μετατοπισμένη επικοινωνία ανάμεσα στα εμπλεκόμενα μέρη. Οι εφαρμογές store-and-forward αξιοποιούν το ιατρικό ιστορικό του ασθενούς και συνδυάζοντας δεδομένα εικόνας, ήχου και video παρέχουν τη δυνατότητα αξιολόγησης της κατάστασης του ασθενούς σε μη πραγματικό χρόνο, όπου δεν κρίνεται αναγκαία ή δεν υπάρχει η δυνατότητα για διάγνωση σε πραγματικό χρόνο. Ως παράδειγμα αναφέρεται η περίπτωση που το καρδιογράφημα ενός ασθενούς μαζί με άλλα στοιχεία που έχουν να κάνουν για παράδειγμα με τη φαρμακευτική αγωγή που χρησιμοποιείται ή το ιατρικό ιστορικό του ασθενούς, αποστέλλονται σε κάποιον καρδιολόγο για αξιολόγηση και γνωμάτευση. Παρόλο που οι προαναφερθείσες δυο κατηγορίες εφαρμογών τηλεϊατρικής μοιάζουν συμπληρωματικές, στην πράξη, τα υφιστάμενα συστήματα τηλεϊατρικής υποστηρίζουν ένα είδος εφαρμογών κάθε φορά. Σε κάθε περίπτωση η εγκατάσταση και διαχείριση των συστημάτων αυτών γίνεται από εξειδικευμένο τεχνικό προσωπικό η χρήση τους όμως καθίσταται περισσότερο έξυπνη και αποδοτική με την ενσωμάτωση εξειδικευμένων τεχνολογιών βάσεων δεδομένων, ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, επεξεργασίας και διαχείρισης δεδομένων κλπ. Γενικά οι εφαρμογές store-and-forward είναι πιο εύκολο να τρέξουν πάνω από το Διαδίκτυο, προκειμένου για τη μεταφορά δεδομένων, ενώ οι διαδραστικές, πραγματικού χρόνου εφαρμογές τηλεϊατρικής, λόγω του όγκου των δεδομένων και των απαιτήσεων σε ταχύτητα και αξιοπιστία, καθιστούν απαραίτητη τη χρήση εξειδικευμένων και αποκλειστικών τηλεπικοινωνιακών πόρων. Για το λόγο αυτό η εγκατάσταση και διαχείριση της πρώτης κατηγορίας των εφαρμογών τηλεϊατρικής τείνει να είναι πιο ελκυστική από πλευράς κόστους και πολυπλοκότητας. Τεχνικές Απαιτήσεις Ανεξάρτητα από τις εκάστοτε παρεχόμενες υπηρεσίες τους, οι εφαρμογές τηλεϊατρικής έχουν κάποιες συγκεκριμένες απαιτήσεις για την ανάπτυξη τους που σχετίζονται τόσο με τεχνικά όσο και με οικονομικά χαρακτηριστικά. Η απαιτούμενη τεχνική υποδομή περιλαμβάνει τοπικούς σταθμούς εξοπλισμένους με οπτικοακουστικά μέσα, δίκτυο που να παρέχει ικανοποιητικό εύρος ζώνης για τη μετάδοση εικόνας ή και ήχου με ανεκτή ποιότητα. Για εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερη ποιότητα και συνεπώς μεγαλύτερο εύρος ζώνης, όπως για παράδειγμα η μετάδοση εικόνων μικροσκοπίου, είναι δυνατή η χρήση ακόμα και δορυφορικών επικοινωνιών. Πρέπει βέβαια να σημειωθεί πως αν και τέτοιες υποδομές υπάρχουν διαθέσιμες, το κόστος χρήσης τους δεν είναι πάντοτε προσιτό, γεγονός που καθιστά απαραίτητη την ύπαρξη οικονομοτεχνικής μελέτης για το βιώσιμο μιας εφαρμογής. Η βασική υποδομή που απαιτείται για τη σύνθεση υπηρεσιών τηλεϊατρικής περιλαμβάνει τον ιατρικό εξοπλισμό, σταθμούς εργασίας και εξειδικευμένες περιφερειακές συσκευές, το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο, καθώς και εργαλεία για τη διαχείριση του δικτύου και των πόρων του συστήματος. Οι σταθμοί εργασίας που χρησιμοποιούνται για την παροχή υπηρεσιών τηλεϊατρικής πρέπει να είναι σε θέση να εκμεταλλευθούν κατά τον πλέον αξιόπιστο τρόπο τις δυνατότητες των σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων τα οποία μπορούν να υποστηρίξουν προηγμένους και σύνθετους αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας, συμπίεσης, προηγμένα γραφικά για οπτικοποίηση υψηλής πιστότητας κλπ. Σε σχέση με την απαιτούμενη τηλεπικοινωνιακή υποδομή, αυτή περιλαμβάνει τα τηλεπικοινωνιακά μέσα μεταφοράς της πληροφορίας, τα σχετικά πρωτόκολλα επικοινωνίας καθώς και τους μηχανισμούς διαχείρισης του δικτύου. Η δημιουργία και χρήση τηλεπικοινωνιακών δικτύων

20 προορισμένων αποκλειστικά για εφαρμογές τηλεϊατρικής εξαρτάται από τεχνικούς παράγοντες, όπως το απαιτούμενο εύρος ζώνης, ο ελάχιστος απαιτούμενος ρυθμός μετάδοσης, η ασφάλεια, η διαχείριση προτεραιοτήτων σε σχέση με τις επιτελούμενες διαδικασίες κλπ. Κατά τη σχεδίαση της τηλεπικοινωνιακής υποδομής, ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην ικανοποίηση απαιτήσεων που έχουν να κάνουν με την ακεραιότητα της πληροφορίας κατά τις διαδικασίες μετάδοσης της, την πιστοποίηση της αυθεντικότητας της πληροφορίας, τη διαφύλαξη της από μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Τα αναπόφευκτα λάθη που λαμβάνουν χώρα κατά τη μεταφορά των δεδομένων διορθώνονται με τη χρήση κατάλληλων αλγορίθμων εντοπισμού και διόρθωσης λαθών οι οποίοι είναι ενσωματωμένοι στα διάφορα επίπεδα της δικτυακής αρχιτεκτονικής. Τέλος η ασφάλεια και ακεραιότητα της ευαίσθητης από τη φύση της ιατρικής πληροφορίας εξασφαλίζεται με τη χρήση προτυποποιημένων τεχνικών κρυπτογράφησης και αυθεντικοποίησης. Οι υπηρεσίες τηλεϊατρικής πρέπει να σχεδιάζονται με τρόπο ώστε να είναι δυνατή η προσθήκη νέων κόμβων στο δίκτυο. Οι απαιτήσεις αυτές υπαγορεύουν την προτυποποίηση σε όλες τις βαθμίδες της παροχής ιατρικών υπηρεσιών, των συστημάτων πληροφορικής και των επικοινωνιακών υποδομών που χρησιμοποιούνται. Οι υπηρεσίες τηλεϊατρικής χαρακτηρίζονται συνήθως από τη χρήση ετερογενών συστημάτων λογισμικού και υλικού εξοπλισμού. Ο βαθμός στον οποίο τα εν λόγω συστήματα θα είναι δυνατόν να συντεθούν προς τη δημιουργία μιας ολοκληρωμένης εφαρμογής είναι καθοριστικός σε σχέση με την αποδοτικότητα της εφαρμογής και συνεπώς την αποδοχή της από την ιατρική κοινότητα. Συνεπώς μηχανισμοί ολοκλήρωσης που βασίζονται στην ενιαία διασύνδεση του χρήστη με την εφαρμογή, στην ύπαρξη πλήρους ηλεκτρονικού ιατρικού φακέλου, στην ευφυή αποθήκευση και διαχείριση των δεδομένων, είναι απολύτως απαραίτητοι για τη σύνθεση υπηρεσιών τηλεϊατρικής σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ιατρικής φροντίδας. Διεθνή Πρότυπα Τα πρότυπα αντιπροσωπεύουν διεθνώς αναγνωρισμένες συμφωνίες σε σχέση με την ανάπτυξη τεχνολογιών κατά τρόπο τέτοιο ώστε να είναι δυνατή η επικοινωνία και από κοινού λειτουργία συσκευών κατασκευασμένων από διαφορετικές εταιρίες. Η ανάπτυξη εφαρμογών και υπηρεσιών τηλεϊατρικής στηρίζεται σε δυο οικογένειες διεθνών προτύπων. Η πρώτη έχει να κάνει με πρότυπα προερχόμενα από το χώρο των τηλεπικοινωνιών. Η οικογένεια προτύπων Η.320 που αφορούν στην τηλεδιάσκεψη καθορίζει την ταυτόχρονη μεταφορά ήχου (G.700) video (Η.261) και δεδομένων (Τ.120) παρέχοντας ρυθμούς μετάδοσης από 56kbps μέχρι 1.92Mbps. Η αυτόματη διαπραγμάτευση μεταξύ των εμπλεκομένων τηλεπικοινωνιακών κόμβων με χρήση των προτύπων Η.221 και Η.242 επιτρέπει τη δυναμική ανάθεση των πόρων σε κανάλια ήχου ή video, λαμβάνοντας υπόψη αφενός τις multimedia δυνατότητες κάθε κόμβου, αφετέρου το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Προβλέπεται ακόμα η εγκατάσταση επιπλέον συνδέσεων στην περίπτωση που η επικοινωνία απαιτεί την ανταλλαγή μεγαλύτερου όγκου δεδομένων καθώς επίσης και η προσαρμογή των βαθμών συμπίεσης ήχου και video ανάλογα με το διαθέσιμο ρυθμό μετάδοσης. Τέλος το πρότυπο Η.320 έχει σχεδιαστεί ώστε να λειτουργεί με ρυθμούς μετάδοσης διαθέσιμους από το τηλεπικοινωνιακό σύστημα ISDN. Η δεύτερη οικογένεια προτύπων αφορά στη ρύθμιση της ηλεκτρονικής διακίνησης της ιατρικής πληροφορίας. Κύριος εκφραστής αυτής της ομάδας προτύπων είναι το HL7 (Health Level Seven), προϊόν της συνεργασίας εκπροσώπων του ιατρικού χώρου με ειδικούς των τεχνολογιών της επικοινωνίας. Το εν λόγω πρότυπο περιλαμβάνει δομές για την διακίνηση κλινικών παραγγελιών, λογιστικών δεδομένων, δημογραφικών στοιχείων του ασθενούς κλπ. Ένα άλλο πρότυπο αυτής της ομάδας είναι το DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) το οποίο καθορίζει τη μορφή των δεδομένων τα οποία εξάγονται από απεικονιστικά μηχανήματα καθώς και ρουτίνες επεξεργασίας που μπορούν να εφαρμοστούν στις παραγόμενες εικόνες. Καθορίζει επιπλέον τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να διακινηθούν μηνύματα που σχετίζονται με την πληροφορία και τις μεθόδους επεξεργασίας της.

21 Υπηρεσίες τηλεϊατρικής Οι σημαντικότερες υπηρεσίες τηλεϊατρικής που εφαρμόζονται σήμερα είναι: τηλεδιάγνωση - τηλεσυμβουλευτική τηλεχειρουργική πρόληψη τηλεδιάσκεψη - τηλεεκπαίδευση τηλεϊατρική για την υποστήριξη διακομιστικών σταθμών Τηλεδιάγνωση και Τηλεσυμβουλευτική Η υπηρεσία αυτή αφορά συνήθως στην ασύγχρονη επικοινωνία ανάμεσα σε δυο κόμβους και συνήθως δεν έχει ιδιαίτερες απαιτήσεις σε τεχνολογικό εξοπλισμό. Σε ένα πρώτο στάδιο πραγματοποιείται αποστολή από τον απομακρυσμένο κόμβο επιλεγμένων δεδομένων προς κάποιο εξειδικευμένο ιατρικό κέντρο, όπου ο ειδικευμένος ιατρός αφού τα μελετήσει εξάγει και αποστέλλει τη γνωμάτευση του. Ενδεικτικά αναφέρονται ως υπηρεσίες της τηλεδιάγνωσης: η τηλεακτινολογία, η τηλεκαρδιολογία, η τηλεπαθολογία και η τηλεδερματολογία. Τηλεπαρακόλουθηση Η υπηρεσία τηλεπαρακολούθησης χρησιμοποιείται για την αποστολή ακολουθίας video από το χώρο εξέτασης του ασθενούς σε κάποιον ειδικό ο οποίος παρακολουθεί την όλη διαδικασία και αλληλεπιδρά με τους εβρισκόμενους στο χώρο εξέτασης μέσω ξεχωριστών συνδέσεων εικόνας και ήχου. Η υπηρεσία αυτή μπορεί επίσης να περιλαμβάνει την αποστολή επιλεγμένων βιοσημάτων του ασθενούς και άλλης σχετικής πληροφορίας. Η απαίτηση ωστόσο για multimedia επικοινωνία πραγματικού χρόνου ανάμεσα στα εμπλεκόμενα μέρη επιβάλει επιπρόσθετες τεχνολογικές απαιτήσεις όσον αφορά τη απαιτούμενη υποδομή. Τηλεεκπαίδευση Η χρήση οπτικοακουστικών μέσων για εκπαιδευτικούς σκοπούς με ανάπτυξη εφαρμογών που αντιπαρέρχονται την απόσταση μεταξύ εκπαιδευτή και εκπαιδευόμενου και δεν απαιτούν φυσική συνύπαρξη τους, αποτελεί μια διαρκώς αυξανόμενη τάση σε όλες τις προηγμένες χώρες κι έχει ως στόχο τη διασπορά της γνώσης σε οποιοδήποτε σημείο υπάρχουν εν δυνάμει ενδιαφερόμενοι για την πληροφορία αυτή. Ένα από τα προφανή πεδία χρήσης της τηλεεκπαίδευσης είναι στο χώρο της ιατρικής προκειμένου για τη διαρκή εκπαίδευση και κατάρτιση του ιατρικού, παραϊατρικού και τεχνικού προσωπικού σε θέματα που έχουν να κάνουν με το αντικείμενο της υγείας και τις τεχνολογικές λύσεις που την υποστηρίζουν. Τηλεδιαχείριση Ο συνδυασμός προηγμένων υπηρεσιών τηλεπαρακολούθησης και τηλεδιάγνωσης ευνοεί τη δυνατότητα τηλεματικής διαχείρισης των διαγνωστικών και θεραπευτικών διαδικασιών. Τέτοιες υπηρεσίες βρίσκονται στις μέρες μας στην ακμή των εφαρμογών τηλεϊατρικής και ευνοούνται από την παράλληλη ανάπτυξη που συντελείται στο χώρο των ευρείας ζώνης συμβατικών και κινητών επικοινωνιών, της εικονικής πραγματικότητας και της τηλεπαρουσίας. Οι εξελίξεις στο χώρο των υποβοηθούμενων από υπολογιστές χειρουργικών επεμβάσεων, των αυτόματων χειρουργικών εργαλείων και των τηλεαισθητήρων αποτελούν την εγγύηση για την ανάπτυξη προηγμένων υπηρεσιών τηλεϊατρικής στη χειρουργική, την ενδοσκόπηση κλπ. Κατ' οίκον φροντίδα Η έμφαση που δίδεται τα τελευταία χρόνια στη συστηματική και διαρκή ιατρική φροντίδα έχει μετατοπίσει την παρακολούθηση των ασθενών μακριά από τον κατ' εξοχήν χώρο προσφοράς των ιατρικών υπηρεσιών, που είναι το νοσοκομείο, προς περισσότερο εξειδικευμένα κέντρα παρακολούθησης καθώς και στο σπίτι. Σημαντικό ρόλο στην επίτευξη αυτής της μετατόπισης παίζει η ανάπτυξη της τηλεϊατρικής. Παρ' όλο που η ύπαρξη εφαρμογών διαδραστικής τηλεϊατρικής δεν αποτελεί ακόμα κοινή πρακτική στην παροχή υπηρεσιών υγείας, η μετάδοση ιατρικών δεδομένων

22 μέσω του διαδικτύου, ή μέσω άλλων εξειδικευμένων τεχνολογιών αποτελεί σημαντικό παράγοντα στην παροχή κατ' οίκον ιατρικής φροντίδας. Επιπλέον χάρη στην τηλεϊατρική έχει μειωθεί ο αριθμός των κατ' οίκον επισκέψεων του νοσηλευτικού προσωπικού καθώς επίσης και οι απαιτήσεις για επισκέψεις σε νοσοκομεία ασθενών με χρόνια νοσήματα, όπως είναι οι διαβητικοί. Τηλεϊατρική Επειγόντων περιστατικών Η ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων επιτρέπει συν τοις άλλοις και την ανάπτυξη υπηρεσιών τηλεϊατρικής για τη διαχείριση επειγόντων περιστατικών. Στόχος τέτοιων υπηρεσιών είναι η εκμετάλλευση του χρόνου που απαιτείται για τη μεταφορά ενός επείγοντος περιστατικού στο νοσοκομείο, για την εξαγωγή μιας πρώτης διάγνωσης από τον εξειδικευμένο ιατρό που βρίσκεται στο νοσοκομείο και την αποστολή οδηγιών προς το νοσηλευτικό προσωπικό που συνοδεύει τον ασθενή. Η μετάδοση κρίσιμων βιοσημάτων του ασθενούς σε πραγματικό χρόνο σε ένα κέντρο διαχείρισης επειγόντων περιστατικών μειώνει την πιθανότητα, το κρίσιμο διάστημα μεταφοράς του ασθενούς στο νοσοκομείο, να αποβεί μοιραίο γι' αυτόν. 1.3 ΥΠΟΣΧΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ Τα τελευταία δέκα χρόνια παρατηρείται αλματώδης ανάπτυξη στον τομέα της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας παγκοσμίως. Είναι γεγονός βέβαια ότι ο τομέας Βιοϊατρικής Τεχνολογίας βρίσκεται σε μία μεταβατική φάση. Συστήματα που κάποτε ανήκαν στην σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας είναι πλέον πραγματικότητα. Έννοιες όπως τηλεϊατρική, νανοϋλικά, μη επεμβατική χειρουργική, ηλεκτρονική υγεία, ηλεκτρονικός ιατρικός φάκελος και άλλες ακούγονται καθημερινά όλο και περισσότερο ενώ πριν από μερικά χρόνια ήταν σχεδόν άγνωστες. Η υλοποίηση ενός οράματος που θέλει να διατηρήσει τον ευαίσθητο χαρακτήρα του και να έχει κοινωνικό αντίκρισμα είναι έργο δύσκολο αλλά και μεγάλη πρόκληση. Οι διάφοροι οργανισμοί που συνθέτουν το δίκτυο παροχής υπηρεσιών υγείας πρέπει να λύσουν όλα τα επιφανειακά προβλήματα (νομικά ζητήματα, καχυποψία, αλλαγή κουλτούρας) και να αξιοποιήσουν την τεχνολογία κάνοντας έτσι το πρώτο βήμα που θα φέρει την Βιοϊατρική Τεχνολογία πιο κοντά στον προορισμό της, που είναι η χρήση της τεχνολογίας και των θετικών επιστημών στην υπηρεσία της ιατρικής περίθαλψης οποτεδήποτε οπουδήποτε και για οποιονδήποτε.

23 Κεφάλαιο 2 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ως σήμα ορίζουμε το σύνολο των τιμών που λαμβάνει μια φυσική ποσότητα όταν αυτή μεταβάλλεται. Τα βιολογικά σήματα είναι σήματα που χρησιμοποιούνται στο πεδίο της βιοϊατρικής, κυρίως για την εξαγωγή πληροφορίας σχετικά με το υπό εξέταση βιολογικό σύστημα. Περιέχουν χρήσιμες πληροφορίες για την κατανόηση των σύνθετων παθοφυσιολογικών μηχανισμών ενός ζωντανού οργανισμού. Η πλήρης διαδικασία εξαγωγής της πληροφορίας μπορεί να είναι τόσο απλή, όσο είναι η εκτίμηση του μέσου καρδιακού ρυθμού ενός ασθενή από το γιατρό με την αφή, ή τόσο πολύπλοκη, όσο είναι η ανάλυση της δομής μαλακών ιστών με τη χρήση μίας πολύπλοκης CT συσκευής. Σε πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές η λήψη του σήματος δεν είναι αρκετή. Απαιτείται η επεξεργασία του για την εξαγωγή της πληροφορίας που είναι "θαμμένη" σε αυτό. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι το σήμα περιέχει θόρυβο ή στο γεγονός ότι η σχετική πληροφορία δεν είναι "ορατή" στο σήμα. Στην τελευταία περίπτωση, συνήθως εφαρμόζουμε κάποιο μετασχηματισμό έτσι ώστε να «μεγεθύνουμε» τη σχετική πληροφορία και να εξάγουμε παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά του υπό μελέτη συστήματος. Διάφορες τέτοιες τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σκοπό αυτό τόσο στο πεδίο του χρόνου, όσο και στο πεδίο της συχνότητας, οι οποίες μεταξύ άλλων, περιλαμβάνουν εφαρμογή φίλτρων, εκτίμηση της μέσης τιμής και υπολογισμό φάσματος. Αν το προς επεξεργασία σήμα είναι συνεχές, είναι ορθότερο να μετατρέπεται σε ψηφιακό. Η πρόσφατη πρόοδος της τεχνολογίας τόσο σε επίπεδο υλικού, όσο και σε επίπεδο λογισμικού έχει κάνει πιο αποτελεσματική και εύκολη την ψηφιακή επεξεργασία παρά την αναλογική. Η ψηφιακή επεξεργασία έχει πολλά πλεονεκτήματα. Έχει μεγάλη απόδοση, δίνοντας ταυτόχρονα τη δυνατότητα να υλοποιηθούν πολύπλοκοι αλγόριθμοι, ενώ η ακρίβεια εξαρτάται μόνο από τα λάθη στρογγυλοποίησης, των οποίων η επίδραση μπορεί να προβλέπεται και να ελέγχεται από το σχεδιαστή. Επίσης αποφεύγεται πιθανή αλλοίωση της πληροφορίας από διάφορες απρόβλεπτες μεταβλητές, όπως ο χρόνος ζωής και η θερμοκρασία του στοιχείου που χρησιμοποιείται. Τέλος, οι σχεδιαστικές παράμετροι ενός ψηφιακού συστήματος μπορούν εύκολα να αλλάξουν, καθώς περιέχουν περισσότερο λογισμικό παρά υλικό. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν μερικά βασικά στοιχεία τόσο για την ψηφιακή λήψη σήματος, όσο και για την ψηφιακή επεξεργασία αυτού. Τα βιολογικά σήματα διαφέρουν από άλλα σήματα όσον αφορά την εφαρμογή, είναι δηλαδή σήματα τα οποία χρησιμοποιούνται στο βιοϊατρικό χώρο και προέρχονται από διάφορες πηγές. Στη συνέχεια θα εμβαθύνουμε στα σήματα τα οποία παράγονται από την ηλεκτρική δραστηριότητα νευρικών και μυϊκών κυττάρων και στα σήματα τα οποία προκαλούνται από κάποια μηχανική λειτουργία του βιολογικού συστήματος. Τα σήματα τα οποία παράγονται από την ηλεκτρική δραστηριότητα νευρικών και μυϊκών κυττάρων είναι μοναδικά στα βιοϊατρικά συστήματα. Η πηγή τους είναι το δυναμικό μεμβράνης, το οποίο κάτω από ορισμένες συνθήκες μπορεί να διεγερθεί και να παράγει ένα δυναμικό δράσης. Σε μετρήσεις σε κυτταρικό επίπεδο, όπου χρησιμοποιούνται μικροηλεκτρόδια ως αισθητήρες, το δυναμικό δράσης είναι το βιολογικό σήμα. Σε μεγαλύτερες μετρήσεις όπου, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια επιφανείας ως αισθητήρες, το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από τη δράση πολλών κυττάρων που κατανέμονται σε γειτνιάζουσα με το ηλεκτρόδιο περιοχή, αποτελεί το βιολογικό σήμα. Το γεγονός ότι τα πιο σημαντικά βιοσυστήματα χρησιμοποιούν διεγέρσιμα κύτταρα, κάνει δυνατή τη χρήση βιοσημάτων για τη μελέτη και την παρακολούθηση των βασικών λειτουργιών των συστημάτων αυτών. Το ηλεκτρικό πεδίο μεταδίδεται μέσα από το βιολογικό μέσο

24 και, επομένως, το δυναμικό μπορεί να ληφθεί σε σχετικά κατάλληλες θέσεις στην επιφάνεια, περιορίζοντας την ανάγκη για επέμβαση στο σύστημα. Το βιολογικό σήμα χρειάζεται ένα σχετικά απλό μετατροπέα για τη λήψη του. Ο μετατροπέας απαιτείται γιατί η ηλεκτρική αγωγή στο βιολογικό μέσο γίνεται μέσω ιόντων, ενώ η αγωγή στο σύστημα μέτρησης γίνεται μέσω ηλεκτρονίων. Τα σήματα τα οποία προκαλούνται από κάποια μηχανική λειτουργία του βιολογικού συστήματος περιλαμβάνουν σήματα κίνησης, μετατόπισης, πίεσης, ροής, και άλλα. Η μέτρηση αυτών των σημάτων χρειάζεται μια ποικιλία μετατροπέων, που δεν είναι πάντα απλοί και οικονομικοί. Το μηχανικό φαινόμενο δεν μεταδίδεται όπως το ηλεκτρικό πεδίο που αναφέραμε προηγουμένως. Η μέτρηση, επομένως, γίνεται συνήθως στο ακριβές σημείο. Αυτό πολύ συχνά κάνει πιο πολύπλοκη τη μέτρηση και επιβάλλει να είναι επεμβατική. 2.2 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Τα σήματα χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τα συνεχή σήματα και τα διακριτά σήματα. Στην πρώτη κατηγορία τα πεδία ορισμού και τιμών της συνάρτησης είναι διαστήματα πραγματικών αριθμών, δηλαδή τόσο η ανεξάρτητη μεταβλητή t όσο και η εξαρτημένη s μεταβάλλονται σ' ένα συνεχές σύνολο τιμών. Στη δεύτερη περίπτωση η ανεξάρτητη μεταβλητή λαμβάνει μόνο διακριτές τιμές (υποσύνολο των ακεραίων), ενώ η εξαρτημένη μεταβάλλεται όπως και προηγουμένως σ' ένα διάστημα. Τα περισσότερα βιολογικά σήματα είναι συνεχή. Επειδή όμως η σύγχρονη τεχνολογία παρέχει δυναμικά εργαλεία για επεξεργασία διακριτών σημάτων, πολύ συχνά μετατρέπουμε ένα συνεχές σήμα σε διακριτό με τη διαδικασία της δειγματοληψίας. Ένα συνεχές σήμα s(t) μετατρέπεται στην ακολουθία s(n) με την ακόλουθη σχέση: s( n ) = s( t ) t = nt s n =...,-1,0,1,... (2.1) όπου Ts η περίοδος δειγματοληψίας και fs = ( 2π Ts ) η συχνότητα δειγματοληψίας. Τα σήματα μπορούν επίσης να ταξινομηθούν σε δύο άλλες μεγάλες κατηγορίες: τα ντετερμινιστικά και τα στοχαστικά σήματα. Ντετερμινιστικά ονομάζονται τα σήματα που μπορούν να περιγραφούν ακριβώς με μαθηματικό ή γραφικό τρόπο. Τα πραγματικά σήματα δεν είναι ποτέ ντετερμινιστικά. Υπάρχει πάντα κάποιος απρόβλεπτος θόρυβος, κάποια αλλαγή στις παραμέτρους και στα υποκείμενα χαρακτηριστικά του σήματος που το καθιστούν μη ντετερμινιστικό. Εντούτοις, είναι πολύ συχνά "βολική" η προσέγγιση ή η μοντελοποίηση ενός σήματος με τη χρήση μιας ντετερμινιστικής συνάρτησης. Μια σημαντική οικογένεια ντετερμινιστικών σημάτων είναι τα περιοδικά. Περιοδικό σήμα είναι ένα ντετερμινιστικό σήμα το οποίο μπορεί να εκφρασθεί από τη σχέση s( t ) = s( t + nt ) (2.2) όπου n είναι ένας ακέραιος και Τ είναι η περίοδος. Το περιοδικό σήμα αποτελείται από μια βασική κυματομορφή με διάρκεια Τ δευτερόλεπτα. Αυτή η βασική κυματομορφή επαναλαμβάνεται άπειρες φορές στον άξονα του χρόνου. Το πιο απλό περιοδικό σήμα είναι το ημιτονοειδές σήμα. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, το σήμα της πίεσης αίματος μπορεί να μοντελοποιηθεί από ένα σύνθετο περιοδικό σήμα, με περίοδο τη διάρκεια ενός καρδιακού παλμού και την κυματομορφή του ενός παλμού ως τη βασική κυματομορφή που επαναλαμβάνεται. Βέβαια, αυτό είναι ένα γενικό και ανακριβές μοντέλο.

25 2.3 ΛΗΨΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Ένα γενικό διάγραμμα της διαδικασίας λήψης βιολογικού σήματος φαίνεται στο σχήμα 2.1. Διάφορα μεγέθη μετρούνται σε ένα βιολογικό σύστημα. Αυτά αφορούν ηλεκτρικές και μη μεταβλητές (όπως πίεση, θερμοκρασία, κίνηση κ.ά.). Τα ηλεκτρικά σήματα δειγματοληπτούνται από αισθητήρες (ηλεκτρόδια), ενώ τα μη ηλεκτρικά μετατρέπονται σε ηλεκτρικά με κατάλληλους μετατροπείς και στη συνέχεια μπορούν να επεξεργαστούν, να μεταδοθούν και να αποθηκευθούν. Ένα τμήμα αναλογικής επεξεργασίας είναι αναγκαίο να προϋπάρχει ώστε να δώσει την κατάλληλη ενίσχυση αλλά και να κάνει το κατάλληλο φιλτράρισμα αλλά και να αφαιρέσει ποσοστό θορύβου ή να αντισταθμίσει μη επιθυμητά χαρακτηριστικά των αισθητήρων. Επιπλέον, το αναλογικό σήμα θα πρέπει να περιοριστεί, όσον αφορά το εύρος του και μετά να μετατραπεί σε ψηφιακό. Αυτή η διαδικασία είναι αναγκαία ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα αναδίπλωσης κατά τη δειγματοληψία. Εδώ είναι απαραίτητο να αναφερθεί ότι είναι αναγκαία η διατήρηση της πληροφορίας που περιέχει η αρχική (πρωτότυπη) συνεχής κυματομορφή. Αυτό είναι ένα σημαντικό σημείο κατά την εγγραφή βιοϊατρικών σημάτων, των οποίων κάποια χαρακτηριστικά είναι δείκτες για την ύπαρξη παθολογιών. Έτσι, το σύστημα λήψης του ψηφιακού σήματος δεν πρέπει να εισάγει καμία μορφή παραμόρφωσης που μπορεί να παρερμηνευθεί ή να καταστρέψει αλλαγές του σήματος που φανερώνουν παθολογικά φαινόμενα. Για το λόγο αυτό, το αναλογικό φίλτρο πρέπει να είναι σχεδιασμένο με σταθερό κέρδος και γραμμική φάση (ή μηδενική), τουλάχιστον όσον αφορά τις συχνότητες που μας ενδιαφέρουν. Αυτές οι προϋποθέσεις επιτρέπουν στο σήμα να φτάνει χωρίς παραμόρφωση μέχρι τον A/D μετατροπέα. Σχήμα 2.1 : Γενικό διάγραμμα της διαδικασίας λήψης ενός ψηφιακού σήματος Στη συνέχεια το σήμα ψηφιοποιείται με τη βοήθεια του A/D μετατροπέα και πλέον αποτελείται από σειρές διακριτών αριθμών τόσο ως προς το πλάτος, όσο και ως προς το χρόνο, τους οποίους αριθμούς μπορούν εύκολα να επεξεργαστούν ψηφιακοί επεξεργαστές. Η A/D μετατροπή ιδανικά γίνεται σε δυο βήματα: 1. δειγματοληψίας: το συνεχές σήμα μετατρέπεται σε σήμα διακριτού χρόνου και τα στοιχεία του ονομάζονται δείγματα 2. κβαντισμός: σε κάθε δείγμα αντιστοιχίζεται μια τιμή που ανήκει σ 'ένα συγκεκριμένο σύνολο διακριτών τιμών Και οι δυο διαδικασίες μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά ενός σήματος και τα αποτελέσματα τους θα συζητηθούν παρακάτω Δειγματοληψία Ένα σημαντικό πρόβλημα, τόσο από θεωρητικής όσο και από πρακτικής άποψης, είναι η αναπαράσταση σημάτων συνεχούς χρόνου από αντίστοιχα σήματα διακριτού χρόνου. Απάντηση σε αυτό το πρόβλημα δίνει το θεώρημα του Shannon γνωστό και ως θεώρημα της δειγματοληψίας, σύμφωνα με το οποίο είναι δυνατή η πλήρης ανακατασκευή ενός συνεχούς σήματος από τα δείγματα του όταν, και μόνο όταν, η συχνότητα δειγματοληψίας είναι μεγαλύτερη

26 από το διπλάσιο της μέγιστης συχνότητας του σήματος. Για περαιτέρω κατανόηση του θεωρήματος δειγματοληψίας, ας θεωρήσουμε ένα συνεχές σήμα x(t), με μέγιστη συχνότητα fb, του οποίου ο μετασχηματισμός Fourier X(f) φαίνεται στο σχήμα 2.2.α και ας υποθέσουμε ότι το δειγματοληπτείται ομοιόμορφα. Η διαδικασία της δειγματοληψίας μπορεί να μοντελοποιηθεί με τον πολλαπλασιασμό του σήματος επί την παρακάτω συνάρτηση: δ( t i( t) = k =, kts ) (2.3) όπου δ(t) είναι η συνάρτηση Dirac, k ένας ακέραιος και Ts η περίοδος δειγματοληψίας. Το διακριτό σήμα προκύπτει ως εξής: Xs ( t) = X( t) i( t) = X( t) k =, δ( t kts ) (2.4) Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο πολλαπλασιασμός στο πεδίο του χρόνου συνεπάγεται συνέλιξη στο πεδίο των συχνοτήτων, προκύπτει: Xs ( f) = X( f) * I( f) = X( f) * όπου fs = (1 Ts ) 1 Ts k =, δ( f kfs ) = 1 Ts X(f kfs ) (2.5) είναι η συχνότητα δειγματοληψίας. Σχήμα 2.2 : α) Μετασχηματισμός Fourier του αρχικού σήματος, β) Μετασχηματισμός Fourier του διακριτού σήματος όταν fs < 2fb γ) Μετασχηματισμός Fourier του διακριτού σήματος όταν fs >2fb. Οι σκούρες περιοχές στο (β) υποδηλώνουν τις αναδιπλώμενες συχνότητες Έτσι, όπως φαίνεται και στα σχήματα 2.2.β,γ, ο μετασχηματισμός Fourier του διακριτού σήματος Xs(f) είναι και αυτός περιοδικός και αποτελείται από μια σειρά πανομοιότυπων επαναλήψεων του

27 Χ(F) τοποθετημένες γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας δειγματοληψίας. Πρέπει να τονίσουμε ότι οι αρμονικές συχνότητες του X(f) που είναι μεγαλύτερες από την fs 2 εμφανίζονται, όταν fs < 2fb, διπλωμένες στις χαμηλότερες αρμονικές. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται επικάλυψη και όταν παρατηρείται η αρχική πληροφορία δεν μπορεί να ανακατασκευαστεί γιατί οι αρμονικές του αρχικού σήματος είναι ανεπανόρθωτα αλλοιωμένες από τις επικαλύψεις των μετατοπισμένων εκδόσεων του X(f). Μια οπτική επιθεώρηση του σχήματος 2.2, μας επιτρέπει να παρατηρήσουμε ότι μπορούμε να αποφύγουμε αυτό το φαινόμενο όταν το αρχικό σήμα έχει πεπερασμένο εύρος συχνοτήτων (X(f)=0 για f>fb) και η συχνότητα δειγματοληψίας είναι fs > 2fb. Σε αυτή την περίπτωση (σχήμα 2.2.γ) δεν συμβαίνει επικάλυψη και η αρχική κυματομορφή μπορεί να ανακατασκευαστεί από το διακριτό σήμα με χρήση βαθυπερατού φίλτρου. Η υπόθεση του πεπερασμένου εύρους συχνοτήτων του σήματος συνήθως δεν ισχύει στην πράξη, λόγω των χαρακτηριστικών του σήματος και της επίδρασης θορύβου μεγάλου εύρους. Είναι πάντα αναγκαίο, πριν τη δειγματοληψία, το εκάστοτε σήμα να φιλτράρεται, ακόμα και όταν υποθέτουμε ότι το σήμα είναι ήδη πεπερασμένης συχνότητας. Η εφαρμογή του αναλογικού φίλτρου, απαιτείται έτσι ώστε να περιορίσουμε το σήμα μας σε κάποιο συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων πριν τη δειγματοληψία και να αποφύγουμε λάθη επικάλυψης Κβαντισμός Με τον κβαντισμό παράγεται ένα διακριτό σήμα, του οποίου τα δείγματα μπορούν να πάρουν μόνο ορισμένες τιμές ανάλογα με τον τρόπο κωδικοποίησής τους. Είναι μία καθαρά μη γραμμική διαδικασία της οποίας όμως τα αποτελέσματα μπορούν να ελεγχθούν με στατιστική μοντελοποίηση. Συνήθως το μη γραμμικό τμήμα αντικαθίσταται από ένα στατιστικό μοντέλο όπου το κβαντικό σφάλμα λαμβάνεται ως πρόσθετος θόρυβος e(n) στο σήμα x(n). Οι παρακάτω υποθέσεις γίνονται για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος με απλά μαθηματικά: 1. e(n) είναι λευκός θόρυβος με κανονική κατανομή. 2. o θόρυβος e(n) και το σήμα x(n) είναι ασυσχέτιστα. Αρχικά πρέπει να τονίσουμε ότι η πυκνότητα πιθανότητας του e(n) αλλάζει ανάλογα με τη διαδικασία κωδικοποίησης. Αν αποφασίσουμε τη στρογγυλοποίηση του πραγματικού δείγματος στο πλησιέστερο κβαντικό επίπεδο έχουμε Δ 2 e( n ) < Δ 2, ενώ αν αποφασίσουμε να κρατάμε το ακέραιο μέρος του δείγματος έχουμε Δ e( n ) < 0, όπου Δ το διάστημα κβαντισμού μεταξύ δύο επιπέδων κβαντισμού. Επίσης, μπορούμε να υπολογίσουμε το λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR) για τη διαδικασία κβαντισμού: σ 2x = = 10 log b 12 2 = 6.02b log 10 (σ x ) σ 2x SNR = 10 log 10 σ2 e (2.6) με Δ = 2-2b, σ2x τη διακύμανση του σήματος και b το πλήθος των bits που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση. Πρέπει να τονισθεί ότι ο λόγος σήματος προς θόρυβο αυξάνεται σχεδόν κατά 6dB για κάθε προστιθέμενο bit κωδικοποίησης.

28 2.4 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Σ' αυτή την ενότητα παρατίθενται ορισμένοι τρόποι επεξεργασίας σήματος, οι σημαντικότεροι των οποίων είναι η εφαρμογή φίλτρων, η χρήση τεχνικών μέσου όρου και ο υπολογισμός φάσματος Ψηφιακά φίλτρα Το ψηφιακό φίλτρο είναι ένα σύστημα διακριτού χρόνου που μετασχηματίζει ένα ψηφιακό σήμα εισόδου x(n) παράγοντας μια έξοδο y(n) όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.3. Το φίλτρο προσδιορίζεται από τα χαρακτηριστικά του μετασχηματισμού Τ[.]. Το φίλτρο είναι χρονικά μεταβλητό αν ο μετασχηματισμός Τ[.] είναι συνάρτηση του χρόνου, διαφορετικά είναι χρονικά αμετάβλητο. Αντίστοιχα χαρακτηρίζεται ως γραμμικό, αν, και μόνο αν, για δύο διαφορετικές εισόδους x1(n) και x2(n) στις οποίες αντιστοιχούν οι έξοδοι y1(n) και y2(n), ισχύει: T[ αx1 + bx2 ] = αt[ x1 ] + bt[ x2 ] = αy1 + by 2 (2.7) Σχήμα 2.3: Το ψηφιακό σήμα εξόδου y(n) προκύπτει από το σήμα εισόδου χ(n) μέσω του μετασχηματισμού Τ[.] που προσδιορίζει το φίλτρο Στη συνέχεια θεωρούμε μόνο γραμμικά και χρονικά αμετάβλητα συστήματα, αν και ορισμένες ενδιαφέρουσες εφαρμογές μη γραμμικών και χρονικά μεταβαλόμενων συστημάτων έχουν προταθεί για την ανάλυση βιολογικών σημάτων. Η συμπεριφορά ενός φίλτρου συνήθως περιγράφεται από τη σχέση εισόδου-εξόδου. Συνήθως υπολογίζεται από την εφαρμογή διαφορετικών εισόδων στο φίλτρο και την παρατήρηση των αντίστοιχων εξόδων. Στην περίπτωση που εφαρμόζεται σαν είσοδος η δ(n) συνάρτηση Dirac, προκύπτει έξοδος που ονομάζεται κρουστική απόκριση και παίζει ιδιαίτερο ρόλο στην περιγραφή του φίλτρου. Έστω είσοδος x(n) που είναι άθροισμα καθυστερημένων παλμών με βάρη, δηλαδή: x( n ) = k =, x( k) δ( n k) (2.8) και έστω h(n-k) η απόκριση του συστήματος σε είσοδο δ(n-k). Αν το φίλτρο είναι χρονικά αμετάβλητο, κάθε καθυστερημένος παλμός θα παράγει την ίδια απόκριση, απλά χρονικά μεταφερομένη και λόγω της γραμμικότητας, η απόκριση του συστήματος θα είναι: y( n ) = k =, x( k) h( n k) (2.9) Η παραπάνω συνέλιξη συνδέει την είσοδο και την έξοδο του συστήματος και προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά του φίλτρου. Θα αναφερθούμε σε δύο από τα χαρακτηριστικά αυτά, την ευστάθεια και την αιτιατότητα. Το πρώτο εξασφαλίζει ότι πεπερασμένες είσοδοι θα παράγουν πεπερασμένη έξοδο. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να εξαχθεί από την κρουστική απόκριση. Αποδεικνύεται ότι το φίλτρο είναι ευσταθές αν και μόνο αν:

29 h( k ) < (2.10) k =, Η αιτιατότητα σημαίνει ότι το σύστημα δεν θα παράγει καμία έξοδο πριν εφαρμοσθεί σε αυτό η είσοδος. Ένα φίλτρο είναι αιτιατό αν και μόνο αν: h( k) = 0 για k < 0 Αν και η σχέση (2.9) περιγράφει πλήρως τα χαρακτηριστικά του φίλτρου, πολύ συχνά για γραμμικά συστήματα διακριτού χρόνου είναι χρήσιμη η έκφραση της σχέσης εισόδου-εξόδου με τη μορφή μετασχηματισμού Z. Ο μετασχηματισμός Z Ο μετασχηματισμός Z μιας ακολουθίας x(n) ορίζεται ως εξής: X( z) = x( k) Z k (2.11) k =, όπου z μια μιγαδική μεταβλητή. Αυτή η σειρά θα συγκλίνει ή θα αποκλίνει για διάφορες τιμές του z. Οι τιμές του z για τις οποίες η σχέση (2.11) συγκλίνει είναι η περιοχή σύγκλισης και εξαρτάται από τη σειρά x(n). Από τις ιδιότητες του μετασχηματισμού z ανακαλούμε τις ακόλουθες: Την καθυστέρηση: Αν w( n ) = x( n T) τότε W( z) = X( z) z T Τη συνέλιξη: Αν w( n ) = x( k) k =, y( n k) τότε W( z) = X( z) Y( z) Η συνάρτηση μεταφοράς στο πεδίο z Χάρη στην προηγούμενη ιδιότητα μπορούμε να εκφράσουμε τη σχέση (2.9) στο πεδίο z με ένα απλό πολλαπλασιασμό: Y( z) = H( z) X( z) (2.12) όπου Η(z) η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου, είναι ο μετασχηματισμός z της κρουστικής απόκρισης. Η Η(z) παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάλυση και το σχεδιασμό ψηφιακών φίλτρων. Η απόκριση σε ημιτονοειδείς εισόδους μπορεί να υπολογισθεί ως εξής: αν θεωρήσουμε ένα μιγαδικό ημίτονο x( n ) = ejωnts ως είσοδο και τότε η αντίστοιχη έξοδος του φίλτρου θα είναι: y( n ) = h( k ) e jωts ( n k ) k = 0, = ejωnts h( k)e k = 0, jωkts = x( n ) H( z) z = ejωts (2.13) Επομένως ένα ημίτονο στην είσοδο εξακολουθεί να υπάρχει και στην έξοδο, πολλαπλασιασμένο όμως με τη μιγαδική ποσότητα Η(ω). Αυτή η μιγαδική συνάρτηση καθορίζει την απόκριση του φίλτρου για κάθε ημίτονο συχνότητας ω στην είσοδο και είναι γνωστή ως απόκριση συχνότητας του φίλτρου. Υπολογίζεται στο επίπεδο z υπολογίζοντας την Η(z) για z = ejωts. Όπως κάθε μιγαδική συνάρτηση η Η(ω) έχει μέτρο H( ω) και όρισμα Αrg(Η(ω)). Για μια μεγάλη κατηγορία γραμμικών, χρονικά αμετάβλητων φίλτρων, η Η(z) μπορεί να εκφρασθεί ως εξής:

30 H( z) = m = 0,M b m z m 1 + k = 1,N αkz k (2.14) που αποτελεί στο πεδίο z την έκφραση της παρακάτω διαφορικής εξίσωσης στο πεδίο του χρόνου: y( n ) = k = 1,N α k y( n k ) + m = 0,M b m x( n m ) (2.15) Έστω και αν ένας από τους συντελεστές αk είναι διάφορος του μηδενός τότε κάποιες τιμές της εξόδου συμβάλλουν στην τρέχουσα έξοδο. Το φίλτρο έχει ανάδραση και λέγεται ότι είναι σχεδιασμένο σε αναδρομική μορφή. Από την άλλη πλευρά, όταν όλοι οι συντελεστές αk είναι μηδενικοί, τότε η έξοδος του φίλτρου προκύπτει μόνο από την τρέχουσα ή προηγούμενες εισόδους και το φίλτρο λέγεται ότι είναι σχεδιασμένο σε μη αναδρομική μορφή. Η συνάρτηση μεταφοράς μπορεί να εκφραστεί επίσης υπολογίζοντας τους πόλους και τα μηδενικά του συστήματος: H( z) = b0zn M m = 1,M k = 1,N (z (z zm ) pk ) (2.16) όπου zm τα μηδενικά και pk οι πόλοι. Η μορφή αυτή με παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον γιατί μερικές ιδιότητες του φίλτρου γίνονται άμεσα εμφανείς από τη γεωμετρία των πόλων και των μηδενικών στο μιγαδικό επίπεδο. Για την ακρίβεια, είναι δυνατό να συμπεράνουμε για την ευστάθεια του φίλτρου και χονδρικά να εκτιμήσουμε την απόκριση συχνότητας χωρίς υπολογισμούς, απλώς κοιτώντας το διάγραμμα. Η ευστάθεια επαληθεύεται όταν όλοι οι πόλοι βρίσκονται μέσα στο μοναδιαίο κύκλο, όπως μπορεί να αποδειχθεί αν λάβει κανείς υπόψη τη σχέση που συνδέει το μετασχηματισμό Z και το μετασχηματισμό Laplace και ότι το αριστερό ημιεπίπεδο στο επίπεδο s αντιστοιχεί στο εσωτερικό του μοναδιαίου δίσκου στο επίπεδο z. Η απόκριση συχνότητας μπορεί να υπολογισθεί θεωρώντας ότι (z zm ) z = ejωts είναι ένα διάνυσμα που ενώνει το m στο μηδενικό με το σημείο του μοναδιαίου κύκλου που καθορίζεται από τη γωνία ωτs. Θέτοντας: (z (z Bm = Ak = zm ) z = ejωts pk ) z = ejωts (2.17) λαμβάνουμε: H( ω) = b0 m = 1,M k = 1,N H( ω) = m = 1,M Bm k = 1,N Bm Ak Ak + ( N M ) ωts (2.18) Συνεπώς, το μέτρο του Η(ω) μπορεί να υπολογισθεί σε κάθε συχνότητα από τις αποστάσεις μεταξύ των πόλων και των μηδενικών από το σημείο του μοναδιαίου κύκλου που αντιστοιχεί στο ω=ω0 Για να κάνουμε μια εκτίμηση του Η(ω) κινούμαστε στο μοναδιαίο κύκλο και χονδρικά εκτιμούμε την επίδραση των πόλων και των μηδενικών λαμβάνοντας υπόψη τους εξής κανόνες: 1 Όταν είμαστε κοντά σε μηδενικό, το μέτρο H( ω) θα πλησιάζει στο μηδέν και θα εμφανισθεί μια

31 θετική μετακίνηση της φάσης H( ω) καθώς το διάνυσμα από το μηδενικό αντιστρέφει τη γωνία του. 2 Όταν είμαστε κοντά σε πόλο, το μέτρο H( ω) θα τείνει σε κορυφή και μια αρνητική αλλαγή στη φάση H( ω) θα εμφανισθεί (όσο πιο κοντά είναι ο πόλος στο μοναδιαίο κύκλο τόσο πιο απότομη θα είναι και η κορυφή, μέχρι το άπειρο όπου και το φίλτρο καθίσταται ασταθές). 3 Κοντά σε ζευγάρι πόλου-μηδενικού, το μέτρο H( ω) τείνει στο μηδέν ή στο άπειρο αν είναι κοντύτερα το μηδενικό ή ο πόλος ενώ μακριά από το ζεύγος το μέτρο μπορεί να θεωρηθεί μονάδα. FIR και IIR φίλτρα Ένας συνήθης τρόπος κατηγοριοποίησης των φίλτρων βασίζεται στα χαρακτηριστικά των κρουστικών αποκρίσεων τους. Στα φίλτρα πεπερασμένης απόκρισης (FIR), η h(n) αποτελείται από ένα περασμένο πλήθος μη μηδενικών τιμών, ενώ στα φίλτρα άπειρης απόκρισης (IIR) η h(n) ταλαντώνει μέχρι το άπειρο με μη μηδενικές τιμές. Είναι φανερό ότι στα IIR φίλτρα πρέπει να υπάρχει ανάδραση έτσι ώστε η έξοδος του συστήματος να μην μηδενίζεται όταν πάψει η είσοδος. Η ύπαρξη της ανάδρασης επιβάλει επιπλέον προσοχή όσον αφορά την ευστάθεια του συστήματος. Παρά το γεγονός ότι τα FIR φίλτρα συνήθως υλοποιούνται σε μη αναδρομική μορφή, ενώ τα IIR φίλτρα σε αναδρομική μορφή, οι δύο αυτοί τύποι δεν συμπίπτουν. Όπως φαίνεται και παρακάτω, ένα FIR φίλτρο μπορεί να εκφρασθεί σε αναδρομική μορφή για μια υπολογιστικά πιο βολική υλοποίηση: H( z) = z k = k = 0,N 1 z k k = 0,N 1 (1 (1 z 1 ) 1 z 1 = z 1 ) 1 z 1 (2.19) Όπως έχει ήδη αναφερθεί, δυο βασικές προϋποθέσεις για τα φίλτρα είναι η ευστάθεια και η γραμμικότητα της φάσης της απόκρισης του συστήματος. Τα FIR φίλτρα μπορούν εύκολα να σχεδιαστούν για να πληρούν αυτές τις απαιτήσεις καθώς είναι πάντα ευσταθή και η γραμμικότητα της φάσης απόκρισης μπορεί να επιτευχθεί με την επιβολή συμμετρικών, ως προς το κεντρικό σημείο απόκρισης, συντελεστών. Αυτό σημαίνει ότι: b m = ± b*m m (2.20) όπου bm είναι οι Μ συντελεστές ενός FIR φίλτρου. Το πρόσημο βρίσκεται σε συμφωνία με τη συμμετρικότητα (άρτια ή περιττή) και την τιμή του Μ. Αυτή είναι ικανή και αναγκαία συνθήκη για να έχει το φίλτρο γραμμική φάση. Ιδανικά και Πραγματικά φίλτρα Κάθε φίλτρο είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να πληροί κάποιες προϋποθέσεις όσον αφορά στην απόκριση συχνότητας, η οποία εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης εφαρμογής για την οποία προορίζεται το φίλτρο. Είναι γνωστό ότι ιδανικά φίλτρα (σχήμα 2.4), δεν είναι υλοποιήσιμα (θα απαιτούσαν άπειρο πλήθος συντελεστών στην απόκριση συχνοτήτων). Επομένως, μπορούμε να σχεδιάσουμε φίλτρα τα οποία μπορούν μόνο να μιμηθούν τα αντίστοιχα ιδανικά, με ένα αποδεκτό σφάλμα. Στο σχήμα 2.5 παρουσιάζεται η απόκριση συχνότητας ενός μη ιδανικού κατωδιαβατού φίλτρου. Παρατηρούνται κυματώσεις τόσο στη ζώνη διέλευσης (passband) όσο και στη ζώνη αποκοπής (stopband) καθώς και η ύπαρξη ζώνη μετάβασης (transition) από τη ζώνη διέλευσης στη ζώνη αποκοπής, που ορίζεται από το διάστημα ωs ω p. Διάφορες σχεδιαστικές τεχνικές είναι διαθέσιμες, οι οποίες μπορούν να υλοποιούν Φίλτρα με προκαθορισμένες απαιτήσεις. Περιλαμβάνουν τις τεχνικές παραθύρου, δειγματοληψίας συχνότητας. Για τα IIR φίλτρα χρησιμοποιούνται τα φίλτρα Butterworth, Chebychev, τα ελλειπτικά κ.ά.

32 Σχήμα 2.4 : Ιδανική απόκριση συχνοτήτων για α) κατωδιαβατό, β) υψιδιαβατό, γ) ζωνο-διαβατό και δ) φίλτρο απόρριψης ζώνης Σχήμα 2.5 : Απόκριση συχνότητας ενός πραγματικού κατωδιαβατού φίλτρου. Κυματώσεις υπάρχουν και στη ζώνη διέλευσης και στη ζώνη αποκοπής, αλλά περιορίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές. Περιορισμοί επίσης υπάρχουν για το πλάτος της ζώνης μετάβασης

33 2.4.2 Μέση τιμή σήματος Το παραδοσιακό φιλτράρισμα λειτουργεί πολύ καλά όταν το περιεχόμενο συχνοτήτων του σήματος και του θορύβου δεν επικαλύπτονται. Όταν το εύρη ζώνης του θορύβου και του σήματος είναι διαφορετικά, ο θόρυβος μπορεί να ελαττωθεί εύκολα με χρήση γραμμικού φίλτρου σύμφωνα με τις διαδικασίες που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Όταν όμως τα εύρη ζώνης σήματος και θορύβου επικαλύπτονται, και το πλάτος του θορύβου είναι ικανό να αλλοιώσει το σήμα, ένα παραδοσιακό φίλτρο, σχεδιασμένο για να αποκόπτει το θόρυβο, θα καταστρέψει και το σήμα, ή στην καλύτερη περίπτωση θα το παραμορφώσει. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελούν τα εγκεφαλικά δυναμικά που προκαλούνται από κάποιο ερέθισμα (οπτικό, ακουστικό ή σωματοαισθητικό), τα επονομαζόμενα προκλητά δυναμικά (ΕΡEvoked Potentials). Μία τέτοια απόκριση είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί, γιατί το πλάτος της είναι πολύ μικρότερο από αυτό του το ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) στο παρασκήνιο. Τόσο τα ΕΡ όσο και το ΗΕΓ περιέχουν πληροφορία στο ίδιο εύρος συχνοτήτων. Έτσι, το πρόβλημα διαχωρισμού της επιθυμητής πληροφορίας δεν μπορεί να προσεγγισθεί με παραδοσιακό ψηφιακό φιλτράρισμα. Άλλο τυπικό παράδειγμα είναι η ανίχνευση καθυστερημένων κοιλιακών δυναμικών (VLPVentricular Late Potentials) στο ΗΚΓ. Αυτά τα δυναμικά έχουν πολύ μικρό πλάτος, συγκρίσιμο με το αντίστοιχο του υπερτιθέμενου θορύβου στο σήμα, όσον αφορά το περιεχόμενο συχνοτήτων. Σε τέτοιες περιπτώσεις αύξηση του SNR μπορεί να επιτευχθεί βάσει των διαφορετικών στατιστικών ιδιοτήτων του σήματος και του θορύβου. Όταν το επιθυμητό σήμα επαναλαμβάνεται (π.χ. το ΕΡ σε κάθε ερέθισμα και το VLP σε κάθε καρδιακό κύκλο), η τεχνική της μέσης τιμής μπορεί να λύσει ικανοποιητικά το πρόβλημα του διαχωρισμού σήματος-θορύβου. Αυτή η τεχνική αθροίζει ένα σύνολο από προσωρινά τμήματα επαναλήψεις του σήματος μαζί με τον υπερτιθέμενο θόρυβο. Αν οι χρονικές περίοδοι ευθυγραμμιστούν σωστά, με τη χρήση κάποιου εναύσματος, οι κυματομορφές μπορούν να αθροιστούν άμεσα, με την προυπόθεση ότι το σήμα και ο θόρυβος χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες στατιστικές ιδιότητες: 1. όλα τα τμήματα του σήματος περιέχουν μία ντετερμινιστική συνιστώσα του σήματος x(n) που δεν ποικίλει για διάφορες επαναλήψεις, 2. ο υπερτιθέμενος θόρυβος w(n) είναι ένα στάσιμο μέγεθος με μηδενική μέση τιμή και διακύμανση σ2 έτσι ώστε: E[ w( n ) ] = 0 [ ] E w2 ( n ) = σ 2 (2.21) 3. το σήμα x(n) και ο θόρυβος w(n) είναι ασυσχέτιστα, έτσι ώστε το λαμβανόμενο σήμα y(n) στη iστη επανάληψη μπορεί να εκφρασθεί: y( n ) i = x( n ) + wi ( n ) (2.22) τότε από τη διαδικασία υπολογισμού μέσου όρου προκύπτει: yt ( n) = 1 N N i= 1 y i = x( n ) + N i= 1 wi ( n ) (2.23) Ο όρος του θορύβου είναι μια εκτίμηση του μέσου όρου που προκύπτει με Ν υλοποιήσεις. Μια τέτοια μέση τιμή είναι μια νέα τυχαία μεταβλητή που έχει ίδιο μέσο όρο με τον αντίστοιχο του 2 αθροίσματος (μηδέν σε αυτή την περίπτωση) και διακύμανση σ N. Αποτέλεσμα της σχετικής διαδικασίας υπολογισμού της μέσης τιμής είναι η διατήρηση του πλάτους του σήματος και η μείωση της διακύμανσης του θορύβου κατά ένα παράγοντα Ν. Η διαδικασία υπολογισμού της μέσης τιμής μπορεί να θεωρηθεί ως μια ψηφιακή διαδικασία

34 φιλτραρίσματος, με χαρακτηριστικά συχνοτήτων που μπορούν να ερευνηθούν. Από τη σχέση (2.19) διαμέσου του μετασχηματισμού Z, η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου είναι: H( z) = 1 + z h + z 2h z ( N 1) N (2.24) όπου Ν ο αριθμός των στοιχείων κατά μέσο όρο και h είναι ο αριθμός των δειγμάτων σε κάθε απόκριση. Μία εναλλακτική έκφραση για την Η(z) είναι η ακόλουθη: H( z) = 1 1 z Nh N 1 zh (2.25) Το παραπάνω είναι ένα βαθυπερατό φίλτρο, όπου η έξοδος είναι συνάρτηση της προηγούμενης τιμής με καθυστέρηση h δειγμάτων. Η απόκριση συχνότητας του φίλτρου φαίνεται στο σχήμα 2.6 για διάφορες τιμές της παραμέτρου Ν. Σε αυτή την περίπτωση, η συχνότητα δειγματοληψίας fs είναι η συχνότητα επανάληψης και μπορεί να θεωρηθεί ίση με 1, χωρίς απώλεια της γενικότητας. Η απόκριση συχνότητας χαρακτηρίζεται από έναν κύριο λοβό, με το πρώτο μηδενικό να αντιστοιχεί σε συχνότητα f=1/n και διαδοχικούς δευτερεύοντες λοβούς που χωρίζονται με μηδενικά σε διαστήματα 1/Ν. Το πλάτος και το ύψος κάθε λοβού μειώνονται καθώς αυξάνει ο αριθμός Ν. Παράδειγμα Όπως προαναφέρθηκε, μία από τις εφαρμογές της τεχνικής υπολογισμού μέσης τιμής, είναι η εκτίμηση της εγκεφαλικής απόκρισης μετά από εφαρμογή κάποιας διέγερσης. Το σχήμα 2.7 (πάνω τμήμα) δείχνει το σήμα που έχει καταγραφεί από τον εγκέφαλο υγιούς ατόμου έπειτα από σωματοαισθητικό ερέθισμα τη χρονική στιγμή t=0. To προκλητό δυναμικό (Ν=1) δεν είναι ορατό γιατί επικαλύπτεται από το ΗΕΓ στο παρασκήνιο. Στα επόμενα τμήματα του σχήματος παρουσιάζεται το ίδιο προκλητό δυναμικό μετά από υπολογισμό μέσου όρου για διαφορετικές τιμές του Ν. Καθώς το Ν αυξάνει, ο λόγος SNR βελτιώνεται κατά ένα παράγοντα N και η μορφολογία του προκλητού δυναμικού γίνεται πιο αναγνωρίσιμη, ενώ η συνεισφορά του ΗΕΓ είναι πολύ μικρότερη. Έτσι, μπορούν εύκολα να υπολογιστούν οι ποσοτικοί δείκτες κλινικού ενδιαφέροντος, όπως το πλάτος και η καθυστέρηση των σχετικών κυματομορφών.

35 Σχήμα 2.6 : Απόκριση συχνότητας της διαδικασίας μέσου όρου για διαφορετικές τιμές του Ν

36 Σχήμα 2.7 : Ανάδειξη προκλητού δυναμικού με τη χρήση της τεχνικής του μέσου όρου. Η επίδραση του ΗΕΓ μειώνεται σταδιακά και η μορφολογία του προκλητού δυναμικού γίνεται πιο αναγνωρίσιμη καθώς αυξάνει ο αριθμός των "σαρώσεων" N Φασματική ανάλυση Οι μέθοδοι υπολογισμού της φασματικής πυκνότητας ισχύος (PSD) ενός σήματος διακρίνονται σε παραμετρικές και μη παραμετρικές. Μη παραμετρικές μέθοδοι Πρόκειται για παραδοσιακές μεθόδους ανάλυσης που βασίζονται στο γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT). Η έκφραση του PSD συναρτήσει της συχνότητας υπολογίζεται ως εξής: N 1 1 P( f) = Ts y( k) e j2πfkts Ts k= 0 2 = 1 2 Y( f) NTs (2.26) όπου Ts η περίοδος δειγματοληψίας, N o αριθμός των δειγμάτων και Y(f) ο διακριτός μετασχηματισμός Fourier του y(n).

37 Η φασματική πυκνότητα ισχύος (PSD) μπορεί επίσης να υπολογιστεί σε δύο βήματα από τον FFT της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης Ryy(k) του σήματος: R yy ( k) = 1 N N k 1 y ( i) y ( i * + k) i= 0 (2.27) όπου το * δηλώνει συζυγή μιγαδικό. Επομένως η PSD μπορεί να εκφραστεί ως: P( f) = Ts N k= N R yy ( k) e j2πfkts (2.28) όπου -(1/2Τs) f (1/2Ts). Οι μέθοδοι που βασίζονται στο μετασχηματισμό FFT είναι πολύ διαδεδομένες λόγω της υπολογιστικής τους ταχύτητας, και της άμεσης ερμηνείας των αποτελεσμάτων. Πάντως, η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης και ο μετασχηματισμός Fourier θεωρητικά καθορίζονται από μια άπειρη ακολουθία δεδομένων. Έτσι προκύπτουν λάθη από την ανάγκη να δουλέψουμε με περιορισμένο αριθμό δεδομένων προκειμένου να εκτιμήσουμε τις πραγματικές τιμές των συναρτήσεων. Επιπλέον, συχνά χρειάζεται να κάνουμε μη ρεαλιστικές υποθέσεις για τα δεδομένα εκτός του παραθύρου εργασίας, τα οποία θεωρούνται συνήθως μηδέν. Πράγμα που υποδηλώνει εφαρμογή τετραγωνικού παραθύρου στα δεδομένα εξόδου. Διαφορετικά παράθυρα που συνδέουν ομαλά τα πλαϊνά δείγματα με το μηδέν χρησιμοποιούνται συχνά για να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Επιπλέον η εκτίμηση της PSD του σήματος δεν είναι πάντα η στατιστικά αναμενόμενη και χρησιμοποιούνται τεχνικές για τη βελτίωση των στατιστικών του ιδιοτήτων. Παραμετρικές μέθοδοι Η παραμετρική προσέγγιση θεωρεί ότι η υπό ανάλυση χρονική ακολουθία είναι έξοδος ενός δοθέντος μαθηματικού μοντέλου, και δεν γίνονται δραστικές υποθέσεις σχετικά με τα δεδομένα εκτός παραθύρου, όπως προηγουμένως. Η PSD υπολογίζεται ως συνάρτηση των παραμέτρων του μοντέλου. Ένα κρίσιμο σημείο σε αυτή την προσέγγιση είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου για την αναπαράσταση της ακολουθίας των δεδομένων. Το μοντέλο εξαρτάται αποκλειστικά από τα φυσιολογικά, ανατομικά και φυσικά χαρακτηριστικά του βιολογικού συστήματος, αλλά παρέχει με απλότητα τις σχέσεις εισόδου-εξόδου της διαδικασίας στη λεγόμενη black-box προσέγγιση. Μεταξύ των διαφόρων μοντέλων, τα γραμμικά, που χαρακτηρίζονται από αναλογικές συναρτήσεις μεταφοράς, μπορούν να περιγράψουν ένα μεγάλο αριθμό από διαδικασίες. Στην πιο γενική περίπτωση, παριστάνονται από την εξής γραμμική εξίσωση, που συνδέει την είσοδο x(k) με την έξοδο μιας ARMA (Autoregressive Moving Average) διαδικασίας: p y( k ) = α i y( k i ) + i= 1 q j= 1 b j x( k j ) + x( k ) (2.29) όπου x(k) είναι η είσοδος λευκού θορύβου με μηδενικό μέσο όρο και διακύμανση λ2, p και q είναι η τάξη των AR και ΜΑ όρων αντίστοιχα και α i και bj είναι οι κατάλληλοι συντελεστές. To ARMA μοντέλο μπορεί να επαναδιατυπωθεί ως ένα AR ή ως ένα ΜΑ μοντέλο αν οι συντελεστές bj ή αi, είναι μηδενικοί, αντίστοιχα. Εφόσον η εκτίμηση των AR παραμέτρων δίνει γραμμικές εξισώσεις τα AR μοντέλα χρησιμοποιούνται στη θέση των ARMA ή ΜΑ μοντέλων, με βάση τη θεωρία ότι κάθε ARMA ή ΜΑ διαδικασία πεπερασμένης διακύμανσης μπορεί να παρουσιασθεί σαν ένα μοναδικό AR μοντέλο, ακόμα και μη πεπερασμένο. Ομοίως, κάθε ARMA ή AR διαδικασία μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα ΜΑ μοντέλο. Η AR PSD δίνεται τότε από την έκφραση:

38 λ2ts P( f) = p i= 1 = αiz i λ2ts p (z l= 1 z = exp( j2πfts ) zl ) z = exp( j2πft ) (2.30) s Το δεξί τμήμα της σχέσης δείχνει τους πόλους της συνάρτησης μεταφοράς στο επίπεδο z. Το σχήμα 2.8.β δείχνει την PSD συνάρτηση του HRV σήματος που φαίνεται στο σχήμα 2.8.α, ενώ στο σχήμα 2.8.γ φαίνεται το αντίστοιχο διάγραμμα των πόλων. Σχήμα 2.8 : α) Ακολουθία χρονικής διάρκειας RR διαστημάτων σε sec ως συνάρτηση του αριθμού του καρδιακού παλμού, β) PSD του σήματος που έχει υπολογισθεί με τη χρήση AR μοντέλου, γ) διάγραμμα των πόλων στο επίπεδο z Οι παραμετρικές μέθοδοι, είναι πιο σύνθετες υπολογιστικά σε σχέση με τις μη παραμετρικές, αφού απαιτούν μια εκ των προτέρων επιλογή της δομής και της τάξης του μοντέλου του μηχανισμού γένεσης του σήματος. Κάποιοι έλεγχοι απαιτούνται εκ των υστέρων επεξεργασία του φάσματος για την επαλήθευση της λευκότητας του σφάλματος πρόβλεψης. Εκ των υστέρων επεξεργασία του φάσματος γίνεται και σε μη παραμετρικές μεθόδους ολοκληρώνοντας τη συνάρτηση P(f) σε προκαθορισμένα εύρη συχνοτήτων. Πάντως το AR μοντέλο έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει φασματική ανάλυση για απευθείας και αυτόματο υπολογισμό της ισχύος και της συχνότητας κάθε φασματικής συνιστώσας. Στο πεδίο του μετασχηματισμού z, η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης R(k) και η Ρ(z) του σήματος συνδέονται με τη σχέση: R ( k) = 1 2πj P(z)z k 1 z=1 dz (2.31) Αν το ολοκλήρωμα υπολογιστεί με τη μέθοδο των υπολοίπων, η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης αναλύεται σε άθροισμα ημίτονων, κάθε ένα από τα οποία σχετίζεται με ένα ζεύγος συζυγών μιγαδικών πόλων και εκθετικών συναρτήσεων, που σχετίζονται με τους πραγματικούς πόλους. Οι μετασχηματισμοί Fourier των όρων αυτών δίνουν την έκφραση κάθε φασματικής συνιστώσας που ταιριάζει με τη συνιστώσα που σχετίζεται με τον αντίστοιχο πόλο ή ζευγάρι πόλων. Το όρισμα του

39 πόλου δίνει την κεντρική συχνότητα της συνιστώσας, ενώ η i-στη φασματική συνιστώσα είναι το υπόλοιπο γi, στην περίπτωση των πραγματικών πόλων, ή το 2Re(γi) στην περίπτωση του συζυγούς ζεύγους πόλων. Το γi υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: γ i = z 1 (z zi )P( z) z = zi (2.32) Συνοψίζοντας η παραμετρική προσέγγιση έχει προφανή πλεονεκτήματα σε σχέση με τη μη παραμετρική: Έχει μεγαλύτερη στατιστική συνέπεια ακόμη και για μικρά τμήματα δεδομένων. Το φάσμα ερμηνεύεται πιο εύκολα με έμμεσο φιλτράρισμα του τυχαίου θορύβου. Είναι δυνατός ένας αξιόπιστος και πιο εύκολος υπολογισμός των φασματικών παραμέτρων μέσω της διαδικασίας φασματικής ανάλυσης. Τέτοιες παράμετροι ερμηνεύονται απευθείας από φυσιολογική άποψη. Δεν χρειάζεται η χρήση παραθύρου για τη μείωση της φασματικής διαρροής. Η ανάλυση συχνότητας δεν εξαρτάται από τον αριθμό των δεδομένων. Από την άλλη, η παραμετρική προσέγγιση: Είναι πιο πολύπλοκη από υπολογιστικής άποψης. Απαιτεί εκ των προτέρων καθορισμό του τύπου του μοντέλου (AR, MA, ARMA, ή άλλο) που θα χρησιμοποιηθεί, και της πολυπλοκότητας του (αριθμός παραμέτρων) Προσαρμοστικά φίλτρα Τα προσαρμοστικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για την αφαίρεση θορύβου στο παρασκήνιο από το βασικό σήμα. Δεν απαιτείται καμία προηγούμενη πληροφορία για την αφαίρεση θορύβου στο παρασκήνιο, αφού το προσαρμοστικό φίλτρο προσαρμόζει τις παραμέτρους του για κάθε καινούριο διαθέσιμο δείγμα. Το βασικό σήμα αποτελείται από το επιθυμητό σήμα και από το θόρυβο στο παρασκήνιο το οποίο συσχετίζεται με το θόρυβο από κάποια μέτρηση αναφοράς. Η τεχνική βασίζεται στη θεώρηση ενός σήματος αναφοράς, το οποίο τοποθετείται στην πηγή των πεδίων θορύβου, με συσχέτιση ως προς το σήμα ή το θόρυβο. Το σχήμα 2.9 παρουσιάζει μία σχηματική αναπαράσταση προσαρμοστικού φίλτρου για αφαίρεση θορύβου. Το βασικό σήμα s(n) αποτελείται από το επιθυμητό σήμα x(n) και το θόρυβο στο παρασκήνιο ν(n), ο οποίος δεν συσχετίζεται με το x(n). Το σήμα αναφοράς r(n) μπορεί να συσχετίζεται είτε με το επιθυμητό σήμα x(n), είτε με το θόρυβο στο παρασκήνιο ν(n). Η καλύτερη δυνατή εκτίμηση του ν(n) (ν*(n)) μπορεί να υπολογιστεί με την επιλογή των βέλτιστων βαρών ω(n): v* ( n) = M m= 0 ω m ( n ) r( n m ) = = ω0 ( n ) r( n ) + ω1 ( n ) r( n 1) ω M ( n ) r( n M ), 0 m M (2.33) όπου Μ η τάξη του φίλτρου. Ο όρος r(n-m) λαμβάνεται από την καθυστέρηση του r(n).

40 Σχήμα 2.9 : Προσαρμοστικό φίλτρο για αφαίρεση θορύβου Η εκτίμηση του λάθους e(n) για ένα φίλτρο με Μ βάρη δίνεται από την έκφραση: e( n ) = s( n ) v * ( n ) = s( n ) ω T ( n ) r( n ) (2.34) Ο υπολογισμός των βαρών γίνεται με τη χρήση του LMS (Least Mean Square) αλγόριθμου, και τελικά προκύπτει ότι: (2.35) ω = R 1P όπου R είναι ο πίνακας συσχέτισης του σήματος αναφοράς r(n) και P είναι το διάνυσμα συσχέτισης του βασικού σήματος s(n) και του σήματος αναφοράς r(n). Τα R και P υπολογίζονται ως εξής: [ ] [ R = E r( n ) r( n ) T και P = E s( n ) r( n ) T ] (2.36) Συνοπτικά, ο προσαρμοστικός αλγόριθμος αφαίρεσης θορύβου (βασιζόμενος στον LMS) εκτελείται στα ακόλουθα βήματα: Βήμα 1 : Υπολογισμός του ν*(n): v* ( n) = M m= 0 ω m ( n ) r( n m ) (2.37) όπου Μ η τάξη του φίλτρου. Βήμα 2 : Εκτίμηση του λάθους για τη χρονική στιγμή n: e( n ) = s( n ) v * ( n ) x* ( n ) (2.38) Βήμα 3 : Ενημέρωση των βαρών του φίλτρου ωm(n) με χρήση του LMS αλγορίθμου: ω m ( n + 1) = ω m ( n ) + 2μe( n )r* ( n m ) για 0 m M Βήμα 4 : Επόμενη χρονική στιγμή: n n + 1 (2.39)

41 Η παράμετρος σύγκλισης μ, πρέπει να είναι θετική και πρέπει να ικανοποιεί τις ακόλουθες συνθήκες: 0 < μ < 0 < μ < 1 R 1 λ max όπου το λmax αναπαριστά τη μέγιστη ιδιοτιμή του πίνακα αυτοσυσχέτισης R. Εντούτοις, στην πράξη, η τιμή του R δεν είναι γνωστή και η τιμή της παραμέτρου πρέπει να επιλεγεί ευριστικά. Ενώ μια μικρή τιμή της μ μπορεί να εγγυηθεί σύγκλιση, προσοχή θα πρέπει να ληφθεί διότι πολύ μικρές τιμές μπορεί να οδηγήσουν σε πολύ αργή σύγκλιση. Η επιλογή βέβαια μεγάλης τιμής επιταχύνει τη σύγκλιση, με το κόστος μιας "θορυβώδους" σύγκλισης. Παράδειγμα: Εφαρμογή προσαρμοστικού φίλτρου για τη μέτρηση εμβρυακού ΗΚΓ Στην πράξη, ο αριθμός των εμβρύων και ο καρδιακός ρυθμός του καθενός ανιχνεύονται με την καταγραφή κοιλιακών ΗΚΓ κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης. Εντούτοις, τα κοιλιακά ΗΚΓ επιβαρύνονται με θόρυβο στο παρασκήνιο λόγω μυϊκής δραστηριότητας και κίνησης του εμβρύου. Η ανίχνευση του καρδιακού ρυθμού επιπλέον επικαλύπτεται από τον μητρικό καρδιακό ρυθμό που είναι σχεδόν διπλάσιος. Το προσαρμοστικό φίλτρο χρησιμοποιείται για την αφαίρεση του μητρικού ΗΚΓ και τη μέτρηση του εμβρυακού ΗΚΓ. Η είσοδος στο φίλτρο, που αποτελείται από το μητρικό και το εμβρυακό ΗΚΓ, καταγράφεται με τη χρήση ηλεκτροδίων στην περιοχή της κοιλιάς της μητέρας. Επιπρόσθετα, τέσσερα ηλεκτρόδια τοποθετούνται στο στήθος της μητέρας και χρησιμοποιούνται για την καταγραφή του ΗΚΓ. Σήματα από αυτά τα ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται ως σήματα αναφοράς. Στο σχήμα 2.10 παρουσιάζονται τα καρδιακά ανύσματα της μητέρας και του εμβρύου και η τοποθέτηση των ηλεκτροδίων. Στο σχήμα 2.11 φαίνεται ένα από τα σήματα αναφοράς, το βασικό σήμα εισόδου και η έξοδος ακύρωσης θορύβου. Είναι φανερό από το σχήμα 2.11 ότι η έξοδος της ακύρωσης θορύβου δείχνει το εμβρυακό ΗΚΓ, εξασθενώντας το μητρικό ΗΚΓ που είναι παρόν στο σήμα εισόδου. Το σήμα εισόδου είχε εύρος 3-35Ηz και ρυθμό δειγματοληψίας 256 Ηz. Στο σχήμα 2.12 παρουσιάζεται η ίδια διαδικασία αφαίρεσης του μητρικού ΗΚΓ, με τη διαφορά ότι το εύρος συχνοτήτων του σήματος εισόδου είναι 0,3-75Ηz και ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι 512 Ηz. Είναι εμφανής η ισχυρή παρεμβολή των 50 Hz, που είναι παρόντα και στη βασική είσοδο και στο σήμα αναφοράς. Η ακύρωση του θορύβου ενίσχυσε το εμβρυακό ΗΚΓ εξασθενώντας το μητρικό ΗΚΓ και την παρεμβολή των 50 Ηz.

42 Σχήμα 2.10 : Αφαίρεση του μητρικού καρδιακού ρυθμού στην εμβρυακή ηλεκτροκαρδιογραφία. α) Καρδιακά ανύσματα μητέρας και εμβρύου, β) Τοποθέτηση των ηλεκτροδίων Σχήμα 2.11 : Αποτέλεσμα αφαίρεσης μητρικού καρδιακού ρυθμού με τη χρήση προσαρμοστικού φίλτρου (εύρος συχνοτήτων: 3-35Ηζ, ρυθμός δειγματοληψίας 256Ηz). α) Σήμα αναφοράς (από τις απαγωγές στήθους) β) Αρχική είσοδος (από τις απαγωγές στην κοιλιά) γ) Έξοδος ακύρωσης θορύβου

43 Σχήμα 2.12 : Αποτέλεσμα αφαίρεσης μητρικού καρδιακού ρυθμού με τη χρήση προσαρμοστικού φίλτρου (εύρος συχνοτήτων: 0,3-75Ηz, ρυθμός δειγματοληψίας 512Ηz). α) Σήμα αναφοράς (από τις απαγωγές στήθους) β) Αρχική είσοδος (από τις απαγωγές στην κοιλιά) γ) Έξοδος ακύρωσης θορύβου Συμπεράσματα Παραπάνω παρουσιάσθηκαν τα βασικά σημεία λήψης και επεξεργασίας σήματος, τα οποία αποτελούν βασικά εργαλεία για τον χειρισμό βιολογικών σημάτων. Αναφέρθηκαν παραδείγματα σχετικά με ΗΚΓ, ΗΕΓ και προκλητά δυναμικά. Περιγράφηκαν ειδικοί αλγόριθμοι επεξεργασίας που χρησιμοποιούν ψηφιακά φίλτρα, προσαρμοστικά φίλτρα, υπολογισμό μέσης τιμής, και φασματική ανάλυση καταδεικνύοντας πως παραδοσιακές αλλά και καινούργιες τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος μπορούν να αναδείξουν χρήσιμες παραμέτρους των βιολογικών σημάτων, να βελτιώσουν τη γνώση πολλών βιολογικών συστημάτων, και να βοηθήσουν στο χειρισμό ποσοτικών παραμέτρων που δίνουν τη δυνατότητα διάκρισης φυσιολογικών και παθολογικών περιπτώσεων.

44 Κεφάλαιο 3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΟ ΑΙΜΑ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο διαβήτης είναι μια χρόνια πάθηση που δεν έχει καμία θεραπεία. Οι περιπλοκές της ασθένειας περιλαμβάνουν την τύφλωση, την ασθένεια των νεφρών, την ασθένεια των νεύρων και τις καρδιακές παθήσεις. Ο διαβήτης θεωρείται ότι είναι η κύρια αιτία για περιπτώσεις τύφλωσης σε άτομα με ηλικίες μεταξύ των 20 και 74. Ο διαβήτης αποτελεί επίσης την κύρια αιτία που εξασθενεί τα νεφρά (περιλαμβάνει σχεδόν το 40% των περιπτώσεων). Σχεδόν το 60-70% των διαβητικών παρουσιάζουν διάφορες βλάβες στα νεύρα που μπορούν να οδηγήσουν σε ακρωτηριασμό των κάτω άκρων. Οι διαβητικοί είναι 2-4 φορές πιθανότερο να αποκτήσουν καρδιακές παθήσεις και να υποστούν εμφράγματα. Ο διαβήτης είναι μια ασθένεια στην οποία το σώμα δεν παράγει ή δεν χρησιμοποιεί κατάλληλα την ινσουλίνη, μια ορμόνη που απαιτείται για τη μετατροπή της ζάχαρης και του αμύλου σε ενέργεια. Υπάρχουν δύο τύποι διαβήτη: Ο τύπος Ι (γνωστός παλιότερα και ως νεανικός διαβήτης) είναι μια ασθένεια στην οποία το σώμα δεν παράγει καθόλου ινσουλίνη και εμφανίζεται συχνότερα σε νέους, ενηλίκους και παιδιά. Οι άνθρωποι με διαβήτη τύπου Ι πρέπει να κάνουν καθημερινές εγχύσεις ινσουλίνης για κρατηθούν στη ζωή. Ο τύπος ΙΙ αποτελεί μεταβολική αναταραχή ως αποτέλεσμα της ανικανότητας του σώματος να χρησιμοποιήσει κατάλληλα την ινσουλίνη. Ο τύπος ΙΙ αποτελεί το 90-95% του διαβήτη. Στην Ελλάδα, ο διαβήτης τύπου ΙΙ πλησιάζει σε επιδημικές αναλογίες και οφείλεται κυρίως στην παχυσαρκία και στον στατικό τρόπο ζωής των ανθρώπων. Η ινσουλίνη αποτελεί την ορμόνη που ξεκλειδώνει τα κύτταρα του σώματος, επιτρέποντας στη γλυκόζη να εισαχθεί στα κύτταρα αυτά και να τα θρέψει. Δεδομένου ότι στους διαβητικούς, η γλυκόζη δεν μπορεί να εισαχθεί στα κύτταρα, η γλυκόζη εμφανίζεται στο αίμα με αποτέλεσμα τα κύτταρα του σώματος να οδηγούνται κυριολεκτικά στο θάνατο. Οι διαβητικοί με διαβήτη τύπου Ι πρέπει από μόνοι τους να κάνουν χρήση ινσουλίνης χρησιμοποιώντας ένεση. Η ινσουλίνη παράγεται είτε από το πάγκρεας του χοιρινού κρέατος είτε κατασκευάζεται χημικά και είναι ίδια με την ινσουλίνη που παράγεται από τον ανθρώπινο οργανισμό. Οι γιατροί συνιστούν στους ασθενείς να χρησιμοποιούν μετρητές γλυκόζης και ανάλογα με το αποτέλεσμα είτε να κάνουν ένεση ινσουλίνης είτε όχι. Πολλοί ασθενείς θεωρούν την λήψη αίματος πιο επίπονη από την ενδοφλέβια λήψη ινσουλίνης, για το λόγο αυτό υπάρχει επιθυμία από τους ασθενείς για μη επεμβατικές μεθόδους μέτρησης της γλυκόζης. Οι μέθοδοι που υπάρχουν ή που αναπτύσσονται για μη επεμβατική μέτρηση της γλυκόζης, μπορούν να χρησιμοποιούν εκτός του αίματος και άλλα ρευστά από το σώμα όπως ο ιδρώτας ή το σάλιο. Ο ιδρώτας και το σάλιο είναι σχετικά εύκολο να ληφθούν, αλλά η συγκέντρωση της γλυκόζης σε αυτά δεν είναι τόσο πλούσια όσο η αντίστοιχη στο αίμα.

45 3.2 ΧΡΗΣΗ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΓΙΑ ΜΗ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΩΝ Εισαγωγή Ο μεταβολισμός σαν όρος αναφέρεται σε όλους τους μετασχηματισμούς των χημικών ουσιών και της ενέργειας που λαμβάνουν χώρα σ' ένα ζώντα οργανισμό. Ο καθορισμός των μεταβολιτών περιλαμβάνει τις ενώσεις που επεμβαίνουν ή είναι προϊόντα της διαδικασίας του μεταβολισμού, συμπεριλαμβανομένων των ενδογενών καθώς επίσης και των εξωγενών ουσιών (πχ φάρμακα). Για την ανάλυση του μεταβολίτη, η πραγματική μεθοδολογία βασίζεται στις διαφορετικές ενζυματικές δοκιμές που χρησιμοποιούν φωτομετρική ή ηλεκτροχημική ανίχνευση. Το σχήμα 3.1 περιγράφει τη διαφορά μεταξύ δοκιμής με χρήση ενός κλασικού αισθητήρα και με χρήση άμεσης φασματομετρίας. Νέες τάσεις προσπαθούν να εκτελέσουν αυτές τις μετρήσεις με εφαρμογή της τεχνολογίας των βιοαισθητήρων. Στόχος των ερευνητικών αυτών μελετών είναι να παραχθούν τεχνικές για τον συνεχή έλεγχο του μεταβολίτη, είτε με την εμφύτευση συσκευών στον υποδόριο ιστό, είτε με τη χρησιμοποίηση μιας μη επεμβατικής φασματοσκοπικής μεθόδου. Στο συγκεκρημένο κεφάλαιο θα αναλυθεί η μη επεμβατική μέτρηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης στο αίμα με χρήση υπέρυθρης φασματοσκοπίας και θα συζητηθεί η πιθανή εφαρμογή αυτής της μεθόδου για τη μέτρηση και άλλων μεταβολιτών. ΓΛΥΚΟΖΗ σε βιοτική μήτρα ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ μοριακή ανίχνευση Πολλών μεταβλητών IR-Φασματομετρία ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Επεξεργασία σήματος ΧΗΜΕΙΟΜΕΤΡΙΚΗ βαθμονόμηση. Τμήμα ανίχνευσης και πρόβλεψης ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Σχήμα 3.1 : Διαφορές μεταξύ δοκιμής με χρήση κλασικού αισθητήρα και δοκιμής με φασματομετρία πολλών μεταβλητών

46 3.2.2 Εναλλακτικές μέθοδοι για τους μεταβολίτες Δεδομένου ότι το αίμα είναι το κύριο μεταβολικό σύστημα μεταξύ των οργάνων και των ιστών του σώματος, θεωρείται ο καλύτερος δείκτης για παρατήρηση της φυσιοπαθολογικής κατάστασης του ασθενή και επομένως το καταλληλότερο δείγμα για μέτρηση των συγκεντρώσεων του μεταβολίτη. Άλλα ρευστά του σώματος όπως τα ούρα, το υδατοειδές υγρό, το σάλιο και ο ιδρώτας μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για μέτρηση της σύνθεσης ενός μεταβολίτη. Διαδίδοντας μια ακτίνα πολωμένου φωτός πλευρικά μέσω του ματιού, είναι δυνατό να μετρηθεί η συγκέντρωση της γλυκόζης. Η συγκεκρημένη μέθοδος είναι εφικτή επειδή η d-γλυκόζη είναι ένα δεξιόστροφαπεριστρεφόμενο μόριο (δεξτρόζη) και κατά συνέπεια το διάνυσμα πόλωσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας περιστρέφεται ανάλογα με τη συγκέντρωσή του. Η μέτρηση της γλυκόζης καθώς και μετρήσεις άλλων μεταβολιτών έχουν υλοποιηθεί μέσω του σάλιου και του ιδρώτα χρησιμοποιώντας αμπερομετρικούς βιοαισθητήρες υπεροξειδίου του υδρογόνου. Εντούτοις, η συγκέντρωση της γλυκόζης στα δείγματα του σάλιου δεν είναι τόσο πλούσια σε σχέση με τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα. Η χρήση ενός επιφανειακού αισθητήρα για το διαδερμικό έλεγχο των μεταβολιτών είναι δυνατή μόνο με έναν πολύ περιορισμένο τρόπο λόγω της χαμηλής διαπερατότητας που εμφανίζει το επιδερμικό κερατοειδές στρώμα. Εντούτοις, υπάρχουν ορισμένα ελπιδοφόρα αποτελέσματα από πειράματα για μη επεμβατική δειγματοληψία των υγρών του σώματος με χρήση της ιοντοφόρεσης δηλαδή την εφαρμογή ενός χαμηλού ηλεκτρικού ρεύματος για μεταφορά της γλυκόζης μέσω του δέρματος. Οι πιο επιτυχημένοι βιοαισθητήρες για τον συνεχή έλεγχο της γλυκόζης, βασίζονται στην ενζυματική αμπερομετρική μέθοδο που χρησιμοποιεί την οξείδωση της γλυκόζης. Εντούτοις, αυτές οι συσκευές μπορούν να παρουσιάσουν κινδύνους όσον αφορά την βιοσυμβατότητα, την μόλυνση και τον σχηματισμό της θρομβίνης κατά την εμφύτευσή τους στις αρτηρίες. Άλλοι ιστοί του σώματος (πχ υποδόριος ιστός) έχουν αξιολογηθεί για να εκτελούν τον έλεγχο της γλυκόζης και για τον λόγο αυτό οι αισθητήρες γλυκόζης τύπου βελόνας είναι ιδιαίτερα ανεπτυγμένοι. Η μέθοδος του μικροδιαχωρισμού προσφέρει σε σύγκριση με τους αισθητήρες γλυκόζης τύπου βελόνας, έναν πιο βιοσυμβατό τρόπο για τον έλεγχο της γλυκόζης στον ιστό. Ο συνδυασμός ενός αισθητήρα γλυκόζης με τον μικροδιαχωρισμό έχει επιτυχώς δοκιμαστεί σε ζώντα οργανισμό. Επιπλέον, η υπέρυθρη φασματοσκοπική ανίχνευση σε συνδυασμό με τον μικροδιαχωρισμό έχει αξιολογηθεί πρόσφατα. Η τεχνική του μικροδιαχωρισμού φαντάζει η πιο ελπιδοφόρα για τον συνεχή έλεγχο της γλυκόζης στον ιστό Μη επεμβατικές φασματοσκοπικές μέθοδοι Μία μη επεμβατική φασματοσκοπική μέθοδος συνήθως χρησιμοποιεί το δέρμα ή κάποιο μεγαλύτερο μέρος ιστού του σώματος. Από την άλλη, οι περισσότερες μεταβολικές πληροφορίες λαμβάνονται με δείγμα αίματος, που αποτελεί σχετικά μικρό μέρος του όγκου του ιστού που εξετάζεται φασματικά. Εγείρεται επίσης μια διαμάχη σχετικά με την απόλυτη συγκέντρωση της γλυκόζης μέσα στον υποδόριο ιστό σε σύγκριση με το αίμα. Μερικοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι η εμβόλιμη συγκέντρωση της γλυκόζης, κάτω από σταθερές συνθήκες είναι σχεδόν ίδια με αυτήν στο αίμα ενώ άλλοι υποστηρίζουν ότι έχουν ανιχνευθεί τιμές κοντά στο 75% της αντίστοιχης συγκέντρωσης στο αίμα. Προφανώς, οι αλλαγές της ροής του αίματος επηρεάζουν τη συγκέντρωση του μεταβολίτη στον ιστό. Έχει παρατηρηθεί ότι η μείωση της γλυκόζης στον ιστό, προηγείται μερικές φορές της υπογλυκαιμίας. Αυτό το χαρακτηριστικό θα μπορούσε να θεωρηθεί ως πρόωρος δείκτης υπογλυκαιμίας. Αυτά τα συμπεράσματα είναι καλύτερα όταν ακολουθούνται από έναν μη επεμβατικό έλεγχο, δηλαδή την φασματοσκοπική εξέταση του ιστού. Την ολοκληρωμένη εξέταση του ιστού επηρεάζουν περαιτέρω φυσιολογικές μεταβλητές. Για τον φασματοσκοπικό έλεγχο θα πρέπει να σημειωθεί ότι το ένα τρίτο του συνολικού νερού του σώματος είναι εξωκυτταρικό, ενώ το υπόλοιπο είναι ενδοκυτταρικό. Κάθε τμήμα περιέχει μια χαρακτηριστική σύνθεση των διαλυτών ουσιών. Το συνολικό νερό του σώματος ποικίλλει ανάλογα

47 απορρόφηση με την ηλικία και το φύλο μεταξύ του 45 και του 60% του βάρους του σώματος, αν και η περιεκτικότητα σε νερό του αδύνατου ιστού κυμαίνεται στο 70%. Το υποθετικό διάστημα για τη γλυκόζη υποτίθεται ότι είναι 25% με 30% σχετικά με το βάρος του σώματος. Σαν ειδική περίπτωση, οι φασματικές αλλαγές μπορούν να ελεγχθούν ταυτόχρονα με τον καρδιακό κύκλο, που παρέχει ένα σήμα αναφοράς, όπως πραγματοποιείται στο σφυγμοξύμετρο, ο οποίος επιτρέπει την ανίχνευση με τεχνικές τύπου lock-in. Με τη χρησιμοποίηση μιας τέτοιας μεθόδου είναι δυνατό να παραχθούν πληροφορίες σχετικές για τη συγκέντρωση του μεταβολίτη μέσα σε μέρος του ενδοαγγειακού διαστήματος. Κατά τη διάρκεια της συστολής ο τριχοειδής όγκος του αίματος αυξάνεται, οδηγώντας κατά συνέπεια σε υψηλότερη απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας λόγω του νερού, της αιμογλοβίνης καθώς και των άλλων συστατικών του αίματος. Με την υιοθέτηση της φασματοσκοπικής διαφοράς, το υπόβαθρο μπορεί να αποβληθεί από το μη αγγειώδες μέρος του ιστού (σχήμα 3.2). Εντούτοις, δεδομένου ότι το αίμα αντιπροσωπεύει μόνο ένα άγνωστο μέρος του συνολικού ιστού, οι αλλαγές των σημάτων που οφείλονται στην παλμική ροής του αίματος είναι ελάχιστες σε σύγκριση με το συνολικό σήμα νερού του ιστού, το οποίο ποικίλλει σύμφωνα με τα μικροαγγεία και την σύσταση του ιστού. A V ~ T χρόνος Σχήμα 3.2 : Σχηματική αναπαράσταση του φασματικού παλμικού σήματος : η εξασθένησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας προκαλείται από την απορρόφηση νερού, όπου Α = αρτηριακό αίμα, V = φλεβικό αίμα και Τ = ιστός Ο αριθμός των εφαρμογών της υπέρυθρης φασματοσκοπίας στο βιοϊατρικό τομέα έχει αυξηθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια. Η υπέρυθρη φασματοσκοπική μέτρηση των μεταβολιτών στα ρευστά προσφέρει δύο πλεονεκτήματα σε σχέση με τη συμβατική ενζυματική μεθοδολογία και αυτό γιατί τα διάφορα συστατικά μπορούν να καθοριστούν ταυτόχρονα και η δοκιμή είναι επίσης αντιδραστήριοελεύθερο. Δεδομένου ότι το νερό είναι το κύριο συστατικό των βιοϊατρικών δειγμάτων, οι οπτικές ιδιότητές των μεταβολιτών και ειδικότερα ο συντελεστή απορρόφησής τους είναι σημαντικής σπουδαιότητας για τα υπέρυθρα φάσματα. Στο μέσο υπέρυθρο (σε μήκη κύματος λ : μm) με τις μεγάλες απορροφήσεις που προκαλούνται από τη διέγερση των μοριακών δονήσεων που εμφανίζονται στις θεμελιώδεις και στις συνδυασμένες ζώνες, απαιτούνται συνήθως σύντομες διαδρομές δειγμάτων. Το βάθος της οπτικής παρεμβολής δεν είναι επαρκές για να επιτρέπει σε έναν ζώντα οργανισμό να ελέγχει τους μεταβολίτες ιστού μέσω της επιφάνειας του δέρματος. Εντούτοις, αυτή η φασματική κλίμακα είναι κατάλληλη για in vivo δοκιμές λόγω του υψηλού περιεχομένου πληροφοριών και της μοριακής επιλεκτικότητας. Στο κοντινό υπέρυθρο (780 έως 2500 nm) η φασματική κλίμακα περιέχει ζώνες απορρόφησης που μεγαλώνουν τις οπτικές διαδρομές μεταξύ 0,5 και 10 mm. Στο σχήμα 3.3.α συγκρίνεται το φάσμα απορρόφησης του νερού, που ορίζεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της φασματικής μετάδοσης των δειγμάτων, με το φάσμα απορρόφησης ολόκληρου του αίματος. Η διασπορά των κυψελοειδών συστατικών του αίματος έχει σαν επιπτώση στο φάσμα ένα τεράστιο offset και μια

48 κεκλιμένη βασική γραμμή, γεγονός που αποδεικνύει ότι η διασπορά εξαρτάται από το μήκος κύματος. Μόνο με τη χρήση της φασματοσκοπικής διαφοράς, περιγράφονται οι σημαντικότερες απορροφήσεις του νερού και μόνο τότε μπορούν τα άλλα συστατικά του αίματος να απεικονισθούν. Στο σχήμα 3.3.β απεικονίζονται τα φάσματα ορισμένων συστατικών του αίματος σύμφωνα με τη μέση συγκέντρωσή τους στο αίμα. Λόγω της επικάλυψης που παρατηρείται στις ζώνες απορρόφησης, η αξιολόγηση μιας ευρείας σειράς φασματικών μεταβλητών μπορεί να οδηγήσει σε ποσοτική δοκιμή. Σύμφωνα με το νόμο των Lambert-Beer, η γραμμική διαμόρφωση των φασμάτων είναι συνήθως η βάση μιας τέτοιας μεθοδολογίας. Η μερική προσέγγιση ελαχίστων τετραγώνων (PLS), το φιλτράρισμα Fourier καθώς και συνδυασμός από νευρωνικά δίκτυα έχουν επίσης μελετηθεί. Ερευνήσαμε την πυκνότητα πληροφοριών διαφορετικών φασματικών κλιμάκων σε σχέση με φασματικές διαταραχές στο κοντινό υπέρυθρο (όπως ο θόρυβος, η επικάλυψη φασματικών συστατικών, η ποικιλία βασικών γραμμών κλπ) σχετικά με την απόδοση δοκιμής για τη γλυκόζη, την ουρία και το ουρικό οξύ. Τα ανθρώπινα δείγματα πλάσματος αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας κλινικές ενζυματικές μεθόδους. Τα φάσματα καταγράφηκαν με χρήση ενός κυττάρου μετάδοσης χαλαζία είτε στα 10 mm είτε στο 1 mm όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5. Τα φασματικά δεδομένα προέρχονται είτε από το διάστημα έως 7600 cm-1 (βραχέα κύματα κοντά στο υπέρυθρο (short wave near infrared), SW-NIR) είτε από την περιοχή κάτω από 6800 cm-1. Για την περίπτωση της γλυκόζης, παρέχεται επίσης μια σύγκριση των δεδομένων στο μέσο υπέρυθρο. Σχήμα 3.3 : Φασματικές απορροφήσεις κοντά στο υπέρυθρο συναρτήσει κυματάριθμων. α) Το φάσμα ολόκληρου του αίματος και του καθαρού νερού όπως μετριέται με ένα κύτταρο χαλαζία στα 0,5 mm. β) Φάσματα των πιο σημαντικών ιατρικών συστατικών. Προβλήματα που συσχετίζονται με την περιοχή των SW-NIR είναι οι ασθενείς συντελεστές απορρόφησης των συστατικών του πλάσματος και οι πολύ ευρύτερες ζώνες απορρόφησης που οδηγούν σε φτωχή επιλεκτικότητα για τη βαθμονόμηση, σε σύγκριση με τις άλλες φασματικές περιοχές. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι τα φασματικά διαστήματα περιέχουν περισσότερες διακυμάνσεις από το νερό και δεν μπορούν να διαχωριστούν από τα στοιχεία της βαθμονόμησης. A I = 10 mm I = 1 mm cm-1 Σχήμα 3.4 : Φάσματα απορρόφησης στο κοντινό υπέρυθρο του πλάσματος που περιέχεται στο αίμα μετρημένα με τέσσερα κύτταρα διαφορετικού οπτικού μήκους διαδρομής Υπάρχουν όμως και δυσκολίες σχετικές με την ποσοτική ανάλυση των υδάτινων βιορευστών. Λόγω της διπολικής φύσης του νερού, ο δεσμός υδρογόνου διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη δομή του υγρού νερού. Ένας δείκτης για αυτό, είναι ότι οι ζώνες απορρόφησης IR, που προκύπτουν από τις ταλαντώσεις της έκτασης του δεσμού 0-H. Στο σχήμα 3.5, όπου απεικονίζονται τα διαφορετικά φάσματα του ανθρώπινου πλάσματος, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας. Ο δεσμός υδρογόνου επηρεάζεται επίσης από τις συγκεντρώσεις των ηλεκτρολυτών και τη θερμοκρασία του καθαρού νερού.

49 Γενικά, οι συνθήκες μέτρησης στην in vivo ανάλυση των βιορευστών, μπορούν να διατηρηθούν σταθερότερες όσον αφορά στη θερμοκρασία, στην ομοιογένεια των δειγμάτων και στο οπτικό μήκος διαδρομής από ότι τις αντίστοιχες σε ζώντες οργανισμούς. Πολλές φυσιολογικές μεταβλητές πρέπει να εξεταστούν για μετρήσεις, διαμέσου του δέρματος, σε ζώντες οργανισμούς, όπως: η περιφερειακή διάχυση του αίματος, η ανομοιογενής διανομή των μεταβολιτών, και πρόσθετες διακυμάνσεις στη μέση θερμοκρασία του σώματος. Είναι ευρέως γνωστό, ότι υπάρχει μια εξάρτηση του βάθους διείσδυσης στον ιστό και του μήκους κύματος της ορατής ή της υπέρυθρης ακτινοβολίας εξάρτηση που οφείλεται στην απορρόφηση της ακτινοβολίας, κυρίως από το νερό, και στη διασπορά του ιστού. Η διασπορά των μαλακών ιστών εμφανίζεται κυρίως λόγω των ασυνεχειών του δείκτη διάθλασης στο υπομοριακό επίπεδο. Η χρήση ακτινοβολιών με μήκη κύματος μεταξύ 600 και 1300 nm παρέχει τη δυνατότητα μετρήσεων με μετάδοση στον ιστό του σώματος και το παραπάνω φασματικό διάστημα καλείται θεραπευτικό παράθυρο. A cm-1 B A cm-1 Σχήμα 3.5 : Εξάρτηση των μετρήσεων σε πλάσμα αίματος από τη θερμοκρασία: α) Διαφορετικά φάσματα απορρόφησης του νερού στους 40, 35 και 30 ο-25 οc. β) Διάφορα φάσματα του πλάσματος σε 31, 29 και 27 ο C-25 οc Μετρήσεις στα SW-NIR με μήκη κύματος μικρότερα από 1000 nm πραγματοποιήθηκαν στο ενδοκρανιακό αιμοδυναμικό των νεογνών. Το πλεονέκτημα της συγκεκριμένης μη επεμβατικής δοκιμής έγκειται στο ότι είναι μικρός ο αριθμός των στοιχείων του φάσματος που πρέπει να μοντελοποιηθούν, σε σχέση με την παρακολούθηση των μεταβολιτών με ασθενή χρωμοφόρα απορροφητικά στο κοντινό υπέρυθρο. Δυστυχώς, η ποσοτική ανάλυση των σημάτων απορρόφησης των ιστών για την γλυκόζη είναι πολύ απαιτητική, επειδή (λόγω των χαμηλών συγκεντρώσεών της στους ιστούς) τα σήματα απορρόφησης είναι ασθενή και επιπλέον σε αυτά υπερτίθεται ένα κυρίαρχο μεταβλητό σήμα υποβάθρου. Υπάρχουν δύο διαφορετικές πειραματικές δομές: ένα φασματόμετρο FT-IR (εξετάζει τη φασματική περιοχή: nm) και μια βαθμωτή μονοχρωματική συσκευή με διάταξη ανιχνευτή, είτε με είτε χωρίς εξάρτημα οπτικής ίνας ( nm).

50 A -logr cm-1 B -logr cm-1 Σχέδιο 3.6 : Διάχυτα φάσματα από το εσωτερικό ανθρώπινου χείλους όπως μετριέται με την οπτική καθρεφτών (-log R είναι το αντίτιμο για την απορροφητικότητα): α) Έξι φάσματα από πείραμα βαθμολόγησης ενός ατόμου. β) Έξι φάσματα από διαφορετικούς ασθενείς (όλα τα φάσματα αντισταθμίστηκαν για να ταιριάξουν στα 9000cm-1) Συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα [mg/dl] Δεδομένου ότι τα πειράματα στηρίχθηκαν μόνο σε εξετάσεις της στοματικής ανοχής της γλυκόζης (OCTT), η αναλυτική σχετικότητα μπορεί μάλλον να περιοριστεί, επειδή τα πλαστά αποτελέσματα μπορούν να επηρεάσουν τις βαθμολογήσεις πολλών μεταβλητών, όταν δεν μπορεί να εκτελεσθεί η τυχαία δειγματοληψία. Τα φάσματα, στο κοντινό υπέρυθρο, του ανθρώπινου εσωτερικού χείλους μετρήθηκαν με χρήση ενός ειδικά βελτιστοποιημένου εξαρτήματος για μετρήσεις διαχεόμενης ανάκλασης από φάσμα δέρματος με επίπεδο θορύβου της τάξεως των 10-5 μονάδων απορρόφησης. Το σχήμα 3.6 δείχνει μερικά φάσματα διαχεόμενης ανάκλασης που αποδεικνύουν τη μεταβολή του φάσματος για δεδομένα βαθμονόμησης από πολλά πρόσωπα. Η χρονική καθυστέρηση περίπου 10 λεπτών στο σχεδιάγραμμα της συγκέντρωσης γλυκόζης μέσα στον όγκο ιστού, έναντι των τριχοειδών συγκεντρώσεων, υπολογίστηκε από τη φασματοσκοπική αξιολόγηση των στοιχείων. Παρόμοιο αποτέλεσμα επιτεύχθηκε από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων από το τριχοειδές αγγείο έναντι των φλεβικών συγκεντρώσεων της γλυκόζης στο πείραμα βαθμολόγησης με πολλά άτομα. Στο σχήμα 3.7 φαίνονται τα σχεδιαγράμματα της συγκέντρωσης της γλυκόζης στο αίμα, που λήφθηκαν κατά τη διάρκεια διάφορων OGTTs, μαζί με τα υπολογισμένα ίχνη χρονοκαθυστέρησης. Ο μέσος όρος δείχνει ότι τα τακτοποιημένα λάθη πρόβλεψης για τα πρότυπα βαθμολόγησης των στοιχείων ενός ατόμου είναι περίπου 2.5 mmol l (45 mg dl ) και τα λάθη πρόβλεψης για βαθμονομήσεις πολλών ατόμων είναι περίπου κατά 10 mg dl υψηλότερα. Στο σχήμα 3.8 φαίνεται το διάγραμμα διασποράς των ανεξάρτητων προβλέψεων της συγκέντρωσης γλυκόζης με τιμές αναφοράς λαμβανόμενες με τη μέθοδο hexokinase/g6p-dh σ' ένα άτομο. Εισαγωγή γλυκόζης Ινσουλίνη Εισαγωγή γλυκόζης χρόνος [min] Σχήμα 3.7 : Σχεδιάγραμμα γλυκόζης αίματος. Το ίχνος α αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση γλυκόζης κατά την καταγραφής φάσματος που λαμβάνεται από προσέγγιση με splines; τα ίχνη β και γ λαμβάνονται από την εφαρμογή ενός φίλτρου πρώτης τάξης, σταθερής κρουστικής απόκρισης με χρονικές παραμέτρους των 10 και 20 λεπτών, αντίστοιχα

51 Μια συσκευή μέτρησης της γλυκόζης στο αίμα μπορεί να θεωρηθεί κλινικά αποδεκτή, εάν ένα ποσοστό μεγαλύτερο από το 95% όλων των τιμών δοκιμής κυμαίνεται μέσα στις περιοχές αποδοχής που υποδεικνύονται από τα όρια διαστήματος 1 ή 2 αντίστοιχα. Το πρόβλημα με τη χρήση της μη επεμβατικής φασματομετρικής τεχνολογίας για δοκιμές της γλυκόζης είναι ότι προκύπτει ένα ανεξάρτητο λάθος πρόβλεψης της συγκέντρωσης, αφού τα φασματικά στοιχεία και η μοντελοποίηση είναι ακόμα ανεπαρκή για πρακτική χρήση. Αυτό το σταθερό λάθος πρόβλεψης της συγκέντρωσης δεν φαίνεται στο διπλό λογαριθμικό διάγραμμα. Ένα σχετικό λάθος της πρόβλεψης της συγκέντρωσης της τάξεως του 15% ή μικρότερο θα μπορούσε να θεωρηθεί ικανοποιητικό. Πρόσφατα, είχε χρησιμοποιηθεί ένα φασματόμετρο ανίχνευσης (φασματική κλίμακας της τάξεως των 900 έως 1200 nm) που ελέγχει με χρήση οπτικής ίνας, αποτελούμενης από δύο ομόκεντρες γυάλινες ίνες, την εκπομπή και τη συλλογή ακτινοβολίας από το δέρμα. Φάσματα ανεπαρκούς ποιότητας αναγνωρίστηκαν από το μέσο όρο της συστοιχείας και τον παράγοντα ανάλυσης και ταξινομήθηκαν πριν τη βαθμονόμηση. Οι διακυμάνσεις του επιπέδου της γλυκόζης στο αίμα προκλήθηκαν από τις εγχύσεις ινσουλίνης και τις δόσεις υδατανθράκων. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν για βαθμονόμηση PLS και για εφαρμογή σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα βασισμένα στις ακτινωτές συναρτήσεις βάσης. Cpred [mg/dl] clinically relevant range Cref [mg/dl] Σχήμα 3.8 : Τιμές συγκέντρωσης γλυκόζης που προβλέπονται από το βέλτιστο πρότυπο βαθμολόγησης ενός ατόμου PLS βασισμένο στα φάσματα συντελεστή ανάκλασης του εσωτερικού χείλους συναρτήσει των συγκεντρώσεων αναφοράς που λαμβάνονται με τη χρησιμοποίηση μιας ενζυματικής δοκιμής Γενικά, τα αποτελέσματα από την προσέγγιση των δικτύων ήταν ανώτερα από εκείνα της PLS προσέγγισης (το μέσο τετραγωνικό σφάλμα πρόβλεψης για 14 πειράματα ήταν 1,9 mmol l [35 mg dl ] και 2.6 mmol l [46 mg dl ] αντίστοιχα). Τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν λήφθηκαν με βαθμονόμηση των φασμάτων ενός ατόμου που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια ενός OGTT χωριστά και στην εφαρμογή της διαγώνιου-επικύρωσης. Η φωτοακουστική τεχνική επιτρέπει τον καθορισμό της απορρόφησης ανεξάρτητα από τη μέση διασπορά και με χρησιμοποίηση της επιλυμένης χρονικής ανίχνευσης, τη λήψη των εξαρτώμενων πληροφορίες βάθους. Μια διαφορετική προσέγγιση χρησιμοποιεί έναν πιθανό συσχετισμό μεταξύ της υπερκυτταρικής συγκέντρωσης της γλυκόζης που αλλάζει τον φασματικό συντελεστή περίθλασης του ιστού. Πρόσφατες μελέτες σε ζώντες οργανισμούς έδειξαν ότι οι τάσεις στη συγκέντρωση γλυκόζης μπορούν ακολουθηθούν. Επιπλέον, έχει αναλυθεί μια εναλλακτική τεχνική, γνωστή ως "kromoscopy",όπως αυτή στο κοντινό υπερύθρο η οποία είναι ανάλογη της ανθρώπινης αντίληψης του χρώματος, αλλά δεν έχει παρουσιαστεί κανένα αποτέλεσμα για μη επεμβατικά πειράματα σε ζώντες οργανισμούς. Το σχέδιο της "kromoscopic" ανάλυσης μπορεί να λειτουργήσει για απλά συστήματα με μικρό αριθμό

52 τμημάτων, εντούτοις λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα των βιοσυστημάτων, όπως ο ιστός του δερμάτος, μια πιο διαμορφωμένη τεχνική είναι απαραίτητη για την εκπλήρωση των απαιτήσεων σε ακρίβεια και αξιοπιστία Συμπεράσματα Πρέπει να σημειωθεί ότι κανένας συσχετισμός με σημαντικούς ή μέσους παράγοντες εύρους δεν υπάρχει για τον προσδιορισμό των μεταβολιτών. Επιπλέον, το σήμα απορρόφησης όπως αυτό της γλυκόζης είναι πολύ ασθενές συγκρινόμενο με άλλες μεταβλητές των μετρήσεων σε ζωντανούς οργανισμούς. Η απόλυτη συγκέντρωση της γλυκόζης στο φασματοσκοπικά εξεταζόμενο ιστό είναι βεβαίως χαμηλότερη απ ό,τι στο τριχοειδές αγγείο. Η δυνατότητα της φασματομετρικής ενοργάνωσης πρέπει να κριθεί σε συνδυασμό με την εκτίμηση του επιτεύξιμου επιπέδου του θορύβου συναρτήσει των σημάτων της γλυκόζης που αναμένονται για τις μετρήσεις σε ζωντανούς οργανισμούς και σε σχέση με τους διαφορετικούς παράγοντες διακύμανσης στο φασματικό υπόβαθρο του ιστού, οι οποίοι πρέπει να είναι σταθεροί ή ικανοποιητικά διαμορφωμένοι. Μια επιλογή για να βελτιωθεί η πρόβλεψη της συγκέντρωσης είναι η χρήση των φασματικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων απορρόφησης του νερού για να υπολογιστεί το οπτικό μήκος της διαδρομής των φωτονίων στο μέσο διασποράς. Απαιτείται περαιτέρω κατανόηση της φασματοσκοπίας στο κοντινό υπερύθρο σε ζωντανούς οργανισμούς ακόμα και για να μάθει κανείς περισσότερα για την πολυπλοκότητα των βιοσυστημάτων. Αυτό σημαίνει ότι όχι μόνο η τυποποίηση της μέτρησης είναι ζωτικής σημασίας, αλλά μια ακόμα περιπλοκότερη μείωση των στοιχείων θα είναι απαραίτητη από τις μάλλον απλές προσεγγίσεις της βαθμονόμησης που έχουν επιλεχτεί μέχρι τώρα. Εξετάζοντας την αυξανόμενη πρόοδο για τα φασματόμετρα στο κοντινό υπέρυθρο και τους υπολογιστές που είναι σε θέση να χειριστούν περισσότερα στοιχεία με τους καθορισμένους αλγορίθμους, μία μη επεμβατική προσέγγιση για τον προσδιορισμό του μεταβολίτη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί είτε στο σπίτι του ασθενή είτε και στο νοσοκομείο, δεν θα είναι κάτι το ακατόρθωτο. 3.3 ΜΗ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΟ ΑΙΜΑ Γενικές αρχές Ένας οργανισμός παρουσιάζει διαβήτη όταν το σώμα χάσει την ικανότητα ρύθμισης της ποσότητας γλυκόζης στο αίμα. Η γλυκόζη παράγεται στο συκώτι από τη χώνευση των υδατανθράκων και μεταφέρεται στα μέρη του σώματος με τη ροή του αίματος. Η ινσουλίνη είναι ορμόνη που παράγεται στο πάγκρεας και ρυθμίζει την ποσότητα της γλυκόζης στο αίμα. Στους διαβητικούς η ικανότητα αυτή είναι ανεπαρκής. Το επίπεδο της γλυκόζης στο αίμα κυμαίνεται φυσιολογικά στα 100mg/dL. Η μη επεμβατική μέτρηση της γλυκόζης στο αίμα γλιτώνει τον ασθενή από τον πόνο, τον κίνδυνο μόλυνσης και είναι πιο οικονομική καθώς δεν χρησιμοποιούνται εργαλεία για την εξαγωγή αίματος. Αλληλεπίδραση της γλυκόζης με το φως Το μόριο της γλυκόζης είναι C6H12O6. O στερεοχημικός του τύπος φαίνεται στο σχήμα 3.9. Στη μοριακή δομή της γλυκόζης παρατηρούνται καταστάσεις κάμψης και έκτασης των δεσμών C-H, N-

53 H και O-H (4-10μm) και μη γραμμικοί συνδυασμοί καταστάσεων κάμψης και έκτασης ( μm). Έτσι η περιοχή μηκών κύματος από μm προσφέρει την αναλυτικότερη πληροφορία από όλα τα διαθέσιμα εκπεμπόμενα παράθυρα του νερού. Σχήμα 3.9 : Ο στερεοχημικός τύπος της γλυκόζης Μέτρηση της γλυκόζης με οπτικά μέσα Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές είναι οι παρακάτω: Φασματοσκοπία κοντινού υπερύθρου Φασματοσκοπία Raman Περιστροφή πολωμένου φωτός Περίθλαση φωτός Αντίσταση RF Φασματοσκοπία στο κοντινό υπέρυθρο Η μέθοδος αυτή συνοψίζεται στο παρακάτω διάγραμμα: Προσπίπτουσα ακτινοβολία κοντινού υπέρυθρου Επεξεργασία της γραφικής παράστασης απορρόφησης σε σχέση με το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας Σώμα Εκπμπεμπόμενη ακτινοβολία Εξαγωγή της συγκέντρωσης της γλυκόζης Σχήμα 3.10 : Φασματοσκοπία κοντινού υπερύθρου (μπλοκ διάγραμμα)

54 3.3.4 Φάσμα απορρόφησης της γλυκόζης Το φάσμα της γλυκόζης είναι μοναδικό. Το εύρος των κορυφών καθώς και τα μήκη κύματος στα οποία αυτές εμφανίζονται εξαρτόνται από το χημικό περιβάλλον που περιβάλλει τους δεσμούς. Γενικά ισχύει: Απορρόφηση = log10 Εκπομπή Μήκος και 1 AU η μονάδα της οπτικής πυκνότητας. Η απορρόφηση του νερού είναι μεγαλύτερη από 6 AU/mm στην μικροκυματική περιοχή. Σχήμα 3.11 : Φάσμα απορρόφησης γλυκόζης Παρά τη μοναδικότητα του φάσματος της γλυκόζης έχουμε υπέρθεση και των φασμάτων άλλων ουσιών. Όπως φαίνεται και από το σχήμα 3.12 απαιτούνται πληροφορίες από πολλά μήκη κύματος για να μπορέσουμε να ορίσουμε μοναδικά τη γλυκόζη. Σκοπός είναι η μείωση των κάθετων παλινδρομήσεων στο ελάχιστο έτσι ώστε να απομονωθεί η επιθυμητή πληροφορία που για τη γλυκόζη. Με τη βαθμονόμηση του φάσματος περιγράφεται η τυπική απόκλιση στο φάσμα που σχετίζεται άμεσα με τη συγκέντρωση της γλυκόζης. Σχήμα 3.12 : Φάσμα απορρόφησης άλλων συστατικών.

55 Το εσωτερικό προϊόν της βαθμονόμησης του φάσματος και το φάσμα του δείγματος δίνουν την συγκέντρωση της γλυκόζης. Το βαθμονομημένο φάσμα είναι ορθογώνιο για άλλες ουσίες εκτός της γλυκόζης. Η τεχνική αυτή είναι έγκυρη αλλά χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή για τη λήψη σωστών αποτελεσμάτων Μη επεμβατική μέτρηση Βασικά χαρακτηρίστηκα: Μήκος κύματος μm Μετρήσεις μέσω της γλώσσας Βαθμονόμηση σε μηνιαία βάση Σφάλμα πρόβλεψης 3.4 mm Απορρόφηση νερού στα 2.2μm ~ 1 AU/mm Απορρόφηση δέρματος στα 2.2μm ~ 2 AU/mm Βελτιώσεις στο λόγο σήματος προς θόρυβο και στην περιοχή του φάσματος μπορούν να επιτευχθούν. Πρέπει να ισχύει SNR = διότι πιθανή μεταβολή της απορρόφησης της τάξεως των 10μAU απαιτεί ανίχνευση της αλλαγής εκπομπής κατά 1 μέρος στα (20ppm). Η διαπερατότητα του φωτός από το δέρμα είναι μικρή, καθώς και η απορρόφηση της γλυκόζης στην περιοχή του υπεριώδους. Αντιθέτως η απορρόφηση του νερού είναι μεγάλη. Απαιτούμενα όργανα Τα όργανα που απαιτούνται για μη επεμβατική μέτρηση είναι: πηγή φωτός ευρείας ζώνης (tungsten lamp) : Τα LED s (Φωτοεκπμέμπουσες δίοδοι) χρειάζονται έναν παράγοντα 4 για να υπερτερούν σε σχέση με τις λάμπες βολφράμιου. φασματόμετρο FTIR : πρέπει να έχει υψηλή ανάλυση, σταθερό μήκος κύματος και υψηλή διαπερατότητα. ανιχνευτής απλού στοιχείου : πρέπει να έχει μία εκτεταμένη περιοχή μηκών κύματος με 2.6 μm cutoff, διάμετρο 1mm και 2 στάδια ψύξης TE (-400C) με Hz1 / 2 D* = cm W Δίοδοι laser : Είναι πηγές υψηλής ισχύος που μπορούν να βοηθήσουν να ξεπεραστεί η χαμηλή διαπερατότητα του δέρματος. 3.4 ΠΡΩΤΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Αρχικά στην επιφάνεια της οπτικής ίνας (22) τοποθετείται μια πηγή φωτός (14). Σαν πηγή φωτός, μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε παλλόμενη πηγή φωτός, όπως ένας φωτογραφικός λαμπτήρας. Για να αυξηθεί η φωτεινή ενέργεια, η προερχόμενη από την πηγή φωτός (14), επάνω στην επιφάνεια της φωτοδιόδου (22) εγκαθίσταται ένας ανακλαστήρας πίσω από την πηγή. Μια μονάδα ελέγχου (12) ανάβει το φως για μια μικρή χρονική περίοδο, ελέγχοντας τον τρόπο λειτουργίας και παρέχοντας την μέγιστη σταθεροποίηση του ακτινοβολούμενου παλμού. Η δεύτερη επιφάνεια της οπτικής ίνας (24), τοποθετείται επάνω στο χέρι του ασθενή. Το φωτεινό σήμα που ανακλάται από τα εσωτερικά στρώματα των ιστών διέρχεται μέσω τής δεύτερης επιφάνειας της οπτικής ίνας (24). Η δεύτερη επιφάνεια της οπτικής ίνας συνδέεται μέσω ενός κλάδου (26), οπτικά με ένα αρχικό σύστημα φίλτρων φωτός (30) το οποίο εν συνεχεία συνδέεται οπτικά με ένα φωτοανιχνευτή (32). Το πρώτο σύστημα φίλτρων (30) περιλαμβάνει ένα φίλτρο παρέμβασης που διαβιβάζει ένα στενό

56 εύρος ζώνης φωτός μέσα από μια σειρά μηκών κύματος που απορροφά η γλυκόζη. Το πρώτο σύστημα των φίλτρων (30) μπορεί να περιλαμβάνει είτε γερμάνιο (Ge), είτε πυρίτιο (Si), είτε άλλα παρόμοια οπτικά φίλτρα για να κόψει το ορατό μέρος του φάσματος. Το φως απορροφάται από τη γλυκόζη, αλλά δεν απορροφάται από τα άλλα συστατικά του αίματος, η απορρόφηση γίνεται στα διαστήματα 1550 nm έως 1700 nm και 2050 nm έως 2400 nm (σύμφωνα με το άρθρο: Heise, Η. Μ., "Non-Invasive Monitoring of Metabolites Using Near Infrared Spectroscopy: State of the Art," Hormone and Medical Research, 28: (1996)). Tο φίλτρο παρέμβασης εκπέμπει μήκη κύματος μεταξύ των 2080 nm και 2200 nm. Το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου φωτός πρέπει να είναι αρκετά στενό για να αποφευχθεί η παρέμβαση από τα άλλα συστατικά του αίματος, με αυτόν τον τρόπο βελτιώνεται ο λόγος S, ο οποίος βελτιώνει στη N συνέχεια την ακρίβεια και την επαναληπτικότητα. Το φίλτρο παρέμβασης εκπέμπει ένα εύρος ζώνης φωτός περίπου 20 nm ή λιγότερο. Το φως περνά μέσω του πρώτου συστήματος φίλτρων στον πρώτο φωτοανιχνευτή (32). Οποιαδήποτε φωτοδίοδος με φασματική ευαισθησία στη κλίμακα του εκπεμπόμενου φωτός, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φωτοανιχνευτής. Η φωτοδίοδος παρουσιάζει μέγιστη ευαισθησία σε μήκη κύματος ίδια με τα αντίστοιχα της ζώνης μετάδοσης του φίλτρου παρέμβασης. Μία φωτοδίοδος στερεάς κατάστασης αναπτύχθηκε στο loffe Physical-Technical Institute St. Petersburg Russia (type FD-24-05) και δύναται να χρησιμοποιηθεί. Σε αυτή, η φωτοευαίσθητη περιοχή έχει χρησιμοποιούμενη επιφάνεια περίπου 500 μm, οι χρόνοι ανόδου και καθόδου είναι κοντά στο 1 μsec, η φασματική κλίμακα είναι από 1800 έως 2300 nm, μέγιστη απόκριση προκύπτει στο διάστημα 1950 σε 2150 nm και η ηλεκτρική ευαισθησία του φωτορεύματος στα 2000 nm, είναι περίπου 1.1 A. W Η έξοδος του πρώτου φωτοανιχνευτή (32) συνδέεται με ένα ενισχυτή παλμού (34), ο οποίος ενισχύει τα ηλεκτρικά σήματα και παρουσιάζει τα παρακάτω χαρακτηρίστηκα: παράγοντα ενίσχυσης τάσης περισσότερο από υψηλή δυναμική περιοχή με γραμμική έξοδο μέχρι 3-4 Volt κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος μικρότερη από 3 mα σε όλα τα στάδια της ενίσχυσης εύρος ζώνης μέχρι μερικά ΜΗz επίπεδο θορύβου στην είσοδο του ενισχυτή μικρότερο από 0.1 μvolts O ενισχυτής μπορεί να κατασκευαστεί με έναν ρωσικό τελεστικό ενισχυτή του τύπου 1401UD2 στον οποίο υιοθετούνται τρία διαδοχικά στάδια ενίσχυσης με αρνητική ανατροφοδότηση. Η είσοδος του ενισχυτή προσαρμόζεται στη σύνθετη αντίσταση εξόδου του φωτοανιχνευτή. Το πρώτο στάδιο του ενισχυτή τοποθετείται κοντά στο φωτοανιχνευτή και κατά προτίμηση ο φωτοανιχνευτής να συνδυάζεται σε ένα τσιπ με έναν ενισχυτή, όπως για παράδειγμα το TSL260 της Texas Instruments. Σαν πηγή παροχής ηλεκτρικού ρεύματος για την πόλωση του ενισχυτή προτιμούνται μπαταρίες με χαμηλό επίπεδο εσωτερικού θορύβου. Για να προστατευθούν από την εξωτερική ηλεκτρομαγνητική και ηλεκτροστατική παρεμβολή, ενισχυτής και φωτοανιχνευτής μπορούν να τοποθετηθούν σε μια ατσάλινη κυλινδρική ηλεκτρομαγνητική ασπίδα. Το επίπεδο της τάσης εξόδου του μετρημένου σήματος είναι ίσο με 3-4 Volt και το επίπεδο θορύβου είναι περίπου 0.01 Volt, το οποίο οδηγεί σε ένα λόγο S :1. N Η πρώτη έξοδος του ενισχυτή συνδέεται σε ένα μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (36). Επειδή το μετρούμενο σήμα μπορεί να έχει μικρή διάρκεια (περίπου 20 μsec) και ανακριβή μορφή, άμεσης μετατροπή "τάση-κώδικα" μπορεί να προκαλέσει σημαντικά λάθη. Επομένως, το μετρούμενο σήμα μετατρέπεται σε ορθογώνιο παλμό μεγαλύτερης διάρκειας (μερικών msec) χρησιμοποιώντας την αρχή της προκαταρκτικής μετατροπής πλάτος-παλμού. Κατ' αυτό τον τρόπο, η διάρκεια του μετασχηματισμένου ορθογώνιου παλμού είναι ανάλογη προς την κοινή ενέργεια του σήματος εισόδου. Ένας δυαδικός μετρητής υπολογίζει την ποσότητα αυτών των σταθερών παλμών και παράγει, ως έξοδο στον μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό, έναν δυαδικό κώδικα που έχει μια τιμή ανάλογη της ενέργειας του μετρούμενου σήματος. Αυτός ο κωδικός, που δείχνει την ένταση του φωτεινού σήματος του καναλιού δοκιμής, μπορεί έπειτα να εισαχθεί σε έναν μικροεπεξεργαστή (50). Συνολικά, στο αρχικό σύστημα των φίλτρων φωτός (30), ο φωτοανιχνευτής (32), ο ενισχυτής (34)

57 και ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό (36) αποτελούν το κανάλι δοκιμής. Μέσω αυτού λαμβάνεται μέτρηση της έντασης του φωτός που ανακλάται στους ιστούς του ασθενή. Η επιφάνεια (22) του τμήματος των οπτικών ινών έχει επίσης έναν κλάδο επέκτασης του καναλιού αναφοράς (28). Αυτός ο συνδέει την επιφάνεια (29) οπτικά με ένα δεύτερο σύστημα φίλτρων φωτός (40), τα οποία στη συνέχεια συνδέονται οπτικά μ' ένα δεύτερο φωτοανιχνευτή (42). Η έξοδος του φωτοανιχνευτή συνδέεται μ' έναν δεύτερο ενισχυτή (44), ο οποίος στη συνέχεια συνδέεται σ' ένα δεύτερο μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό (46). Η έξοδος του ADC μπορεί έπειτα να εισαχθεί στο μικροεπεξεργαστή 50. Το δεύτερο σύστημα των φίλτρων φωτός (40), ο φωτοανιχνευτής (42), ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό (46) και ο ενισχυτής (44) είναι ίδια με τα αντίστοιχα στοιχεία του καναλιού δοκιμής και αποτελούν το κανάλι αναφοράς. Μέσω αυτού του καναλιού, λαμβάνουμε μέτρηση της έντασης του φωτός που εφαρμόζεται στο δέρμα και στους ιστούς του ασθενή, η οποία χρησιμεύει ως αναφορά για τη σύγκριση με το φως που ανακλάται από τον ασθενή. Μετά από την ενεργοποίηση της συσκευής μία ενδεικτική λυχνία μας δείχνει ότι είναι έτοιμη για να αρχίσουν οι μετρήσεις. Η εσωτερική πλευρά του καρπού του αριστερού ή του δεξιού βραχίονα του ασθενή τοποθετείται σταθερά έναντι της δεύτερης επιφάνειας του τμήματος των οπτικών ινών (24). Μετά το πάτημα του "START", ένας παλμός φωτός από την πηγή φωτός ( 14) περνά μέσω του τμήματος οπτικών ινών (20), χωρίς φιλτράρισμα και έξω από τη δεύτερη επιφάνεια (24) που φωτίζει μια περιοχή του ασθενή. Ο παλμός φωτός περνά μέσω του δέρματος, των ιστών και απορροφάται μερικώς από τη γλυκόζη στο αίμα και ανακλάται μερικώς από τους ιστούς και τις επιφάνειες των κοκάλων. Το ανακλώμενο φως επιστρέφει στην επιφάνεια (24) και καταχωρείται στο κανάλι δοκιμής. Στο κανάλι, η μέτρηση αποτελείται από ένα προρυθμισμένο μήκος κύματος του ανακλώμενου φωτός, 2120 nm (το μήκος κύματος στο οποίο η γλυκόζη απορροφά το περισσότερο φως). Με κατάλληλη επιλογή φίλτρων φωτός (30) και φωτοανιχνευτή (32) βελτιστοποιείται η ανίχνευση στο προρυθμισμένο μήκος κύματος. Το σήμα από έναν φωτοανιχνευτή ενισχύεται από τον ενισχυτή (34), μετατρέπεται σε έναν ψηφιακό κώδικα με τη βοήθεια ενός μετατροπέα αναλογικού-ψηφιακού (36), και εισάγεται στη μνήμη του μικροεπεξεργαστή (50). Ταυτόχρονα, ένα μέρος της φωτεινής ακτινοβολίας από τη πηγή φωτός περνά στο κανάλι αναφοράς, μετριέται και εισάγεται επίσης στη μνήμη του μικροεπεξεργαστή. Αυτά τα ψηφιακά δεδομένα του καναλιού αναφοράς χρησιμοποιούνται για την ομαλοποίηση των μετρήσεων του ανακλώμενου φωτός που λαμβάνεται από τη μέτρηση του καναλιού και με αυτόν τον τρόπο εξαλείφονται τα λάθη λόγω αστάθειας του φωτεινού σήματος. Αν και το ανακλώμενο φωτεινό σήμα είναι πάντα ανάλογο προς τη συγκέντρωση της γλυκόζης του ασθενή, η ένταση του σήματος για δεδομένη συγκέντρωση θα ποικίλει από ασθενή σε ασθενή λόγω των ξεχωριστών χαρακτηριστικών όπως: το λίπος του σώματος το πάχος του δέρματος τη θέση των αιμοσφαιρίων στο αίμα Συνεπώς, για τη μέτρηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης σε απόλυτες μονάδες (όπως miilimole/liter ή milligram/deciliter) τα παραπάνω χαρακτηριστικά πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Στους ασθενείς μπορεί να γίνει εξέταση με χρήση βιοχημικών μεθόδων και της φωτομετρικής μεθόδου έτσι ώστε οι μετρήσεις να μπορούν έπειτα να χρησιμοποιηθούν για βαθμονόμηση του μικροεπεξεργαστή, με σκοπό τη μετατροπή τους σε απόλυτες μονάδες. Ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να έχει έξοδο τη τιμή της συγκέντρωσης της γλυκόζης σε απόλυτες μονάδες, οι οποίες μπορούν να εμφανιστούν με το display του οργάνου (52). Η πηγή φωτός μπορεί να είναι μια δίοδος λέιζερ με εύρος ζώνης εκπομπής φωτός περίπου 20 nm ή λιγότερο, μέσα από μία σειρά μηκών κύματος μεταξύ 2080 nm και 2200 nm. Σε αυτή την περίπτωση, η ένταση του ανακλώμενου φωτός μπορεί να μετρηθεί απευθείας από τον πρώτο φωτοανιχνευτή και το φως της πηγής που περνά διαμέσου του καναλιού αναφοράς από το δεύτερο φωτοανιχνευτή, χωρίς να είναι απαραίτητο να περάσει το ανακλώμενο φως ή το φως του καναλιού αναφοράς μέσα από σύστημα φίλτρων. Η μέθοδος αυτή είναι παρόμοια με τη μέθοδο που χρησιμοποιεί ευρεία πηγή φωτός και φίλτρα φωτός όπως περιγράφεται ανωτέρω. Όλα τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα 3.16:

58 Σχήμα 3.13 : Συνοπτικό διάγραμμα της μεθόδου 3.5 ΔΕΥΤΕΡΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Γενικά όταν μια υπέρυθρη δέσμη φωτός (102) προσπίπτει διαγώνια στην άνω επιφάνεια κρυστάλλου ATR (104) και η γωνία πρόσπτωσης υπερβαίνει μια κρίσιμη γωνία Θc, η δέσμη (102) ανακλάται συνολικά μέσα στον κρύσταλλο (104). Κάθε ανάκλαση της δέσμης μέσα στον ATR και ειδικότερα στην άνω επιφάνεια (114), παρέχει περισσότερες πληροφορίες για τη σύνθεση του δείγματος (112). Όσο περισσότερες οι ανακλάσεις και όσο μεγαλύτερο το βάθος διείσδυσης, τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα των πληροφοριών. Η προσπίπτουσα δέσμη (102) γίνεται ανακλώμενη (106) καθώς βγαίνει από τον κρύσταλλο (104). Τα διαθλαστικά υλικά επιλέγονται για ελαχιστοποίηση της κρίσιμης γωνίας. Η κρίσιμη γωνία είναι συνάρτηση των δεικτών διάθλασης και του δείγματος του κρυστάλλου ATR και ορίζεται ως εξής: n Θ c = sin 1 2 n1 (3.1) όπου n1 ο δείκτης διάθλασης του κρυστάλλου ATR και όπου n2 ο δείκτης διάθλασης του δείγματος. Η εσωτερικά ανακλώμενη δέσμη (108) περιλαμβάνει ένα κύμα (110) που διαπερνά μια σύντομη απόσταση στο δείγμα (112) πέρα από μια ευρεία σειρά από μήκη κύματος. Στις περιοχές του IR φάσματος που το δείγμα απορροφά το IR, ένα μέρος του φωτός δεν επιστρέφει στον αισθητήρα. Αυτές οι περιοχές της παρέχουν τις πληροφορίες για τον προσδιορισμό της ποσότητας του

59 επιπέδου της γλυκόζης. Ο κρύσταλλος ATR (104), είναι τραπεζοειδής και διαθέτει μια άνω επιφάνεια (114) για την επαφή με το δείγμα, όπου δείγμα σε αυτήν την περίπτωση, είναι το δέρμα. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή του δείκτη διάθλασης n2 του ATR πιάτου (104) τόσο υψηλότερος είναι και ο αριθμός των εσωτερικών ανακλάσεων. Θεωρούμε ένα αριθμό για τις συνολικές ανακλάσεις εντός του κρυστάλλου μεταξύ 3 και 15 για να έχουμε επαρκή αποτελέσματα. Η συγκέντρωση της γλυκόζης που μετριέται με τη συγκεκριμένη μέθοδο συσχετίζεται πολύ με τη τιμή της συγκέντρωση της γλυκόζης που καθορίζεται από τον άμεσο προσδιορισμό (με λήψη αίματος). Είναι μερικές φορές απαραίτητο να καθαριστεί το δέρμα εξωτερικά πριν από τη λήψη για να αφαιρεθεί η ξένη γλυκόζη από την επιφάνεια του δέρματος. Για το σκοπό αυτό είναι σημαντικό να επιλεχτούν καθαριστικά υλικά τέτοια που να έχουν IR φάσματα που δεν παρεμποδίζουν τα αντίστοιχα IR φάσματα της γλυκόζης. Υπάρχουν τρία συστατικά που είναι κατάλληλα για την προετοιμασία του δέρματος πριν από τη μέτρηση : διαλύτη γλυκόζης, πχ νερό ή άλλος διαλύτη υψηλής πολικότητας διαλύτης για την αφαίρεση του νερού, πχ ισοπροπανόλη μαλακτικό δέρματος ή ανυψωτής ευκαμψίας χωρίς σημαντικές αιχμές στις IR περιοχές Το σχήμα 3.14 παρουσιάζει φάσματα IR απορροφητικότητας της d-γλυκόζης. Η οικογένεια των καμπυλών δείχνει ότι σε ορισμένες περιοχές του IR φάσματος, υπάρχει συσχετισμός μεταξύ της απορροφητικότητας και της συγκέντρωσης της γλυκόζης. Σχήμα 3.14 : Φάσματα IR απορροφητικότητας της d-γλυκόζης Yπάρχει και μια περιοχή στην οποία η απορροφητικότητα δεν εξαρτάται καθόλου από τη συγκέντρωση της γλυκόζης. Η μέθοδος, χρησιμοποιεί αυτές τις δύο περιοχές των φασμάτων IR. Αυτές οι περιοχές είναι οι αποκαλούμενες και ως μέση κλίμακα IR, μεταξύ 2.5 και 14 μm. Ειδικότερα, το σημείο "του μήκους κύματος αναφοράς" είναι ακριβώς πάνω από τα 8 μm (150) πχ στο διάστημα 8.25 έως 8.75 μm και οι έντονες αιχμές (152) στο διάστημα 9.50 έως μm και χρησιμοποιούνται ως το σημείο "του μήκους κύματος μέτρησης". Η οικογένεια των αιχμών (152) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της επιθυμητής συγκέντρωσης της γλυκόζης. Η χρήση των δύο αυτών IR περιοχών είναι απαραίτητη ώστε να μην ανιχνεύονται άλλα συστατικά όπως το νερό ή η χοληστερόλη που μπορούν να εισάγουν σημαντικό λάθος στη μέτρηση της γλυκόζης. Το σχήμα 3.15 δείχνει την οπτική σχηματική αναπαράσταση της μεθόδου. Ο κρύσταλλος ATR 104 φαίνεται μαζί με την πλευρά των δειγμάτων (114) και την πηγή IR (160). Η πηγή IR 160 μπορεί να είναι οποιαδήποτε μέσα από μια ποικιλία διαφορετικών πηγών. Μπορεί να είναι πηγή ευρείας

60 ζώνης, πηγή με θερμοκρασίες ακτινοβολίας από 300 C έως 800 C, ή ζεύγος από IR λέιζερ εκλεγμένα για τις δύο αναφερόμενες περιοχές μέτρησης. Σχήμα 3.15 : Σχηματική αναπαράσταση της μεθόδου Το φως περνά έπειτα στο πιάτο ATR (104) για να έρθει σε επαφή με το μέρος του σώματος (164), πχ με το δάχτυλο. Η ανακλώμενη δέσμη (106) βγαίνει από το πιάτο ATR (104) και διαχωρίζεται σε δυο δέσμες (166). Ο διαχωριστής δεσμών (166) απλά διαβιβάζει ένα μέρος του φωτός διαμέσου του διαχωριστή και ανακλά το υπόλοιπο. Στη συνέχεια οι δύο δέσμες μπορούν να περάσουν διαμέσου των φακών (168) και (170) αντίστοιχα. Έτσι οι εστιασμένες δέσμες περνούν σε ένα ζεύγος αισθητήρων που επιλέγονται για την ανίχνευση και τη μέτρηση του μεγέθους των δύο δεσμών στις επιλεγμένες περιοχές IR. Γενικά, οι αισθητήρες αποτελούνται από τα φίλτρα (172) και (174) με τους αισθητήρες φωτός (176) και (178) να βρίσκονται πίσω. Γενικά, το ένα φίλτρο (172) θα είναι στην περιοχή του μήκους κύματος αναφοράς και το άλλο (174) θα είναι στη περιοχή του μήκους κύματος μέτρησης. Το σχήμα 3.16 δείχνει τη μέθοδο 200 με το δάχτυλο του χρήστη (202) πάνω στο ATR (204). Το εξάρτημα (208) είναι εξάρτημα άσκησης πίεσης. Γενικά, μια διαφορά στην πίεση δεν μετατοπίζει τη θέση των ανιχνεύσιμων φασμάτων IR, αλλά μπορεί να έχει επιπτώσεις στην ευαισθησία της μεθόδου. Η κατάλληλη πίεση ποικίλει ανάλογα με το μέγεθος του ATR, οπότε μια σταθερή πίεση επάνω από την ελάχιστη τιμή του κατώτατου ορίου είναι επιθυμητή. Στο σχήμα 3.16 φαίνεται ένας απλός βραχίονας (208) που ασκεί πίεση στο άκρο του δάχτυλου (202). Άλλος τρόπος άσκησης πίεσης είναι η χρήση σφιγκτήρων. Ο αισθητήρας πίεσης (210) μπορεί εναλλακτικά να τοποθετηθεί κάτω από το ATR (204). Σχήμα 3.16 : Αναπαράσταση της μεθόδου με το δάκτυλο του χρήστη

61 3.5.1 Τρόπος χρήσης Η συσκευή που περιγράφεται παραπάνω χρησιμοποιείται με τον ακόλουθο τρόπο: μια επιφάνεια δέρματος, πχ το δέρμα ενός δάχτυλου τοποθετείται στον ATR. Η επιφάνεια ακτινοβολείτε με μια δέσμη IR που έχει τα συστατικά της στις δύο περιοχές IR που περιγράφονται ανωτέρω ως περιοχή "μήκους κύματος αναφοράς" και "μήκους κύματος μέτρησης". Η δέσμη που τελικά ανακλάται από τον ATR περιέχει τις ενδεικτικές πληροφορίες του επιπέδου της γλυκόζης στο αίμα του χρήστη. Όπως αναφέρεται ανωτέρω, είναι επιθυμητό να διατηρείται κάτω από μια σχετικά σταθερή πίεση η προς μέτρηση επιφάνεια του δέρματος. Η δέσμη που φεύγει από το ATR διαχωρίζεται σε τουλάχιστον δύο δέσμες με τη χρήση ενός οπτικού διαχωριστή δεσμών. Κάθε μια από τις δύο δέσμες μπορεί να εστιασθεί επάνω στον δικό της IR αισθητήρα. Κάθε τέτοιος αισθητήρας έχει ένα συγκεκριμένο φίλτρο. Αυτό σημαίνει ότι ένας IR αισθητήρας μπορεί να διαθέτει φίλτρο που να αποκόπτει όλο το φως έξω από την περιοχή του μήκους κύματος αναφοράς και ο άλλος IR αισθητήρας διαθέτει φίλτρο που αποκόπτει όλα τα μήκη κύματος εκτός από αυτά που βρίσκονται στην περιοχή του μήκους κύματος μέτρησης. Όπως αναφέρεται ανωτέρω, για τη γλυκόζη το μήκος κύματος αναφοράς κυμαίνεται από 8.25 έως 8.75 μm ενώ το μήκος κύματος μέτρησης από 9.5 και 10.0 μm. Τα αντίστοιχα σήματα μπορούν να συγκριθούν χρησιμοποιώντας συσκευές αναλογικών ή ψηφιακών υπολογιστών. Τα σήματα χρησιμοποιούνται έπειτα για να υπολογίσουν τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα με χρήση διάφορων ρυθμισμένων τιμών που είναι αποθηκευμένες όπως αναφέρεται παρακάτω. Όπως προαναφέρθηκε, είναι επιθυμητό να καθαριστούν πριν τη χρήση ο ATR και η εξωτερική επιφάνεια του δέρματος. Έχει βρεθεί ότι, το πρωί το εξωτερικό δέρμα περιέχει υψηλή ποσότητα γλυκόζης, που αφαιρείται εύκολα με το πλύσιμο των χεριών. Οι αναπαραγόμενες και ακριβείς μετρήσεις της γλυκόζης μπορούν να γίνουν σε μια χρονική περίοδο σχετικά μικρή (10 min περίπου) μετά από τον καθαρισμό της προς μέτρηση περιοχής του δέρματος. Ο προσδιορισμός του επιπέδου της γλυκόζης στο αίμα από τις πληροφορίες που παρέχονται στα φάσματα IR είναι απλός. Μια γραμμή βάσης καθορίζεται αρχικά με τη μέτρηση του επιπέδου της υπέρυθρης απορροφητικότητας και τα μήκη κύματος αναφοράς χωρίς να υπάρχει δείγμα στο ATR. Το δέρμα τοποθετείται έπειτα σε επαφή με το ATR και οι δύο διευκρινισμένες τιμές απορροφητικότητας μετριούνται πάλι. Χρησιμοποιώντας αυτές τις τέσσερις τιμές, ο ακόλουθος υπολογισμός γίνεται ως εξής: T A 1 = ln 01 = A g1 + A b1 T1 (3.2) (Απορροφητικότητα στη φασματική ζώνη αναφοράς) T A 2 = ln 02 = A g2 + A b2 T2 (Απορροφητικότητα στη φασματική ζώνη μέτρησης) όπου: Τ01 Τ02 Τ1 Τ2 Αg1 Ag2 Ab1 Ab2 d a2 μετρημένη τιμή στη φασματική ζώνη αναφοράς w/o δείγμα μετρημένη τιμή στη φασματική ζώνη μέτρησης w/o δείγμα μετρημένη τιμή στη φασματική ζώνη αναφοράς w/ δείγμα μετρημένη τιμή στη φασματική ζώνη μέτρησης w/ δείγμα απορροφητικότητα της γλυκόζης στη φασματική ζώνη αναφοράς απορροφητικότητα της γλυκόζης στη φασματική ζώνη μέτρησης απορροφητικότητα του υποβάθρου στη φασματική ζώνη αναφοράς απορροφητικότητα του υποβάθρου στη φασματική ζώνη μέτρησης αποτελεσματικό μήκος διαδρομής διαμέσου του δείγματος συγκεκριμένη απορροφητικότητα στη φασματική ζώνη μέτρησης (3.3)

62 K σταθερή ρύθμιση για τη συσκευή Cg μετρούμενη συγκέντρωση της γλυκόζης Από τη βάση του υπόβαθρου οι τιμές είναι περίπου ίσες (πχ Α b1 = Ab2) και Αg1 = 0. Τότε: A 2 A 1 = A g2 = a 2 d C g = K C g (3.4) και η τιμή της Cg αποτελεί το επιθυμητό αποτέλεσμα για αυτήν την διεργασία. Με χρήση ενός IR φασματόμετρου (Nicolet 510) που έχει ATR πιάτο με κρύσταλλο ZnSe (55mm μήκος, 10mm πλάτος και 4mm πάχος) βαθμονομήθηκε η έξοδος του φασματόμετρου συγκρίνοντας το σήμα IR με τις τιμές που μετρήθηκαν από τα δείγματα αίματος του χρήστη. Ο χρήστης χρησιμοποίησε ένα στυλό για να τρυπήσει το δάκτυλο γνωστό και ως "Whisper Soft" και ταινίες εναπόθεσης για το αίμα. Σε κάθε μια από τις ημέρες δοκιμής, ο χρήστης έπαιρνε δείγματα αίματος και μετρούσε την τιμή της γλυκόζης στο αίμα και εν συνεχεία η δοκιμή γινόταν στην μη επεμβατική συσκευή στον ίδιο κατά προσέγγιση χρόνο. Όπως φαίνεται και στην καμπύλη βαθμονόμησης του σχήματος 3.17, τα στοιχεία είναι περίπου ίδια. Έτσι, όταν πχ η συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα είναι B (mg/dl) και η διαφορά μεταξύ της απορρόφησης στην περιοχή αναφοράς και στη περιοχής μέτρησης όπως μετριέται από το φασματόμετρο είναι S, η συγκέντρωση της γλυκόζης θα ισούται με: B = 1950 S 17 (3.5) Η καμπύλη 1 στο σχήμα 3.18 παρουσιάζει το φάσμα απορροφητικότητας IR του δάχτυλου του ασθενούς, πριν το φαγητό (νηστεία όλο το βράδυ) και η καμπύλη 2 παρουσιάζει το φάσμα απορροφητικότητας IR του ίδιου ατόμου μετά το φαγητό. Η γλυκόζη εμφανίστηκε αμέσως μετά από τη μέτρηση στη δεύτερη περίπτωση. Η σημαντική διαφορά στα δύο μέγιστα ύψη στα 9.75 μm και η ισότητα των δύο τιμών της απορροφητικότητας IR στα 8.50 μm, δείχνει την αποτελεσματικότητα της μεθόδου στη μέτρηση του επιπέδου της γλυκόζης. Σχήμα 3.17 : Καμπύλη βαθμονόμησης

63 Σχήμα 3.18 : Το φάσμα IR απορροφητικότητας του δάχτυλου του ασθενούς, πριν το φαγητό (νηστεία όλο το βράδυ) και το φάσμα IR απορροφητικότητας του ίδιου ατόμου μετά το φαγητό 3.6 ΤΡΙΤΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Η παρακάτω μέθοδος αφορά τη μέτρηση των διαλυτών ουσιών του αίματος χρησιμοποιώντας φασματογραφικές τεχνικές. Η μέθοδος αφορά τεχνικές για τις φασματικές μετρήσεις του υδατοειδούς υγρού του ματιού που παρέχει πληροφορίες για τη συγκέντρωση της γλυκόζης. Η μέθοδος παρέχει ένα όργανο που διαθέτει υπέρυθρη πηγή φωτός, μέσο για να κατευθύνει το φως από την πηγή στο μάτι, μέσο για την εστίαση του φωτός σαν παράλληλη δέσμη προσπιπτουσών ακτίνων στο μάτι σε ελεγχόμενη θέση και υπό ελεγχόμενη γωνία πρόσπτωσης, μέσο για τη συγκέντρωση του φωτός που αφήνει το μάτι, μέσο για την ανίχνευση της έντασης του συλλεγόμενου φωτός και μέσο για την επεξεργασία και την εμφάνιση των αποτελεσμάτων. Από την πηγή φωτός επιλέγονται δύο μήκη κύματος, ένα που απορροφάται από τη γλυκόζη και ένα κοντινό που δεν απορροφάται από τη γλυκόζη. Αυτά τα δύο μήκη κύματος διαβιβάζονται και εστιάζονται στο μάτι κατά τέτοιο τρόπο ώστε να διαπερνούν τον κερατοειδή χιτώνα και το υδατοειδές υγρό. Το φως από αυτά τα δύο μήκη κύματος μετριέται και υπολογίζεται χωριστά και η αναλογία των σημάτων χρησιμοποιείται για την μέτρηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης. Το σχήμα 3.19 παρουσιάζει ένα διαγώνιο τμήμα του ανθρώπινου ματιού συμπεριλαμβανομένου του φακού, της ίριδας και του κερατοειδούς χιτώνα.

64 Σχήμα 3.19 : Το σχέδιο ενός διαγώνιου τμήματος του ανθρώπινου ματιού συμπεριλαμβανομένου του φακού, της ίριδας και του κερατοειδούς χιτώνα Η διακεκομμένη γραμμή παρουσιάζει την προτεινόμενη πορεία των οπτικών ακτίνων που περνούν μέσω του κερατοειδούς χιτώνα και του υδατοειδούς υγρού. Το σχήμα 3.20 παρουσιάζει μια σχηματική εικόνα όλων των στοιχείων του συστήματος και της σχέσης τους στο μάτι. Σχήμα 3.20 : Σχηματική εικόνα όλων των στοιχείων του συστήματος και της σχέσης τους στο μάτι Το σχήμα 3.21 είναι το διάγραμμα ενός ζευγαριού συζευγμένων ινών GRIN φακών που παράγουν μια παράλληλη ακτίνα. Το σχήμα 3.22 παρουσιάζει τις σχετικές θέσεις των οπτικών συσκευών για τη μέτρηση του υδατοειδούς υγρού στο μάτι.

65 Σχήμα 3.21 : Το διάγραμμα ενός ζευγαριού συζευγμένων ινών GRIN φακών Σχήμα 3.22 : Οι σχετικές θέσεις των οπτικών συσκευών για τη μέτρηση του υδατοειδούς υγρού στο μάτι Λεπτομερής περιγραφή Τα επίπεδα της γλυκόζης στο αίμα μπορούν να προκύψουν από τη μέτρηση του επιπέδου της γλυκόζης στο υδατοειδές υγρό φασματοσκοπικά, χρησιμοποιώντας το φως που διαβιβάζεται άμεσα μέσω του υδατοειδούς υγρού του βολβού του ματιού. Οι ερευνητές απροσδόκητα ανακάλυψαν ότι η απευθείας μετάδοση του φωτός μέσω του υδατοειδούς υγρού του βολβού του ματιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κοντινές υπέρυθρες μετρήσεις χωρίς να πρέπει να στηριχθεί στο συντελεστή ανάκλασης από τη δομή μέσα στο μάτι. Η καλύτερη φασματική κλίμακα μήκους κύματος για την πραγματοποίηση αυτών των φασματοσκοπικών μετρήσεων στο υδατοειδές υγρό βρίσκεται μεταξύ των 800 και 2500 nm, επειδή σ' αυτό το διάστημα συνδυάζεται η σχετική διαφάνεια του κερατοειδούς χιτώνα και του υδατοειδούς υγρού με την απορρόφηση της γλυκόζης. Η κατά προσέγγιση απόσταση από το μέτωπο του φακού στο μέτωπο του κερατοειδούς χιτώνα κυμαίνεται μεταξύ 2 και 25 mm και η προτεινόμενη είναι 5 mm, έτσι υπάρχει μια σαφής πορεία της ακτίνας για να περάσει μέσω του υδατοειδούς υγρού. Η μέτρηση αρχίζει με την βαθμίδα παραγωγής του φωτός. Αυτή είναι μια πηγή φωτός ευρείας ζώνης, όπως ένας λαμπτήρας πυράκτωσης με κατάλληλα φίλτρα και φακούς για επιλογή δύο

66 μηκών κύματος και εστίαση στην οπτική ίνα. Για την εξάλειψη απωλειών στην οπτική πορεία χρησιμοποιούνται δύο μήκη κύματος, ένα που απορροφάται από την γλυκόζη και ένα άλλο που δεν απορροφάται. Σε άλλη υλοποίηση, η πηγή φωτός μπορεί να είναι πηγή φωτός ευρείας ζώνης πρισμάτων ή φασματόμετρο με σχάρα διάθλασης με μεταβλητή μετάδοση μεταξύ των επιθυμητών μηκών κύματος. Σε μια τρίτη υλοποίηση, η πηγή φωτός μπορεί να είναι μια πηγή συντονισμένης στενής ζώνης, όπως μια δίοδος λέιζερ, η οποία μπορεί να συντονιστεί μεταξύ των δύο επιθυμητών μηκών κύματος. Σε μια τέταρτη υλοποίηση, η πηγή φωτός μπορεί να είναι πηγή ευρείας ζώνης χωρίς καμία επιλογή μήκους κύματος. Η λειτουργία επιλογής του μήκους κύματος μπορεί να πραγματοποιηθεί αποκλειστικά από το σύστημα ανίχνευσης όπου αναλύεται στις επόμενες παραγράφους. Αυτή η προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα της απλότητας αλλά και το μειονέκτημα της έκθεσης του ματιού σε ακτινοβολία μεγάλης έντασης. Η οπτική ίνα χρησιμοποιείται για να κατευθύνει το φως από την μονάδα παραγωγής του στη μονάδα των φακών που το εστιάζουν επάνω στον κερατοειδή χιτώνα του ματιού. Με αυτόν τον τρόπο η μονάδα παραγωγής φωτός βρίσκεται μακριά από το σύστημα των φακών. Ένας ειδικός σε αυτόν τον τομέα θα συνειδητοποιήσει ότι θα ήταν δυνατό να ενσωματωθεί μαζί η μονάδα παραγωγής φωτός και ο φακός εστίασης για να αφαιρεθεί η οπτική ίνα που έχει και μεγάλο κόστος. Ο καθρέφτης στροφής της δέσμης τοποθετείται κοντά στο μάτι, στη ράχη της μύτης, για να κατευθύνει ξανά την οπτική δέσμη που αναδύεται από το μάτι. Αυτό προτιμάται δεδομένου ότι το διάστημα μεταξύ του ματιού και της μύτης είναι περιορισμένο και δεν επιτρέπει την ασφαλή τοποθέτηση φακών ή οπτικών ανιχνευτών. Η δέσμη φωτός που αφήνει τον καθρέφτη στροφής συλλέγεται από έναν δεύτερο φακό GRIN και συνδέεται σε μια οπτική ίνα. Το φωτεινό σήμα κατευθύνεται με μια οπτική ίνα από το δεύτερο φακό GRIN σε μια βαθμίδα μέτρησης. Η ακτίνα φωτός είναι χωρισμένη σε δύο μήκη κύματος μέσω των κατάλληλων οπτικών φίλτρων και των φακών, οι εντάσεις των οποίων μετριούνται από δύο ξεχωριστούς οπτικούς ανιχνευτές. Σε μια άλλη υλοποίηση, οι ακτίνες φωτός εναλλάσσονται από τον ίδιο ανιχνευτή με τη χρησιμοποίηση ενός περιστρεφόμενου καθρέφτη ή ενός πρίσματος. Αυτή η εναλλακτική προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα της εξάλειψης οποιασδήποτε διαφοράς στην ευαισθησία μεταξύ των δύο ανιχνευτών. Το οπτικό σύστημα μέτρησης μετατρέπει τα δύο οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά. Η βαθμίδα ανάλυσης και απεικόνισης επεξεργάζεται τα ηλεκτρικά σήματα και εμφανίζει το αποτέλεσμα σαν αριθμό που αντιπροσωπεύει την μετρούμενη συγκέντρωση της γλυκόζης. Η αριθμητική τιμή του μήκους κύματος της γλυκόζης που έχει απορροφηθεί, διαιρείται με την αριθμητική τιμή του μήκους κύματος που δεν έχει απορροφηθεί και κατόπιν πολλαπλασιάζεται με έναν παράγοντα βαθμονόμησης (calibration factor) πριν από την εμφάνισή της στα displays. Το υδατοειδές υγρό διαμορφώνεται από τα κύτταρα του βλεφαρικού επιθηλίου πίσω από την ίριδα. Λόγω της σύνθεσης του υγρού μπορεί να αναχθεί το συμπέρασμα ότι δεν διαμορφώνεται απλά με μια διαδικασία διήθησης αλλά είναι μια έκκριση δεδομένου ότι πρέπει να εφαρμοσθεί οσμωτική πίεση για να βγεί το υδατοειδές υγρό από το αίμα. Τα μικρά μόρια, όπως τα μόρια γλυκόζης μπορούν να εισαχθούν στο υγρό με διάχυση. Υπάρχουν στοιχεία που δείχνουν ότι τα υψηλά επίπεδα της γλυκόζης στο αίμα οδηγούν στη συνέχεια σε υψηλά επίπεδα της γλυκόζης στο υδατοειδές υγρό. Το υδατοειδές υγρό περνά πέρα από τους φακούς και διαμέσου της ίριδας στην εμπρόσθια κοιλότητα πίσω από τον κερατοειδή χιτώνα και τελικά στους αγωγούς μέσω του καναλιού Schlemm. Είναι δύσκολο να μετρηθεί το ποσοστό σχηματισμού του υδατοειδούς υγρού χωρίς την ανατροπή της ισορροπίας της πίεσης μέσα στο μάτι. Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές, όπως η διοχέτευση ουσιών μέσα και έξω από το μάτι, η χρήση ραδιενεργών ανιχνευτών. Μια λογική εκτίμηση του ποσοστού σχηματισμού του υδατοειδούς υγρού είναι περίπου 1.5% ανά λεπτό, το οποίο σημαίνει ότι το υδατοειδές υγρό αντικαθίσταται περίπου μια φορά ανά ώρα. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, είναι δυνατό να ελεγχθεί το επίπεδο της γλυκόζης στο υδατοειδές υγρό και να έχουμε μια ιδιαίτερα ικανοποιητική μέτρηση του επιπέδου της γλυκόζης στο αίμα. Ο προσδιορισμός της θέσης της συσκευής για τη μετάδοση του φωτός μέσω του υδατοειδούς υγρού πραγματοποιείται, σε δύο βήματα. Το πρώτο είναι να τοποθετηθεί το μάτι κατάλληλα σε σχέση με το κεφάλι και την υποδοχή του ματιού. Το δεύτερο είναι να τοποθετηθεί η πηγή φωτός, οι φακοί και ο ανιχνευτής μέτρησης στην κατάλληλη θέση σχετικά με το μάτι. Σε μία προτεινόμενη υλοποίηση η πηγή φωτός και ο ανιχνευτής συνδέονται με τους φακούς, χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες έτσι ώστε μόνο οι φακοί να πρέπει να τοποθετηθούν κοντά στο μάτι ενώ η πηγή φωτός και ο ανιχνευτής να παραμένουν στάσιμοι. Η ευκαμψία της οπτικής ίνας επιτρέπει στο φως να καθοδηγηθεί από τους φακούς με πολύ χαμηλή απώλεια. Τα σήματα από τους ανιχνευτές στέλνονται σε έναν υπολογιστή, ο οποίος τα μεταβιβάζει σε ένα σερβομηχανισμό που ρυθμίζει

67 μηχανικά τη θέση των φακών. Σε μια προτεινόμενη υλοποίηση, ο σερβομηχανισμός είναι ένας πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας που τοποθετείται μαζί με το φακό, στο κάλυμμα που περιλαμβάνει την πηγή φωτός και τους ανιχνευτές. Οι οπτικές ιδιότητες του κερατοειδή χιτώνα διαφέρουν ανάλογα με την ηλικία και την ιατρική κατάσταση. Αυτά τα αποτελέσματα αντισταθμίζονται ανεξάρτητα από τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο υδατοειδές υγρό, με τη μέτρηση των οπτικών ιδιοτήτων μετάδοσης και ανάκλασης του κερατοειδούς χιτώνα στα μήκη κύματος που δεν επηρεάζονται από την απορρόφηση της γλυκόζης. Σε μια υλοποίηση, τα μήκη κύματος από την πηγή φωτός, ανιχνεύονται στις ορατές και στις υπέρυθρες ακτίνες και τα δεδομένα χρησιμοποιούνται για να υπολογίσουν την μετάδοση του κερατοειδούς χιτώνα. Η μετάδοση του κερατοειδούς χιτώνα χρησιμοποιείται για να διορθώσει την επίδρασή του, στη μέτρηση της γλυκόζης. Η μέτρηση της μετάδοσης σε διαφορετικά μήκη κύματος είναι μια γνωστή μέθοδος για τον προσδιορισμό των διαφορετικών ιδιοτήτων ενός υλικού, η χρήση τέτοιων μεθόδων προτιμάται για την διόρθωση των μεταβολών στον κερατοειδή χιτώνα. Μια προτεινόμενη τεχνική είναι η χρήση της ανάλυσης των ελαχίστων τετραγώνων. Η βαθμονόμηση του οργάνου πραγματοποιείται με τη μέτρηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης στο αίμα κατά τη διάρκεια ενός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος (πχ 30 μετρήσεις κατά τη διάρκεια ενός μήνα) με μια μέθοδο αναφοράς στο ίδιο χρονικό διάστημα. Τα δύο σύνολα τιμών συγκρίνονται για να βαθμονομήσουν το όργανο Οπτικά χαρακτηριστικά του υδατοειδούς υγρού και του κερατοειδούς χιτώνα Τα οπτικά στοιχεία του ματιού, συμπεριλαμβανομένου του κερατοειδούς χιτώνα, του φακού και του υγρού, έχουν αξιοπρόσεκτη οπτική διαφάνεια ειδικά στο ορατό φάσμα, όπου από 400 έως 700 nm, το μάτι έχει μια ομαλή μετάδοση χωρίς τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της απορρόφησης. Πέρα από τα ορατά μήκη κύματος, στην υπεριώδη και στην υπέρυθρη περιοχή υπάρχουν ισχυρά χαρακτηριστικά γνωρίσματα της απορρόφησης αλλά σε περιοχές που είναι κοντά στο υπέρυθρο, υπάρχουν περιοχές ισχυρής μετάδοσης. Το υδατοειδές υγρό έχει υψηλή μετάδοση στις περιοχές από 700 έως 1300 nm, από 1600 έως 1800 nm και από 2100 έως 2350 nm. Αυτές οι περιοχές πρέπει να διατίθενται για φασματοσκοπική ανάλυση Οπτική πορεία Το σχήμα 3.19 παρουσιάζει την διαγώνια άποψη ενός τμήματος του ματιού συμπεριλαμβανομένου του κερατοειδούς χιτώνα και του υδατοειδούς υγρού. Το ίδιο το μάτι είναι κατά προσέγγιση στη μορφή σφαιρικό με μια διάμετρο περίπου 25 mm. Ο κερατοειδής χιτώνας είναι ένα δεύτερο σφαιρικό τμήμα στο μέτωπο του ματιού με διάμετρο περίπου 17 mm. Για να γίνει ικανοποιητική μέτρηση, μια ακτίνα φωτός προβάλλεται μέσω του υδατοειδούς υγρού παράλληλα στην εμπρόσθια όψη του φακού, όπου ανιχνεύεται η μεταδιδόμενη δέσμη. Η πορεία είναι κατά προτίμηση παράλληλη στη γραμμή που καθορίζεται από την κορυφογραμμή των φρυδιών. Οι διακεκομμένες γραμμές στο σχήμα δείχνουν την οπτική πορεία που απαιτείται. Το μάτι έχει διαμορφωθεί με ένα οπτικό σχέδιο για να φέρει όλο το φως που χτυπά στον κερατοειδή χιτώνα από την εμπρόσθια κατεύθυνση. Στην ιδανική περίπτωση το φως στέλνεται μέσω του κερατοειδούς χιτώνα και του υδατοειδούς υγρού χωρίς χτύπημα του φακού. Η οπτική πορεία που παρουσιάζεται κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας το νόμο Snell: n 1 Sin( θ1 ) = n 2 sin( θ2 ) (3.6) όπου n1 και n2 είναι δείκτες διάθλασης των δύο μέσων που συνθέτουν μια διαθλαστική επιφάνεια,

68 και όπου θ1 και θ2 οι γωνίες που μετριούνται από την κανονική στη διαθλαστική επιφάνεια. Για τους δείκτες διάθλασης χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές 1.35 για το υδατοειδές υγρό και 1.44 για τον κερατοειδή χιτώνα. Υπάρχει σχετικά μικρή διαθλαστική δύναμη στην διεπαφή μεταξύ του υδατοειδούς υγρού και του κερατοειδούς χιτώνα δεδομένου ότι οι δείκτες διάθλασης είναι σχεδόν οι ίδιοι. Το μεγαλύτερο μέρος της διάθλασης εμφανίζεται στην διεπαφή αέρας-κερατοειδής χιτώνας. Όπως δείχνει το σχέδιο, το φως πρέπει αρχικά να χτυπήσει τον κερατοειδή χιτώνα σε μια γωνία περίπου 70ο προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή πορεία μέσω του ματιού και να μην κινδυνέψει ο αμφιβληστροειδής Οπτικό σύστημα Το οπτικό σύστημα χρησιμοποιεί μία τυποποιημένη μονοχρωματική πηγή φωτός για να παραγάγει τα επιλεγμένα μήκη κύματος. Η έξοδος της μονοχρωματικής πηγής συνδέεται μέσω οπτικών ινών με μικροσκοπικούς φακούς εξόδου για την παραγωγή παράλληλων ακτίνων, που προβάλλονται μέσω είτε των τυποποιημένων κυττάρων είτε του ματιού για την βαθμονόμηση. Η μονοχρωματική πηγή που χρησιμοποιείται για τα πειράματα έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Διαμόρφωση: Off Axis Ebert-Fastie Κλίμακα: 1.2 έως 4 μικρά Σχάρα διάθλασης (Grating): 300 γραμμές/mm Διασπορά: 25.6 nm/mm Εστιακό μήκος: 125 mm Άνοιγμα: F/3.7 Η χρήση της οπτικής ζεύξης ινών είναι τεχνικά σημαντική σε αυτά τα πειράματα δεδομένου ότι επιτρέπει τη γρήγορη και απλή ρύθμιση της οπτικής πορείας, για προσαρμογή διαφόρων πειραματικών καταστάσεων. Οι φακοί που έχουν χρησιμοποιηθεί, είναι βαθμονομημένοι (φακοί GRIN) που έχουν αναπτυχθεί συγκεκριμένα, ώστε να συνδέσουν το φως μέσα και έξω από τις οπτικές ίνες. Το σχήμα 3.21 παρουσιάζει το σχηματικό διάγραμμα ενός φακού GRIN που συνδέεται με μια οπτική ίνα. Για να εστιάσει το φως και να διαμορφώσει μια εικόνα, ένας φακός πρέπει να έχει μακρύτερη οπτική πορεία στο κέντρο και πιο σύντομες οπτικές πορείες όταν η ακτίνα φωτός κινείται ακτινωτά εξωτερικά.

69 Κεφάλαιο 4 ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ MSP430x1xx 4.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την οικογένεια μικροεπεξεργαστών MSP430x1xx της Texas Instruments. Η σειρά MSP430 είναι μια οικογένεια μικροεπεξεργαστών πολύ χαμηλής ισχύος. Συμπληρώνοντας μια βελτιστοποιημένη CPU με αρθρωτά memory-mapped αναλογικά και ψηφιακά περιφερειακά, ο MSP430 προσφέρει λύσεις σε ευρύ σύνολο εφαρμογών επεξεργασίας σημάτων. O MSP430 υλοποιεί την αρχιτεκτονική von Neumann και έτσι η μνήμη και τα περιφερειακά χρησιμοποιούν τον ίδιο διάδρομο διευθύνσεων. Ο ψηφιακά ελεγχόμενος ταλαντωτής παρέχει αφύπνιση από τη λειτουργία χαμηλής ισχύος στην ενεργό σε λιγότερο από 6 μs. Η σειρά MSP430x16x περιλαμβάνει δύο ενσωματωμένους 16-bit χρονιστές, ένα γρήγορο 12-bit αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα, διπλό 12-bit ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα, δύο καθολικές σειριακές διεπαφές (USART): I2C, DMA και 48 ακίδες εισόδου/εξόδου. 4.2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Βασικά χαρακτηριστικά Τα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα της σειράς MSP430x1xx παρουσιάζονται παρακάτω: Χαμηλή διακύμανση της παροχής τάσης, 1.8 V V Πολύ χαμηλή κατανάλωση ισχύος: - ενεργός λειτoυργία: 280 μa για 1 MHz, 2.2 V - κατάσταση αναμονής: 1.6 μa - διατήρηση της RAM off: 0.1 μa Πέντε καταστάσεις εξοικονόμησης ισχύος Αφύπνιση από κατάσταση αναμονής σε 6 μs 16-bit RISC αρχιτεκτονική, κύκλος μηχανής διάρκειας 125 ns Τρικάναλη εσωτερική απευθείας προσπέλαση της μνήμης 12-bit αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέα με εσωτερική αναφορά και δυνατότητα δειγματοληψίας-συγκράτησης και αυτόματης σάρωσης Διπλός 12-bit ψηφιακός σε αναλογικό μετατροπέα με συγχρονισμό 16-bit χρονιστής με επτά καταχωρητές σύλληψης / σύγκρισης, Timer_B 16-bit χρονιστής με τρεις καταχωρητές σύλληψης / σύγκρισης, Timer_A Ενσωματωμένος στο chip συγκριτής Σειριακός επί της πλακέτας προγραμματισμός

70 Προγραμματιζόμενη προστασία του κώδικα με θρυαλλίδα ασφαλείας Φορτωτής εκκίνησης συστήματος Διεπαφή σειριακής επικοινωνίας (USART1), λειτουργεί σαν ασύγχρονη UART ή σύγχρονη διεπαφή Διεπαφή σειριακής επικοινωνίας (USART0), λειτουργεί σαν ασύγχρονη UART ή σύγχρονη SPI ή I2C διεπαφή Ανιχνευτής διακοπών ρεύματος Επόπτης παροχής τάσης με προγραμματιζόμενη ανίχνευση επιπέδων Ο MSP430F169 συμπεριλαμβάνει: 60KB + 256B Flash Memory, 2KB RAM Διατίθεται σε 64-pin τετράγωνο επίπεδο πακέτο (QFP) Παρακάτω εικονίζονται το λειτουργικό block diagram (σχήμα 4.1), η κάτοψη (σχήμα 4.2) και οι λειτουργίες των τερματικών(πίνακας 4.1) του MSP430F169. σχήμα 4.1 : block diagram της σειράς MSP430x16x

71 σχήμα 4.2 : κάτοψη της σειράς MSP430x16x, στο σχήμα φαίνονται η αρίθμηση και η ονομασία όλων των ακροδεκτών

72

73

74 πίνακας 4.1 : λειτουργίες τερματικών ακροδεκτών Βασικά χαρακτηριστικά Το σύστημα ρολογιού είναι ειδικά σχεδιασμένο για εφαρμογές που τροφοδοτούνται με μπαταρία. Ένα χαμηλής συχνότητας βοηθητικό ρολόι (ACLK) οδηγείται απευθείας από ένα κοινό κρύσταλλο των 32 khz. Ένας ενσωματωμένος, υψηλής ταχύτητας, ψηφιακά ελεγχόμενος ταλαντωτής (DCO) μπορεί να τροφοδοτεί το κύριο ρολόι (MCLK) που χρησιμοποιείται από τη CPU και από υψηλής ταχύτητας περιφερειακά. Από τον κατασκευαστή, το DCO ενεργοποιείται και σταθεροποιείται σε λιγότερο από 6 μs. Χρησιμοποιώντας τρια εσωτερικά σήματα ρολογιού, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει την καλύτερη ισορροπία μεταξύ απόδοσης και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Η βασική ενότητα ρολογιού περιλαμβάνει δύο ή τρεις πηγές ρολογιού: LFXT1CLK: Χαμηλής/υψηλής συχνότητας ταλαντωτής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε με χαμηλής συχνότητας Hz κρύσταλλο, είτε με κανονικούς κρυστάλλους ή αντηχεία εύρους 450 khz 8 MHz. XT2CLK: Προαιρετικός υψηλής συχνότητας ταλαντωτής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κανονικούς κρυστάλλους, αντηχεία ή εξωτερικές πηγές ρολογιού εύρους 450 khz 8 MHz. DCOCLK: Εσωτερικός ψηφιακά ελεγχόμενος ταλαντωτής (DCO) με RC τύπου

75 χαρακτηριστικά. Τρία σήματα ρολογιού είναι διαθέσιμα από τη βασική ενότητα ρολογιού: ACLK: Auxiliary clock. Το ACLK είναι η αποθηκευμένη LFXT1CLK πηγή ρολογιού διαιρεμένη δια 1, 2, 4, ή 8. Το ACLK δύναται να επιλεγεί από το λογισμικό για ξεχωριστά περιφερειακά. MCLK: Master clock. Το MCLK δύναται να επιλεγεί από το λογισμικό σαν LFXT1CLK, XT2CLK (αν διατίθεται), ή σαν DCOCLK. Το MCLK διαιρείται δια 1, 2, 4, ή 8. Το MCLK χρησιμοποιείται από τη CPU και από το σύστημα. SMCLK: Sub-main clock. Το SMCLK δύναται να επιλεγεί από το λογισμικό σαν LFXT1CLK, XT2CLK (αν διατίθεται στο chip), ή σαν DCOCLK. Το SMCLK διαιρείται δια 1, 2, 4, ή 8. Το SMCLK μπορεί να επιλεγεί από το λογισμικό για ξεχωριστές περιφερειακές ενότητες. Το block διάγραμμα της βασικής ενότητας ρολογιού φαίνεται στο σχήμα 4.3. σχήμα 4.3 : block διάγραμμα της βασικής ενότητας ρολογιού

76 4.2.3 Χώρος διευθύνσεων Η von-neumann αρχιτεκτονική του MSP430 έχει ένα χώρο διευθύνσεων με καταχωρητές για ειδικές λειτουργίες, περιφερειακά, RAM, και Flash/ROM μνήμη όπως φαίνεται στον πίνακα 4.2. Η πρόσβαση σε κώδικα διενεργείται πάντα σε ζυγές διευθύνσεις μνήμης. Τα δεδομένα μπορούν να προσεγγιστούν σαν bytes η σαν λέξεις. Ο προσπελάσιμος χώρος μνήμης είναι 64 KB. πίνακας 4.2 : οργάνωση της μνήμης Μνήμη Flash/ROM Οι MSP flash microcontrollers προσφέρουν τρομερή ευελιξία γιατί μπορούν να επαναπρογραμματιστούν. Η Flash μνήμη μπορεί να επαναπρογραμματιστεί μέσω της JTAG θύρας, μέσω του φορτωτή αυτόματης εκκίνησης, ή μέσω της CPU αυτής καθαυτής. Επίσης, η CPU μπορεί να εκτελεί single-byte και single-word εγγραφές στη flash μνήμη. Πίνακες λέξεων ή bytes μπορούν να αποθηκεύονται στη Flash/ROM μνήμη χωρίς να είναι αναγκαία η αντιγραφή τους στη RAM πριν χρησιμοποιηθούν. Άλλα χαρακτηριστικά της Flash μνήμης φαίνονται παρακάτω: Η Flash μνήμη έχει n τμήματα κύριας μνήμης και 2 τμήματα πληροφοριακής μνήμης (Α και Β) των 128 bytes το καθένα. Κάθε τμήμα κύριας μνήμης είναι των 512 bytes. Τα τμήματα 0 έως n μπορούν να διαγραφούν σε ένα βήμα, ή το κάθε τμήμα μπορεί να διαγραφεί αυτούσιο. Τα τμήματα Α και Β μπορούν να διαγραφούν ατομικά, ή σαν μία ομάδα μαζί με τα 0-n. Τα τμήματα Α και Β είναι γνωστά και ως πληροφοριακή μνήμη. Εσωτερική γεννήτρια τάσης προγραμματισμού/διαγραφής: δε χρειάζεται καμία εξωτερική VPP, αλλά η VCC αυξάνει τις απαιτήσεις σε παροχή ρεύματος. Το πρόγραμμα και ο χρόνος διαγραφής ελέγχεται από το hardware στη flash memory καμία επέμβαση του λογισμικού δεν είναι απαραίτητη. Ο έλεγχος από το hardware ονομάζεται flash γεννήτρια χρόνου. Η εισερχόμενη συχνότητα της flash γεννήτριας χρόνου θα πρέπει να είναι στο κατάλληλο εύρος και θα πρέπει να διατηρείται μέχρι η λειτουργία γραφής/προγραμματισμού ή διαγραφής να έχει ολοκληρωθεί. Κατά τη διάρκεια προγραμματισμού ή διαγραφής, κανένα κομμάτι κώδικα δεν μπορεί να

77 εκτελεστεί από τη flash memory και όλες οι διακοπές πρέπει να είναι απενεργοποιημένες θέτοντας τα bits GIE, NMIIE, ACCVIE, και OFIE σε λογικό 0. Αν ένα πρόγραμμα του χρήστη απαιτεί εκτέλεση ταυτόχρονα με μία flash εντολή προγραμματισμού ή διαγραφής, το πρόγραμμα θα πρέπει να εκτελεστεί από κάποια άλλη μνήμη εκτός της flash. Σε περίπτωση που η flash λειτουργία προγραμματισμού ή διαγραφής εκκινεί ενώ ο μετρητής προγράμματος δείχνει στη flash μνήμη, η CPU εκτελεί JMP $ εντολές μέχρι η flash λειτουργία προγραμματισμού ή διαγραφής να ολοκληρωθεί. Έπειτα συνεχίζεται κανονικά από το σημείο διακοπής η εκτέλεση του λογισμικού που έτρεχε προηγουμένως. Μη προγραμματισμένες, νέες συσκευές μπορεί να έχουν κάποια bytes προγραμματισμένα στην πληροφοριακή μνήμη. Ο χρήστης θα πρέπει να εκτελέσει μια διαγραφή από την πληροφοριακή μνήμη πριν την πρώτη χρήση. Στο σχήμα 4.4 παρουσιάζεται η οργάνωση της flash memory. σχήμα 4.4: οργάνωση της flash memory Μνήμη RAM Η μνήμη RAM ξεκινά από τη διεύθυνση 0200h. Η τελική διεύθυνση της RAM εξαρτάται από τη συσκευή. Η RAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για κώδικα όσο και για δεδομένα. Ολόκληρη η RAM μπορεί να προσπελαστεί χρησιμοποιώντας το κατάλληλο επίθεμα εντολής. Τα τμήματα της μνήμης που αντιστοιχούν στα περιφερειακά Τα τμήματα των περιφερειακών είναι χαρτογραφημένα μέσα στο χώρο διευθύνσεων. Ο χώρος μεταξύ 0100h και 01FFh διατηρείται για 16-bit ενότητες περιφερειακών. Αυτές οι ενότητες θα πρέπει να είναι προσπελάσιμες από word εντολές. Αν χρησιμοποιούνται byte εντολές μόνο οι ζυγές διευθύνσεις είναι επιτρεπτές, και το πιο σημαντικό byte του αποτελέσματος είναι πάντα 0. Ο χώρος διευθύνσεων από 010h έως 0FFh διατηρείται για 8-bit ενότητες περιφερειακών. Αυτές οι ενότητες θα πρέπει να έιναι προσπελάσιμες με byte εντολές. Η ανάγνωση byte ενοτήτων χρησιμοποιώντας word εντολές οδηγεί σε απρόβλεπτα δεδομένα στο πιο σημαντικό byte. Αν word δεδομένα γράφονται σε μια byte ενότητα μόνο το λιγότερο σημαντικό byte γράφεται στον περιφερειακό καταχωρητή, ενώ το πιο σημαντικό byte αγνοείται. Καταχωρητές ειδικού σκοπού (Special function registers,sfrs)

78 Κάποιες περιφερειακές λειτουργίες διαμορφώνονται στους SFRs. Οι SFRs είναι τοποθετημένοι στα 16 πρώτα bytes του χώρου διευθύνσεων, και είναι οργανωμένοι κατά byte. Οι SFRs πρέπει να είναι προσπελάσιμοι μόνο με χρήση byte εντολών. Οργάνωση της μνήμης Τα bytes είναι τοποθετημένα σε μονές ή ζυγές διευθύνσεις. Οι λέξεις είναι τοποθετημένες μόνο σε ζυγές διευθύνσεις όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.5. Όταν χρησιμοποιούμε word εντολές, μόνο ζυγές διευθύνσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Το λιγότερο σημαντικό byte μιας λέξης είναι πάντα σε ζυγή διεύθυνση. Για παράδειγμα αν ένα word δεδομένο είναι τοποθετημένο στη διεύθυνση xxx4h, τότε το λιγότερο σημαντικό byte του word δεδομένου είναι τοποθετημένο στη διεύθυνση xxx4h, και το πιο σημαντικό byte είναι τοποθετημένο στη διεύθυνση xxx5h. σχήμα 4.5: bits, bytes και λέξεις σε μια μνήμη οργανωμένη κατά byte

79 4.3 ΕΠΑΝΕΚΚΙΝΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ, ΔΙΑΚΟΠΕΣ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Επανεκκίνηση συστήματος και αρχικοποίηση Η συνδεσμολογία επανεκκίνησης του συστήματος, που φαίνεται στο σχήμα 4.6, τροφοδοτεί δύο σήματα: το power on reset (POR) σήμα και το power up clear (PUC) σήμα. Διαφορετικά γεγονότα σκανδαλίζουν αυτά τα σήματα επανεκκίνησης και διαφορετικές αρχικές συνθήκες επικρατούν ανάλογα με το ποιο σήμα έχει προκύψει. Σχήμα 4.6 :Συνδεσμολογία επανεκκίνησης συστήματος Ενα σήμα POR επανακινεί μια συσκευή. Ένα σήμα POR προκύπτει μόνο από τα τρία επόμενα γεγονότα: Όταν ενεργοποιείται μια συσκευή

80 Όταν σε λειτουργία επανεκκίνησης φθάσει στον ακροδέκτη RST/NMI σήμα low Όταν προκύψει συνθήκη SVS low όταν PORON = 1. Ενα σήμα PUC ενεργοποιείται όταν έχει προκύψει ένα σήμα POR, το αντίστροφο όμως δεν ισχύει. Τα ακόλουθα γεγονότα σκανδαλίζουν το PUC: Ένα σήμα POR Η λήξη του χρονιστή watchdog μόνο σε watchdog λειτουργία. Η παραβίαση του κλειδιού ασφαλείας του χρονιστή watchdog Η παραβίαση του κλειδιού ασφαλείας του της flash memory Power-On επανεκκίνηση (POR) Όταν ο χρόνος ανόδου της VCC έιναι αργός, ο ανιχνευτής του σήματος POR κρατάει το σήμα ενεργό μέχρι η VCC να ξεπεράσει το επίπεδο VPOR, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.7. Όταν η VCC παρέχει ένα γρήγορο χρόνο ανόδου η POR delay ( tpor_delay ) παρέχει ενεργό χρόνο στο σήμα POR να επιτρέψει στον MSP430 να αρχικοποιήσει. Αν η ισχύς του MSP430 ανακυκλώνεται, η τάση τροφοδοσίας VCC πρέπει να πέφτει κάτω από την τιμή Vmin ώστε να εξασφαλίζεται ότι κάποιο άλλο πιθανό σήμα POR προκύπτει αφού η V CC έχει ενεργοποιηθεί ξανά. Αν η VCC δεν πέσει κάτω από την τιμή Vmin κατά τη διάρκεια ενός κύκλου ή μιας απότομης μεταβολής της τάσης, δεν προκύπτει σήμα POR και οι συνθήκες ενεργοποίησης δε τίθενται σωστά. Σχήμα 4.7: Χρονισμός της Power-On επανεκκίνησης Brownout επανεκκίνηση (BOR) Κάποιες συσκευές έχουν ένα κύκλωμα brownout επανεκκίνησης το οποίο αντικαθιστά τα κυκλώματα ανίχνευσης και καθυστέρησης του σήματος POR. Το κύκλωμα brownout επανεκκίνησης ανιχνεύει χαμηλές τάσεις τροφοδοσίας όπως εκείνες που εμφανίζονται όταν κάποια πηγή τάσης εφαρμόζεται ή αφαιρείται από το τερματικό V CC. Το κύκλωμα brownout επανεκκίνησης κάνει reset τη συσκευή σκανδαλίζοντας ένα σήμα POR όταν η ισχύς εφαρμόζεται ή αφαιρείται. Τα επίπεδα λειτουργίας φαίνονται στο σχήμα 4.8. Το σήμα POR ενεργοποιείται όταν η VCC διέρχεται από το επίπεδο VCC (start). Διατηρείται ενεργό μέχρι η VCC να περάσει το κατώτατο όριο V (B_IT+) και να παρέλθει η καθυστέρηση ( tbor). Η καθυστέρηση ( tbor) είναι προσαρμόσιμη όντας μεγαλύτερη για μία αργά ανερχόμενη V CC. Η καθυστέρηση Vhys (B_ IT ) εξασφαλίζει ότι η πηγή τάσης πρέπει να πέσει κάτω από το όριο V (B_IT-) για να προκύψει κάποιο άλλο σήμα POR από τη συνδεσμολογία της brownout επανεκκίνησης.

81 Σχήμα 4.8 : Χρονισμός της Brownout επανεκκίνησης Καθώς το επίπεδο V(B_IT-) είναι σημαντικά πάνω από το επίπεδο Vmin του POR κυκλώματος, το BOR παρέχει μια επανεκκίνηση για διακοπές ρεύματος όπου η VCC δεν πέφτει κάτω από τη Vmin. Αρχικές συνθήκες της συσκευής μετά την επανεκκίνηση του συστήματος Μετά από σήμα POR, οι αρχικές συνθήκες του MSP430 είναι: Το RST/NMI pin διαμορφώνεται στο reset τρόπο λειτουργίας. Τα pins εισόδου/εξόδου τίθενται σε τρόπο λειτουργίας εισόδου. Άλλα περιφερειακά και καταχωρητές αρχικοποιούνται. Ο καταχωρητής κατάστασης (SR) γίνεται reset. Ο χρονιστής watchdog ενεργοποιείται σε τρόπο λειτουργίας watchdog. Ο μετρητής προγράμματος φορτώνεται με τη διεύθυνση που περιέχεται στην περιοχή του διανύσματος reset (0FFFEh). H CPU ξεκινά την εκτέλεση από αυτή τη διεύθυνση Αρχικοποίηση του λογισμικού Μετά από μία επανεκκίνηση του συστήματος, το λογισμικό του χρήστη πρέπει να αρχικοποιεί τον MSP430 για τις απαιτήσεις των εφαρμογών. Πρέπει να συμβαίνουν τα παρακάτω: Αρχικοποίηση του Stack Pointer (SP), χαρακτηριστικά στην κορυφή της RAM. Αρχικοποίηση του watchdog με βάση τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Διαμόρφωση των περιφερειακών στις απαιτήσεις της εφαρμογής Διακοπές Οι προτεραιότητες διακοπών είναι πάγιες και καθορισμένες από τη ρύθμιση των τμημάτων στην αλληλουχία σύνδεσης, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.9. Όσο πιο κοντά στη CPU/NMIRS είναι ένα τμήμα, τόσο υψηλότερη προτεραιότητα έχει. Οι προτεραιότητες διακοπών καθορίζουν ποια διακοπή εκτελείται όταν περισσότερες από μία εκκρεμούν ταυτοχρόνως. Υπάρχουν τρία είδη διακοπών: Οι επανεκκίνησης συστήματος

82 Οι maskable Οι (Non)-maskable NMI Σχήμα 4.9 : Προτεραιότητα διακοπών (Non)-Maskable Interrupts (NMI) Οι (Non)-Maskable NMI διακοπές δε μασκαρεύονται με το γενικό interrupt enable bit (GIE), αλλά επιτρέπονται από μεμονωμένα interrupt enable bits (NMIIE, ACCVIE, OFIE). Όταν μια NMI διακοπή γίνεται αποδεκτή, όλα τα NMI interrupt enable bits γίνονται αυτόματα reset. Η εκτέλεση του προγράμματος ξεκινά από τη διεύθυνση που έχει αποθηκευθεί στο (non)-maskable διάνυσμα διακοπής, OFFFCh. Το λογισμικό του χρήστη πρέπει να ενεργοποιεί τα απαιτούμενα NMI interrupt enable bits έτσι ώστε η διακοπή να ξαναεπιτρεπτεί. Το block diagram για τις NMI πηγές φαινεται στο σχήμα Μια NMI interrupt μπορεί να προκύψει από τρεις πηγές: Μια ακμή στο RST/NMI pin όταν βρισκόμαστε σε NMI λειτουργία Όταν λαμβάνει χώρα κάποιο σφάλμα στον ταλαντωτή Μία παραβίαση πρόσβασης στη flash memory

83 Σχήμα 4.10 : Block diagram των (Non)-Maskable Interrupt πηγών Maskable Interrupts Οι maskable διακοπές προκαλούνται από περιφερειακά με ικανότητα διακοπής συμπεριλαμβανομένης της υπερχείλισης του χρονιστή σε τρόπο λειτουργίας χρονιστή διαστημάτων. Κάθε πηγή maskable διακοπής μπορεί να απενεργοποιηθεί μεμονωμένα από ένα interrupt enable bit, ή όλες οι maskable διακοπές μπορούν να απενεργοποιηθούν από το general interrupt enable bit (GIE) στον καταχωρητή κατάστασης (SR). Επεξεργασία διακοπών Όταν προκύπτει αίτημα διακοπής από ένα περιφερειακό και το interrupt enable bit του περιφερειακού καθώς και το GIE γίνονται set, ζητείται η ρουτίνα εξυπηρέτησης της διακοπής. Μόνο το μεμονωμένο enable bit πρέπει να γίνει set για να ζητηθεί μια (non)-maskable διακοπή. Αποδοχή διακοπών Η διάρκεια μιας διακοπής είναι 6 κύκλοι μηχανής, ξεκινά από την αποδοχή μιας αίτησης

84 διακοπής, και διαρκεί μέχρι την εκκίνηση εκτέλεσης της πρώτης εντολής της ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής, όπως φαίνεται και στο σχήμα Η λογική της διακοπής εκτελεί τα παρακάτω: 1. Οποιαδήποτε εντολή εκτελείται όταν προκύψει διακοπή ολοκληρώνεται. 2. Ο μετρητής προγράμματος (PC), που δείχνει στην επόμενη εντολή, ωθείται προς τα επάνω στη στοίβα. 3. Ο καταχωρητής κατάστασης (SR) ωθείται προς τα επάνω στη στοίβα. 4. Η διακοπή με την υψηλότερη προτεραιότητα επιλέγεται αν πολλές διακοπές λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της τελευταίας εντολής και εκκρεμούν για εξυπηρέτηση. 5. Η σημαία εξυπηρέτησης διακοπής γίνεται reset αυτόματα στις σημαίες απλής πηγής. Οι σημαίες πολλαπλής πηγής παραμένουν set για εξυπηρέτηση από λογισμικό. 6. Ο SR σβήνεται με εξαίρεση το bit SCG0, που παραμένει ανέπαφο. Αυτό τερματίζει οποιαδήποτε χαμηλής ισύος λειτουργία. Επειδή σβήνεται το bit GIE περαιτέρω διακοπές απενεργοποιούνται. 7. Το περιεχόμενο του διανύσματος διακοπής φορτώνεται στον PC: το πρόγραμμα συνεχίζεται με τη ρουτίνα εξυπηρέτησης της διακοπής στη διεύθυνση. Σχήμα 4.11 : Επεξεργασία διακοπής Επιστροφή από διακοπή Η ρουτίνα χειρισμού της διακοπής τερματίζει με την εντολή: RETI (επιστροφή από μια ρουτίνα εξυπηρέτησης διακοπή) Η επιστροφή από τη διακοπή χρειάζεται 5 κύκλους μηχανής για να εκτελέσει τις ακόλουθες ενέργειες και απεικονίζεται στο σχήμα Ο καταχωρητής κατάστασης (SR) με το προηγούμενο υπόβαθρο αναπηδά από τη στοίβα. Όλες οι προηγούμενες καταστάσεις των GIE,CPUOFF, κλπ. Επηρεάζονται, ανεξάρτητα από τις καταστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής. 2. Ο μετρητής προγράμματος (PC) αναπηδά από τη στοίβα και ξεκινά την εκτέλεση από το σημείο που είχε διακοπεί.

85 Σχήμα 4.12 : Επιστροφή από διακοπή Interrupt nesting Το interrupt nesting είναι δυνατό αν το GIE bit είναι set μέσα σε μια ρουτίνα εξυπηρέτησης διακοπής. Όταν το interrupt nesting είναι δυνατό, οποιαδήποτε διακοπή που συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής θα διακόπτει τη ρουτίνα, ανεξάρτητα από τις προτεραιότητες διακοπής. Διανύσματα διακοπής Τα διανύσματα διακοπής και οι διευθύνσεις εκκίνησης-ενεργοποίησης είναι τοποθετημένα στην περιοχή διευθύνσεων 0FFFFh 0FFE0h όπως περιγράφεται και στον πίνακα 4.3. Ένα διάνυσμα προγραμματίζεται από το χρήστη με τη 16-bit διεύθυνση της αντίστοιχης ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής.

86 Πίνακας 4.3 : Πηγές, Σημαίες και Διανύσματα διακοπών Κάποια module enable bits, interrupt enable bits, και interrupt flags είναι τοποθετημένα στους SFRs. Οι SFRs είναι τοποθετημένοι στη χαμηλότερη περιοχή διευθύνσεων και εφαρμόζονται σε μορφή byte. Οι SFRs πρέπει να είναι προσπελάσιμοι χρησιμοποιώντας byte εντολές Τρόποι λειτουργίας Η οικογένεια MSP430 είναι σχεδιασμένη για χαμηλής ισχύος εφαρμογές και χρησιμοποιεί διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας όπως φαίνεται και στο σχήμα Οι τρόποι λειτουργίας λαμβάνουν υπόψη τρεις διαφορετικές ανάγκες: Πολύ χαμηλή ισχύ Ταχύτητα και παραγωγή δεδομένων Ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ρεύματος των μεμονωμένων περιφερειακών Η τυπική κατανάλωση ρεύματος του MSP430 φαίνεται στο σχήμα 4.13.

87 Σχήμα 4.13 : Τυπική κατανάλωση ρεύματος των MSP430x1xx συσκευών προς τους τρόπους λειτουργίας Οι χαμηλής ισχύος τρόποι λειτουργίας 0-4 καθορίζονται από τα bits CPUOFF, OSCOFF, SCG0, και SCG1 του καταχωρητή κατάστασης. Το γεγονός ότι τα bits ελέγχου λειτουργίας CPUOFF, OSCOFF, SCG0, και SCG1 περιλαμβάνονται στον καταχωρητή κατάστασης είναι θετικό διότι ο παρών τρόπος λειτουργίας σώζεται επάνω στη στοίβα κατά τη διάρκεια μιας ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής. Η ροή προγράμματος επιστρέφει στον προηγούμενο τρόπο λειτουργίας αν η αποθηκευμένη τιμή του καταχωρητή κατάστασης δεν αλλάξει κατά τη διάρκεια της ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής. Η ροή προγράμματος μπορεί να επιστρέψει σε διαφορετικό τρόπο λειτουργίας χειραγωγώντας την αποθηκευμένη στη στοίβα τιμή του καταχωρητή κατάστασης κατά τη διάρκεια της ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής. Τα bits ελέγχου λειτουργίας και η στοίβα μπορούν να προσπελαστούν με οποιαδήποτε εντολή. Όποτε γίνεται set οποιοδήποτε από τα bits ελέγχου λειτουργίας, ο επιλεγμένος τρόπος λειτουργίας εφαρμόζεται αμέσως. Τα περιφερειακά που ενδεχομένως λειτουργούν, με οποιαδήποτε απενεργοποίηση του ρολογιού απενεργοποιούνται μέχρι το ρολόι να ξαναγίνει ενεργό. Τα περιφερειακά μπορεί επίσης να απενεργοποιούνται με βάση τα στοιχεία των μεμονωμένων καταχωρητών ελέγχου. Όλα τα pins εισόδου/εξόδου, η RAM και οι καταχωρητές γενικού σκοπού παραμένουν αμετάβλητοι. Η αφύπνιση είναι πιθανή μέσω όλων των επιτρεπόμενων διακοπών.

88 Σχήμα 4.14 : Τρόποι λειτουργίας της σειράς MSP430x1xx για το βασικό σύστημα ρολογιού

89 Bit RISC CPU Εισαγωγή Η CPU ενσωματώνει τμήματα ειδικά σχεδιασμένα για σύγχρονες τεχνικές προγραμματισμού όπως υπολογισμό διακλαδώσεων, επεξεργασία πινάκων και χρήση γλωσσών προγραμματισμού υψηλού επιπέδου όπως η C. Τα τμήματα τα CPU περιλαμβάνουν: RISC αρχιτεκτονική με 27 εντολές και 7 τρόπους διευθυνσιοδότησης. Ορθογώνια αρχιτεκτονική με κάθε εντολή χρησιμοποιήσιμη από κάθε τρόπο διευθυνσιοδότησης. Ολοκληρωμένη πρόσβαση στους καταχωρητές συμπεριλαμβανομένων των μετρητή προγράμματος, καταχωρητή κατάστασης, και δείκτη στοίβας. Απλού κύκλου εντολές καταχωρητών. 16-bit διάδρομο διευθύνσεων, που επιτρέπει απευθείας πρόσβαση στη μνήμη και διακλαδώσεις σε όλο το φάσμα μνήμης. 16-bit διάδρομο δεδομένων Γεννήτρια σταθερών παρέχει τις 6 πιο άμεσα χρησιμοποιημένες τιμές και μειώνει το μέγεθος του κώδικα. Απευθείας μεταφορές από κάποιο μέρος της μνήμης σε κάποιο άλλο χωρίς την ενδιάμεση παρέμβαση κάποιου καταχωρητή. Word και byte διευθυνσιοδότηση και φόρμες εντολών. Το block diagram της CPU φαίνεται στο σχήμα 4.15.

90 Σχήμα 4.15 : Το block diagram της CPU

91 4.4.2 Καταχωρητές της CPU Η CPU ενσωματώνει δεκαέξι 16-bit καταχωρητές. Οι καταχωρητές R0, R1, R2, και R3 έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες. Οι καταχωρητές R4 έως R15 είναι καταχωρητές γενικού σκοπού. Μετρητής προγράμματος (PC) Ο 16-bit μετρητής προγράμματος (PC/R0) δείχνει στην επόμενη εντολή που πρεέπει να εκτελεστεί. Κάθε εντολή χρησιμοποιεί χρησιμοποιεί ένα ζυγό αριθμό bytes (2,4 ή 6), και ο PC αυξάνεται ακολούθως. Το σχήμα 4.16 παρουσιάζει το μετρητή προγράμματος. Σχήμα 4.16 : Ο μετρητής προγράμματος Ο μετρητής προγράμματος μπορεί να διευθυνσιοδοτηθεί με όλες τις εντολές και όλους τους τρόπους διευθυνσιοδότησης. Δείκτης στοίβας (SP) Ο δείκτης στοίβας (SP/R1) χρησιμοποιείται από τη CPU για να αποθηκεύει τις διευθύνσεις επιστροφής υπορουτίνων και διακοπών. Επίσης ο SP μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το λογισμικό με όλες τις εντολές και όλους τους τρόπους διευθυνσιοδότησης. Το σχήμα 4.17 δείχνει το SP. Ο δείκτης στοίβας αρχικοποιείται στη RAM από το χρήστη, και ευθυγραμμίζεται με ζυγές διευθύνσεις. Σχήμα 4.17 : Ο δείκτης στοίβας Καταχωρητής Κατάστασης (SR) Ο καταχωρητής κατάστασης (SR/R2), που χρησιμοποιείται τόσο ως καταχωρητής πηγής όσο και ως καταχωρητής προορισμού, μπορεί να χρησιμοποιείται στο register mode μόνο όταν διευθυνσιοδοτείται με word εντολές. Οι υπόλοιποι συνδυασμοί των τρόπων διευθυνσιοδότησης χρησιμοποιούνται για υποστήριξη της γεννήτριας σταθερών. Στο σχήμα 4.18 φαίνονται τα bits του καταχωρητή κατάστασης. Σχήμα 4.18 : Τα bits του καταχωρητή κατάστασης Στον παρακάτω πίνακα περιγράφονται τα bits του καταχωρητή κατάστασης : Bit Περιγραφή V Bit υπερχείλισης. Γίνεται set όταν το αποτέλεσμα μιας αριθμητικής πράξης υπερχειλίζει το καθορισμένο εύρος της μεταβλητής. SCG1 System clock generator 1. Όταν γίνεται set σβήνει το SMCLK. SCG0 System clock generator 0. Όταν γίνεται set σβήνει η γεννήτρια ρολογιού DCO,

92 Bit Περιγραφή αν το DCOCLK δε χρησιμοποιείται για το MCLK ή το SMCLK. OSCOFF Oscillator Off. Όταν γίνεται set σβήνει το LFXT1 κρυσταλλικό ταλαντωτή, όταν το LFXT1CLK δε χρησιμοποιείται στο MCLK ή στο SMCLK. CPUOFF CPU off. Όταν γίνεται set σβήνει τη CPU. GIE General interrupt enable. Όταν γίνεται set επιτρέπει τις maskable διακοπές. Όταν γίνεται reset, όλες οι maskable διακοπές απενεργοποιούνται. N Negative bit. Αυτό το bit γίνεται set όταν το αποτέλεσμα μιας byte ή word λειτουργίας είναι αρνητικό και σβήνεται όταν το αποτέλεσμα δεν είναι αρνητικό. Z Zero bit. Αυτό το bit γίνεται set όταν το αποτέλεσμα μιας byte ή word λειτουργίας είναι 0 και σβήνεται όταν το αποτέλεσμα δεν είναι 0. C Carry bit. Αυτό το bit γίνεται set όταν το αποτέλεσμα μιας byte ή word λειτουργίας παράγει κρατούμενο και σβήνεται όταν δεν προκύπτει κρατούμενο. Πίνακας 4.4 : Περιγραφή των bits του καταχωρητή κατάστασης Καταχωρητές της γεννήτριας σταθερών CG1 και CG2 Έξι συνήθως χρησιμοποιημένες σταθερές παράγονται από τους καταχωρητές της γεννήτριας σταθερών R2 και R3, χωρίς να απαιτείται μία επιπλέον 16-bit λέξη κώδικα προγράμματος. Οι σταθερές επιλέγονται από τους τρόπους διευθυνσιοδότησης καταχωρητών πηγής (As), όπως περιγράφεται στον πίνακα 4.5. Πίνακας 4.5 : Τιμές των γεννητριών σταθερών CG1, CG2 Τα πλεονεκτήματα της γεννήτριας σταθερών είναι: Δεν απαιτούνται ειδικές εντολές Καμία επιπρόσθετη λέξη κώδικα για τις έξι σταθερές Δεν απαιτείται καμία πρόσβαση του κώδικα στη μνήμη για ανάκτηση της σταθεράς Ο assembler χρησιμοποιεί τη γεννήτρια σταθερών αυτόματα αν κάποια από τις έξι σταθερές χρησιμοποιείται σαν άμεσος τελεστέος πηγής. Οι καταχωρητές R2 και R3, που χρησιμοποιούνται σε τρόπο λειτουργίας σταθεράς, δεν μπορούν να διευθυνσιοδοτηθούν ρητά ενεργούν μόνο σαν καταχωρητές πηγής. Καταχωρητές γενικού σκοπού R4-R15 Οι δώδεκα καταχωρητές, R4-R15 είναι καταχωρητές γενικού σκοπού. Όλοι αυτοί οι καταχωρητές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν καταχωρητές δεδομένων, δείκτες διευθύνσεων, ή δείκτες τιμών και είναι προσπελάσιμοι με byte ή word εντολές όπως φαίνεται στο σχήμα 4.19.

93 Σχήμα 4.19 : Εντολές καταχωρητή-byte/byte-καταχωρητή Τρόποι διευθυνσιοδότησης Επτά τρόποι διευθυνσιοδότησης για τους τελεστέους πηγής και τέσσερις τρόποι διευθυνσιοδότησης για τους τελεστέους προορισμού μπορούν να διευθυνσιοδοτήσουν ολόκληρο το χώρο διευθύνσεων χωρίς καμιά εξαίρεση. Οι αριθμοί των bits στον πίνακα 4.6 περιγράφουν τα περιεχόμενα των καταχωρήτων As (source) και Ad (destination).

94 Πίνακας 4.6 : Τελεστέοι πηγής/προορισμού που εξετάζουν τους τρόπους διευθυνσιοδότησης Διευθυνσιοδότηση καταχωρητή Η διευθυνσιοδότηση καταχωρητή περιγράφεται στον πίνακα 4.7. Κώδικας του Assembler Περιεχόμενο της ROM MOV R10,R11 Μήκος MOV R10,R11 Μία ή δύο λέξεις. Λειτουργία Σχόλια Μετακινεί το περιεχόμενο του καταχωρητή R10 στον R11. Ο καταχωρητής R10 δεν επηρεάζεται. Έγκυρη μέθοδος για πηγή και για προορισμό. Πίνακας 4.7 : Περιγραφή της διευθυνσιοδότησης καταχωρητή Τα δεδομένα στον καταχωρητή γίνονται προσπελάσιμα με χρήση word ή byte εντολών. Αν χρησιμοποιούμε byte εντολές, το υψηλής προτεραιότητας byte είναι πάντα 0 στο αποτέλεσμα. Τα bits του καταχωρητή κατάστασης αντιμετωπίζονται με βάση το αποτέλεσμα της byte εντολής. Συντεταγμένη διευθυνσιοδότηση Η συντεταγμένη διευθυνσιοδότηση περιγράφεται στον πίνακα 4.8. Κώδικας του Assembler Περιεχόμενο της ROM MOV 2(R5),6(R6) MOV X(R5),Y(R6) X=2 Y=6 Μήκος Δύο ή τρείς λέξεις. Λειτουργία Σχόλια Μετακινεί τα περιεχόμενα της διεύθυνσης πηγής (περιεχόμενα του R5 + 2) στη διεύθυνση προορισμού (περιεχόμενα του R6 + 6). Οι καταχωρητές πηγής και προορισμού (R5 και R6) δεν επηρεάζονται. Στη συντεταγμένη διευθυνσιοδότηση, ο μετρητής προγράμματος αυξάνεται αυτόματα έτσι ώστε η εκτέλεση του προγράμματος να συνεχίζει με την επόμενη εντολή. Έγκυρη μέθοδος για πηγή και για προορισμό. Πίνακας 4.8 : Περιγραφή της συντεταγμένης διευθυνσιοδότησης Συμβολική διευθυνσιοδότηση Η συμβολική διευθυνσιοδότηση περιγράφεται στον πίνακα 4.9. Κώδικας του Assembler MOV EDE,TONI Μήκος Λειτουργία Περιεχόμενο της ROM MOV X (PC), Y (PC) X = EDE - PC Y = TONI - PC Δύο ή τρείς λέξεις. Μετακινεί τα περιεχόμενα της διεύθυνσης πηγής EDE (περιεχόμενα του PC + X) στη διεύθυνση προορισμού TONI (περιεχόμενα του PC + Y). Οι

95 λέξεις μετά την εκτέλεση της εντολής περιέχουν τις διαφορές μεταξύ του PC και της διεύθυνσης πηγής ή προορισμού. Ο assembler υπολογίζει και εισάγει τις μετατοπίσεις X και Y αυτόματα. Με τη συμβολική διευθυνσιοδότηση, ο μετρητής προγράμματος αυξάνεται συτόματα έτσι ώστε η εκτέλεση του προγράμματατος να συνεχίζεται με την επόμενη εντολή. Σχόλια Έγκυρη μέθοδος για πηγή και για προορισμό. Πίνακας 4.9 : Περιγραφή της συμβολικής διευθυνσιοδότησης Απόλυτη διευθυνσιοδότηση Η απόλυτη διευθυνσιοδότηση περιγράφεται στον πίνακα Κώδικας του Assembler MOV &EDE,&TONI Μήκος Περιεχόμενο της ROM MOV X ( 0 ), Y ( 0 ) X = EDE Y = TONI Δύο ή τρείς λέξεις. Λειτουργία Σχόλια Μετακινεί τα περιεχόμενα της διεύθυνσης πηγής EDE στη διεύθυνση προορισμού TONI. Οι λέξεις μετά την εκτέλεση της εντολής περιέχουν την απόλυτη διεύθυνσης της πηγής και τις διευθύνσεις προορισμού. Με αυτή τη μέθοδο διευθυνσιοδότησης, ο μετρητής προγράμματος αυξάνεται συτόματα έτσι ώστε η εκτέλεση του προγράμματατος να συνεχίζεται με την επόμενη εντολή. Έγκυρη μέθοδος για πηγή και για προορισμό. Πίνακας 4.10 : Περιγραφή της απόλυτης διευθυνσιοδότησης Αυτός ο τρόπος διευθυνσιοδότησης χρησιμοποιείται κυρίως για τμήματα περιφερειακών που είναι τοποθετημένα σε κάποια απόλυτη διεύθυνση. Αυτά διευθυσιοδοτούνται με απόλυτο τρόπο για να εξασφαλίζεται η δυνατότητα μεταφοράς λογισμικού. Διευθυνσιοδότηση έμμεσου καταχωρητή Ο τρόπος διευθυνσιοδότησης έμεσσου καταχωρητή περιγράφεται στον πίνακα Κώδικας του Assembler 0 (R11) Μήκος Περιεχόμενο της ROM 0 (R11) Μία ή δύο λέξεις. Λειτουργία Μετακινεί τα περιεχόμενα της διεύθυνσης πηγής (περιεχόμενα του R10) στη διεύθυνση προορισμού (περιεχόμενα του R11). Οι καταχωρητές δεν τροποποιούνται. Σχόλια Έγκυρος μόνο για τελεστέο πηγής. Το υποκατάστατο για τελεστέο προορισμού είναι το 0(Rd). Πίνακας 4.11 : Περιγραφή του τρόπου διευθυνσιοδότησης έμμεσου καταχωρητή

96 Διευθυνσιοδότηση έμμεσου αυτοαυξανόμενου καταχωρητή Ο τρόπος διευθυνσιοδότησης έμμεσου αυτοαυξανόμενου καταχωρητή περιγράφεται στον πίνακα Κώδικας του Assembler Περιεχόμενο της ROM 0 (R11) 0 (R11) Μήκος Μία ή δύο λέξεις. Λειτουργία Μετακινεί τα περιεχόμενα της διεύθυνσης πηγής (περιεχόμενα του R10) στη διεύθυνση προορισμού (περιεχόμενα του R11). Ο καταχωρητής R10 αυξάνεται κατά 1 για μία byte λειτουργία, ή κατά 2 για μια word λειτουργία μετά το φόρτωμα δείχνει στην επόμενη διεύθυνση χωρίς κάποια επίκάλυψη. Αυτό είναι χρήσιμο για επεξεργασία πινάκων. Σχόλια Έγκυρος μόνο για τελεστέο πηγής. Το υποκατάστατο για τελεστέο προορισμού είναι το 0(Rd) συν τη δεύτερη εντολή INCD Rd. Πίνακας 4.12 : Περιγραφή του τρόπου διευθυνσιοδότησης έμμεσου αυτοαυξανόμενου καταχωρητή Η αυτοαύξηση των περιεχομένων του καταχωρητή συμβαίνει μετά το φόρτωμα του τελεστέου. Αυτό φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.20 : Φόρτωμα του τελεστέου Διευθυνσιοδότηση άμεσου καταχωρητή Ο τρόπος διευθυνσιοδότησης άμεσου καταχωρητή περιγράφεται στον πίνακα Κώδικας του Assembler MOV #45h, TONI Περιεχόμενο της ROM X (PC) 45 X = TONI - PC Μήκος Δύο ή τρεις λέξεις. Είναι μια λέξη λιγότερο αν κάποια από τις σταθερές CG1 ή CG2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Λειτουργία Μετακινεί την άμεση σταθερά 45h, η οποία περιέχεται στη λέξη που ακολουθεί την εντολή, στη διεύθυνση προορισμού TONI. Όταν φορτώνει την πηγή, ο μετρητής προγράμματος δείχνει στη λέξη που ακολουθεί την εντολή και μετακινεί τα περιεχόμενα στον προορισμό. Σχόλια Έγκυρη μόνο για τελεστέο πηγής. Πίνακας 4.13 : Περιγραφή του τρόπου διευθυνσιοδότησης άμεσου καταχωρητή

97 4.4.4 Σύνολο εντολών Ολόκληρο το σύνολο εντολών του MSP430 αποτελείται από 27 εντολές πυρήνα και 24 εντολές μίμησης. Οι εντολές πυρήνα είναι εντολές με μοναδικούς κωδικούς διεργασίας που αποκωδικοποιούνται από τη CPU. Οι εντολές μίμησης είναι εντολές που κάνουν τον κώδικα ευκολότερο στο να διαβαστεί και να γραφεί, αλλά δεν έχουν κωδικούς διεργασίας από μόνες τους, αντίθετα ο assembler τις αντικαθιστά αυτόματα με μια ισοδύναμη εντολή πυρήνα. Δεν προκύπτει κάποια επίπτωση στον κώδικα ή στην απόδοση με τη χρησιμοποίηση εντολών μίμησης. Υπάρχουν τρία είδη εντολών πυρήνα: διπλού τελεστέου απλού τελεστέου άλματος Όλες οι εντολές απλού και διπλού τελεστέου μπορούν να έιναι byte ή word εντολές με χρήση των επεκτάσεων.b ή.w αντίστοιχα. Οι byte χρησιμοποιούνται για πρόσβαση byte δεδομένων ή byte περιφερειακών. Αν δε χρησιμοποιείται επέκταση, η εντολή είναι word εντολή. Στον πίνακα 4.14 φαίνονται τα πεδία που καθορίζουν την πηγή και τον προορισμό μιας εντολής. src Ο τελεστέος πηγής καθορίζεται από τα As και S-reg dst Ο τελεστέος προορισμού καθορίζεται από τα Ad και D-reg As Τα bits διευθυνσιοδότησης υπέθυνα για τον τρόπο διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιείται για την πηγή (src) S-reg Ad D-reg B/W Ο καταχωρητής εργασίας που χρησιμοποιείται για την πηγή (src) Τα bits διευθυνσιοδότησης υπέθυνα για τον τρόπο διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιείται για τον προορισμό (dst) Ο καταχωρητής εργασίας που χρησιμοποιείται για τον προορισμό (dst) Byte ή word λειτουργία 0: word λειτουργία 1: byte λειτουργία Πίνακας 4.14 : Περιγραφή των πεδίων που καθορίζουν την πηγή και τον προορισμό μιας εντολής Οι διευθύνσεις προορισμού είναι έγκυρες οπουδήποτε στο χάρτη μνήμης. Όμως, όταν ο χρήστης χρησιμοποιεί μια εντολή που τροποποιεί τα περιεχόμενα του προορισμού, πρέπει να εξασφαλίζει ότι η διεύθυνση προορισμού μπορεί να γραφτεί. Για παράδειγμα, μία masked-rom τοποθεσία θα ήταν μια έγκυρη διεύθυνση προορισμού, αλλά τα περιεχόμενα δεν είναι τροποποιήσιμα, επομένως τα αποτελέσματα της εντολής θα χανόταν. Εντολές διπλού τελεστέου (Format I) Το σχήμα 4.21 απεικονίζει τη μορφή των εντολών διπλού τελεστέου, ενώ ο πίνακας 4.15 τις κατηγοροποιεί. Σχήμα 4.21 : Η μορφή των εντολών διπλού τελεστέου

98 Πίνακας 4.15 : Εντολές διπλού τελεστέου Οι εντολές CMP και SUB είναι ίδιες με μόνη διαφορά την αποθήκευση του αποτελέσματος. Το ίδιο αληθεύει και για τις εντολές BIT και AND. Εντολές απλού τελεστέου (Format II) Το σχήμα 4.22 απεικονίζει τη μορφή των εντολών απλού τελεστέου, ενώ ο πίνακας 4.16 τις κατηγοροποιεί. Σχήμα 4.22 : Η μορφή των εντολών απλού τελεστέου

99 Πίνακας 4.16 : Εντολές απλού τελεστέου Εντολές άλματος(format III) Το σχήμα 4.23 απεικονίζει τη μορφή των εντολών άλματος, ενώ ο πίνακας 4.17 τις κατηγοροποιεί.

100

101

102 Σχήμα 4.23 : Η μορφή των εντολών άλματος Πίνακας 4.17 : Εντολές άλματος Τα υπό συνθήκη άλματα στηρίζουν τις διακλαδώσεις του προγράμματος σχετικά με τον PC και δεν αλλάζουν τα bits κατάστασης. Το πιθανό εύρος άλματος είναι από -511 έως +512 λέξεις σχετικά με την τιμή του PC στην εντολή άλματος. Η 10-bit μετατόπιση του PC αντιμετωπίζεται σαν μια 10bit signed τιμή που διπλασιάζεται και προστίθεται στον μετρητή προγράμματος: Pcnew = Pcold Pcoffset * 2 Περιγραφή του συνόλου των εντολών Ο χάρτης των εντολών φαίνεται στο σχήμα 4.24 και ολόκληρο το σύνολο των εντολών συνοψίζεται στον πίνακα 4.18.

103 Σχήμα 4.24 : Χάρτης των εντολών πυρήνα

104 Πίνακας 4.18 : Το σύνολο των εντολών του MSP430

105 4.5 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΙΣΟΔΟΙ/ΕΞΟΔΟΙ Εισαγωγή Αυτό το κεφάλαιο περιγράφει τη λειτουργία των ψηφιακών θυρών εισόδου/εξόδου. Στις συσκευές MSP430x16x εφαρμόζονται οι θύρες P1-P6. Η κάθε θύρα έχει οκτώ ακροδέκτες εισόδου/εξόδου. Ο κάθε ακροδέκτης εισόδου/εξόδου διαμορφώνεται μεμονωμένα για προορισμό εισόδου ή εξόδου, και κάθε γραμμή εισόδου/εξόδου μπορεί μεμονωμένα να διαβαστεί ή να γραφεί. Οι θύρες P1και P2 έχουν ικανότητα διακοπής. Κάθε διακοπή για τις γραμμές εισόδου/εξόδου P1και P2 μπορεί μεμονωμένα να ενεργοποιηθεί και να παρέχει μία διακοπή στην ανερχόμενη ή κατερχόμενη παρυφή ενός σήματος εισόδου. Όλες οι P1 γραμμές εισόδου/εξόδου παρέχουν ένα μοναδικό διάνυσμα διακοπής, και όλες οι P2 γραμμές ένα διαφορετικό, μοναδικό διάνυσμα διακοπής. Τα τμήματα των ψηφιακών εισόδων/εξόδων περιλαμβάνουν: Ανεξάρτητα προγραμματιζόμενες μεμονωμένες είσοδοι/έξοδοι Οποιονδήποτε συνδυασμό εισόδου ή εξόδου Ανεξάρτητα διαμορφωμένες P1 και P2 διακοπές Ανεξάρτητους καταχωρητές δεδομένων εισόδου και εξόδου Λειτουργία Ψηφιακών Εισόδων/Εξόδων Οι ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι καθορίζονται από το λογισμικό του χρήστη. Η εγκατάσταση και η λειτουργία των ψηφιακών εισόδων/εξόδων αναλύεται στις παρακάτω ενότητες. Καταχωρητές εισόδου PxIN Το κάθε bit σε κάθε καταχωρητή PxIN αντανακλά την τιμή του σήματος εισόδου στο αντίστοιχο pin εισόδου/εξόδου όταν το pin έχει καθοριστεί να λειτουργεί σαν είσοδος/έξοδος. Bit = 0 : Η είσοδος είναι low Bit = 1 : Η είσοδος είναι high Καταχωρητές εξόδου PxOUT Το κάθε bit σε κάθε καταχωρητή PxOUT είναι η τιμή που θα γίνει έξοδος στο αντίστοιχο pin εισόδου/εξόδου όταν το pin έχει καθοριστεί να λειτουργεί σαν είσοδος/έξοδος και με προορισμό εξόδου. Bit = 0 : Η έξοδος είναι low Bit = 1 : Η έξοδος είναι high Καταχωρητές προορισμού PxDIR Το κάθε bit σε κάθε καταχωρητή PxDIR επιλέγει τον προορισμό του αντίστοιχου pin εισόδου/εξόδου, ανεξάρτητα από την επιλεγμένη λειτουργία για το pin. Τα bits των καταχωρητών PxDIR για ακροδέκτες εισόδου/εξόδου που έχουν επίλεγεί για άλλη λειτουργία πρέπει να γίνουν set όπως απαιτείται από την άλλη λειτουργία. Bit = 0 : Ο ακροδέκτης της θύρας αλλάζει σε προορισμό εισόδου Bit = 1 : Ο ακροδέκτης της θύρας αλλάζει σε προορισμό εξόδου

106 Καταχωρητές επιλογής λειτουργίας PxSEL Οι ακροδέκτες των θυρών συχνά πολυπλέκονται με άλλες λειτουργίες περιφερειακών τμημάτων. Στον πίνακα 4.1 καθορίζονται οι λειτουργίες όλων των τερματικών λειτουργιών. Κάθε bit του καταχωρητή PxSEL επιλέγει τη λειτουργία του αντίστοιχου ακροδέκτη θύρα εισόδου/εξόδου ή λειτουργία περιφερειακού τμήματος. Bit = 0 : Η λειτουργία εισόδου/εξόδου επιλέγεται για τον ακροδέκτη Bit = 1 : Η λειτουργία περιφερειακού τμήματος επιλέγεται για τον ακροδέκτη Θέτοντας το bit PxSELx =1 δε θέτει αυτόματα και τον προορισμό του ακροδέκτη. Άλλες λειτουργίες περιφερειακού τμήματος μπορεί να απαιτούν τα bits PxDIRx να είναι καθορισμένα σύμφωνα με τον προορισμό που χρειάζεται για τη λειτουργία του τμήματος. Όταν οποιοδήποτε από τα bits P1SELx ή P2SELx γίνει set, η διακοπή του αντίστοιχου pin απενεργοποιείται. Επομένως, τα σήματα σ αυτούς τους ακροδέκτες δε θα δημιουργήσουν P1 και P2 διακοπές, ανεξάρτητα από την κατάσταση των αντίστοιχων bits των καταχωρητών P1IE ή P2IE. Όταν ένας ακροδέκτης θύρας επιλεγεί σαν είσοδος σε ένα περιφερειακό, το σήμα εισόδου στο περιφερειακό είναι μια μανδαλωμένη αναπαράσταση του σήματος στον ακροδέκτη της συσκευής. Οσο το bit PxSELx είναι 1, το σήμα της εσωτερικής εισόδου ακολουθεί το σήμα στον ακροδέκτη. Άλλα αν το bit PxSELx γίνει 0 η είσοδος στο περιφερειακό διατηρεί την τιμή του σήματος εισόδου στη συσκευή πριν γίνει reset το bit PxSELx. Διακοπές P1 και P2 Κάθε pin στις θύρες P1 και P2 έχει ικανότητα διακοπής, η οποία καθορίζεται με τους καταχωρητές PxIFG, PxIE, και PxIES. Όλα τα pins της θύρας P1 παράγουν ένα μοναδικό διάνυσμα διακοπής, και όλα τα pins της θύρας P2 διαφορετικό. Ο καταχωρητής PxIFG μπορεί να ελεγχθεί για να καθοριστεί η πηγή μιας P1 ή P2 διακοπής. Καταχωρητές Σημαίας Διακοπής P1IFG και P2IFG Κάθε PxIFGx bit είναι η σημαία διακοπής για το αντίστοιχο pin εισόδου/εξόδου και γίνεται set όταν η παρυφή του επιλεγμένου σήματος εισόδου φθάσει στο pin. Όλες οι PxIFGx σημαίες διακοπής κάνουν αίτηση διακοπής όταν τα αντίστοιχα PxIE bits και το GIE bit γίνουν set. Κάθε PxIFG σημαία πρέπει να γίνεται reset με λογισμικό. Το λογισμικό μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει κάθε PxIFG σημαία, δημιουργώντας μία μια διακοπή που αρχικοποιείται από λογισμικό. Bit = 0 : Καμία διακοπή δεν εκρεμμεί Bit = 1 : Μία διακοπή εκρεμμεί Μόνο μεταβάσεις προκαλούν διακοπές, όχι στατικά επίπεδα. Αν οποιαδήποτε σημαία PxIFGx γίνει set κατά τη διάρκεια μιας Px ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής, ή γίνει set μετά την εκτέλεση της εντολής RETI κάποιας Px ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής, η ενεργοποιημένη σημαία PxIFGx γεννά μια νέα διακοπή. Αυτό εξασφαλίζει ότι κάθε μετάβαση αναγνωρίζεται. Γράψιμο στους καταχωρητές P1OUT, P1DIR, P2OUT, P2DIR μπορεί να οδηγήσει σε ενεργοποίηση των αντίστοιχων P1IFG ή P2IFG σημαιών. Κάθε εξωτερικό περιστατικό διακοπής θα πρέπει να διαρκεί τουλάχιστον 1,5 φορά το χρόνο MCLK ή περισσότερο, ώστε να εξασφαλίζεται ότι είναι αποδεκτό και ότι η αντίστοιχη σημαία διακοπής έχει ενεργοποιηθεί. Καταχωρητές Επιλογής Παρυφής Διακοπής P1IES και P2IES Κάθε bit των καταχωρητών PxIES επιλέγει το είδος της παρυφής διακοπής για τον αντίστοιχο

107 ακροδέκτη εισόδου/εξόδου. Bit = 0 : Η σημαία PxIFGx ενεργοποιείται με ανερχόμενη παρυφή Bit = 1 : Η σημαία PxIFGx ενεργοποιείται με κατερχόμενη παρυφή Γράψιμο στους καταχωρητές P1IES ή P2IES μπορεί να οδηγήσει σε ενεργοποίηση των αντίστοιχων σημαιών διακοπής.

108 Καταχωρητές Επίτρεψης Διακοπής P1IE, P2IE Κάθε bit PxIE επιτρέπει την αντίστοιχη PxIFG σημαία διακοπής. Bit = 0 : Η διακοπή καθίσταται αδύνατη Bit = 1 : Η διακοπή καθίσταται δυνατή Καταχωρητές των Ψηφιακών Εισόδων/Εξόδων Επτά καταχωρητές χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό των θυρών P1 και P2. Τέσσερις καταχωρητές χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό των θυρών P3 P6. Οι καταχωρητές των ψηφιακών εισόδων/εξόδων κατηγοριοποιούνται στον πίνακα 4.19.

109 Πίνακας 4.19 : Καταχωρητές των ψηφιακών εισόδων/εξόδων

110 4.6 ΧΡΟΝΙΣΤΗΣ_Α (TIMER_A) Εισαγωγή Ο Χρονιστής_Α είναι ένας 16-bit χρονιστής/μετρητής με τρεις capture/compare καταχωρητές. Ο Timer_A μπορεί να υποστηρίξει πολλαπλές συλλήψεις/συγκρίσεις, πολλαπλές PWM εξόδους, και πολλαπλά διαστήματα χρόνου. Ο Timer_A έχει επίσης εκτενείς ικανότητες διακοπής. Οι διακοπές μπορεί να προκύπτουν από το μετρητή σε συνθήκες υπερχείλισης και από τους καταχωρητές σύλληψης/σύγκρισης. Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του Timer_A είναι τα παρακάτω: Ασύγχρονος 16-bit χρονιστής/μετρητής με τέσσερις τρόπους λειτουργίας Επιλέξιμη και διαμορφώσιμη πηγή ρολογιού Τρεις διαμορφώσιμους καταχωρητές σύλληψης/σύγκρισης Διαμορφώσιμες εξόδους με PWM ικανότητα Ασύγχρονη μανδάλωση εισόδων και εξόδων Διανυσματικός καταχωρητής διακοπών για γρήγορη αποκωδικοποίηση όλων των διακοπών του Timer_A Το block diagram του Timer_A φαίνεται στο σχήμα 4.25

111 Σχήμα 4.25 : Block diagram του Timer_A Λειτουργία του Χρονιστή_Α 16-Bit Χρονιστής μετρητής Ο 16-bit καταχωρητής του χρονιστή/μετρητή, TAR, αυξάνεται ή μειώνεται (εξαρτάται από τον τρόπο λειτουργίας) με κάθε ανερχόμενη παρυφή του σήματος ρολογιού. Ο καταχωρητής TAR μπορεί να διαβαστεί ή να γραφεί με λογισμικό. Επιπρόσθετα ο χρονιστής μπορεί να προκαλέσει μια διακοπή όταν υπερχειλίσει. Ο TAR μπορεί να σβηστεί θέτοντας το TACLR bit. Το θέσιμο του TACLR bit σβήνει επίσης το διαιρέτη ρολογιού και τη διεύθυνση μετρήματος για τον up/down τρόπο λειτουργίας.

112 Επιλογή Πηγής Ρολογιού και Διαιρέτη Το ρολόι του χρονιστή TACLK μπορεί να τροφοδοτηθεί από τα ACLK, SMCLK, ή εξωτερικά μέσω του TACLK ή του INCLK. Η πηγή ρολογιού επιλέγεται με τα Tassel bits. Η επιλεγμένη πηγή ρολογιού μπορεί να περνά απ'ευθείας στον timer ή να διαιρείται δια 2,4, ή 8 χρησιμοποιώντας τα IDx bits. Ο διαιρέτης του TACLK γίνεται reset όταν το σήμα TACLR γίνεται set. Έναυση του timer O timer μπορεί να εκκινήσει ή να επανεκκινήσει με τους δύο ακόλουθους τρόπους: Ο timer μετράει όταν Mcx > 0 και η πηγή ρολογιού είναι ενεργή. Όταν ο τρόπος μέτρησης είναι είτε up είτε up/down, ο timer μπορεί να σταματήσει γράφοντας 0 στο TACCR0. Ο timer μπορεί να επανεκκινήσει γράφοντας μια μη μηδενική τιμή στο TACCR0. Σε αυτή την περίπτωση, ο timer ξεκινά αυξάνοντας προς τη θετική κατεύθυνση από το μηδέν. Έλεγχος του τρόπου μέτρησης Ο timer έχει τέσσερις τρόπους λειτουργίας όπως περιγράφεται στον πίνακα 4.20 : στάση, πάνω, συνεχής, πάνω/κάτω. Ο τρόπος λειτουργίας επιλέγεται με τα MCx bits. MCx Τρόπος λειτουργίας Περιγραφή 00 Στάση Ο χρονιστής είναι σταματημένος. 01 Πάνω Ο χρονιστής μετρά επαναλαμβανόμενα από το μηδέν μέχρι την τιμή TACCR0. 10 Συνεχής Ο χρονιστής μετρά επαναλαμβανόμενα από το μηδέν μέχρι το 0FFFFh. 11 Πάνω/κάτω Ο χρονιστής μετρά επαναλαμβανόμενα από το μηδέν προς τα πάνω μέχρι την τιμή TACCR0 και προς τα πίσω μέχρι το μηδέν. Πίνακας 4.20 : Τρόποι μέτρησης Τρόπος μέτρησης προς τα πάνω (Up Mode) Ο τρόπος μέτρησης προς τα πάνω χρησιμοποιείται όταν η περίοδος μέτρησης του timer είναι διαφορετική από (0FFFFh) κύκλους ρολογιού. Ο timer επανειλημμένα μετρά προς τα πάνω μέχρι την τιμή του καταχωρητή σύγκρισης TACCR0, η οποία καθορίζει την περίοδο, όπως φαίνεται και στο σχήμα Ο αριθμός των κύκλων μηχανής σε μια περίοδο είναι TACCR0+1. Όταν η τιμή του timer γίνει ίση με την τιμή του TACCR0 ο timer επανεκινεί μετρώντας από το μηδέν. Αν ο τρόπος μέτρησης προς τα πάνω επιλεγεί όταν η τιμή του timer είναι μεγαλύτερη από την τιμή του TACCR0, ο timer επανεκινεί αμέσως μετρώντας από το μηδέν.

113 Σχήμα 4.26 : Τρόπος μέτρησης προς τα πάνω Η TACCR0 CCIFG σημαία διακοπής γίνεται set όταν ο timer μετρήσει μέχρι την τιμή του TACCR0. Η σημαία διακοπής TAIFG γίνεται set όταν ο timer μετρήσει από την τιμή TACCR0 έως το μηδέν. Το σχήμα 4.27 παρουσιάζει τον κύκλο ενεργοποίησης των σημαιών. Σχήμα 4.27 : Ενεργοπόιηση των σημαιών στον τρόπο μέτρησης προς τα πάνω Μεταβολή του Καταχωρητή Περιόδου TACCR0 Όταν αλλάζουμε τον TACCR0 ενώ ο timer τρέχει, αν η νέα περίοδος είναι μεγαλύτερη ή ίση της παλιάς, ή μεγαλύτερη από την τρέχουσα τιμή αρίθμησης, ο timer μετρά προς τα πάνω μέχρι την νέα περίοδο. Αν η νέα περίοδος είναι μικρότερη από την τρέχουσα τιμή αρίθμησης, ο timer μηδενίζεται. Αν και μια επιπλέον μέτρηση μπορεί να προκύψει πριν ο timer πέσει στο μηδέν. Συνεχής Τρόπος Μέτρησης Στο συνεχή τρόπο μέτρησης, ο timer επανειλημμένα μετρά προς τα πάνω μέχρι την τιμή 0FFFFh και επανεκινεί από το μηδέν όπως φαίνεται στο σχήμα Ο καταχωρητής σύλληψης/σύγκρισης TACCR0 όπως οι άλλοι καταχωρητές σύλληψης/σύγκρισης.

114 Σχήμα 4.28 : Συνεχής Τρόπος Μέτρησης Η σημαία διακοπής TAIFG γίνεται set όταν ο timer μετρήσει από το 0FFFFh στο μηδέν. Το σχήμα 4.29 δείχνει τον κύκλο ενεργοποίησης των σημαιών. Σχήμα 4.29 : Ενεργοπόιηση των σημαιών στο συνεχή τρόπο μέτρησης Χρήση του συνεχούς τρόπου μέτρησης Ο συνεχής τρόπος μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ανεξάρτητων διαστημάτων χρόνου και συχνοτήτων εξόδου. Κάθε φορά που ένα διάστημα ολοκληρώνεται, προκύπτει μία διακοπή. Το επόμενο χρονικό διάστημα προστίθεται στον καταχωρητή TACCRx στη ρουτίνα εξυπηρέτησης διακοπής. Το σχήμα 4.30 δείχνει δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα t 0 και t1 που προστίθενται στους καταχωρητές σύλληψης/σύγκρισης. Με αυτή τη χρήση το χρονικό διάστημα ελέγχεται από το hardware, όχι από το λογισμικό, χωρίς αντίκτυπο από κάποια πιθανή λανθάνουσα κατάσταση διακοπής. Μέχρι τρία ανεξάρτητα χρονικά διαστήματα ή συχνότητες εξόδου μπορούν να παραχθούν χρησιμοποιώντας και τους τρεις καταχωρητές σύλληψης/σύγκρισης.

115 Σχήμα 4.30 : Χρονικά διαστήματα συνεχούς τρόπου μέτρησης Διαστήματα χρόνου μπορούν να παραχθούν και με άλλους τρόπους μέτρησης, όπου ο TACCR0 χρησιμοποιείται σαν καταχωρητής περιόδου. Ο χηρισμός τους είναι πιο πολύπλοκος αφού το άθροισμα των παλιών δεδομένων του TACCRx και της νέας περιόδου ενδεχομένως να είναι μεγαλύτερο από την τιμή του TACCR0. Όταν η προηγούμενη τιμή του TACCRx συν το διάστημα t x είναι μεγαλύτερη από το περιεχόμενο του TACCR0, η τιμή του TACCR0 πρέπει να αφαιρείται ώστε να λαμβάνεται το σωστό χρονικό διάστημα. Τρόπος Μέτρησης Πάνω/Κάτω Ο τρόπος μέτρησης πάνω/κάτω χρησιμοποιείται αν η χρονική περίοδος πρέπει να είναι διαφορετική από 0FFFFh κύκλους μηχανής, ή αν χρειάζεται παραγωγή συμμετρικών παλμών. Ο timer μετρά επανειλημμένα προς τα πάνω μέχρι την τιμή του κατχωρητή σύγκρισης TACCR0 και πίσω μέχρι το 0 όπως φαίνεται και στο σχήμα Η περίοδος είναι διπλάσια της τιμής στον TACCR0. Σχήμα 4.31 : Τρόπος μέτρησης πάνω/κάτω Η κατεύθυνση μέτρησης μανδαλώνεται. Αυτό επιτρέπει στον timer να σταματάει και μετά να επανεκινεί προς την ίδια διεύθυνση που μέτραγε πριν σταματήσει. Στον τρόπο μέτρησης πάνω/κάτω, οι σημαίες διακοπής TACCR0 CCIFG και TAIFG γίνονται set μόνο μια φορά κατά τη διάρκεια μιας περιόδου. Η σημαία διακοπής TACCR0 CCIFG γίνεται set όταν ο timer μετρήσει από το TACCR0-1 στο TACCR0, και η σημαία TAIFG όταν ο timer ολοκληρώσει το μέτρημα προς τα κάτω από το 0001h στο 0000h. Το σχήμα 4.32 δείχνει τον κύκλο ενεργοποίησης των σημαιών.

116 Σχήμα 4.32 : Ενεργοποίηση των σημαιών στον πάνω/κάτω τρόπο μέτρησης Μεταβολή του καταχωρητή περιόδου TACCR0 Όταν μεταβάλλουμε τον TACCR0 ενώ το timer τρέχει και μετρά προς τα κάτω, ο timer συνεχίζει να κατεβαίνει μέχρι να φθάσει στο μηδέν. Η νέα περίοδος επηρεάζεται αφού ο timer μετρήσει προς τα κάτω μέχρι το μηδέν. Όταν ο timer μετρά προς τα πάνω και η νέα περίοδος είναι μεγαλύτερη ή ίση με την παλιά, ή μεγαλύτερη από την τρέχουσα τιμή μέτρησης, ο timer μετρά προς τα πάνω μέχρι τη νέα περίοδο πριν αλλάξει φορά μέτρησης. Όταν ο timer μετρά προς τα πάνω και η νέα περίοδος είναι μικρότερη από τημ τρέχουσα τιμή μέτρησης, ο timer αρχίζει να μετρά προς τα κάτω. Εντούτοις, μια επιπλέον μέτρηση μπορεί να προκύψει πριν ο μετρητής αρχίσει να μετρά προς τα κάτω. Τμήματα σύλληψης/σύγκρισης Τρία ίδια τμήματα σύλληψης/σύγκρισης, TACCRx, παρουσιάζονται στον Timer_A. Οποιοδήποτε από αυτά τα τμήματα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συλλάβει τα δεδομένα χρόνου, ή να δημιουργήσει διαστήματα χρόνου. Λειτουργία σύλληψης Η λειτουργία σύλληψης επιλέγεται όταν CAP=1. Η λειτουργία σύλληψης χρησιμοποιείται για καταγραφή χρονικών γεγονότων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ταχείς υπολογισμούς ή μετρήσεις χρόνου. Οι είσοδοι σύλληψης CCIxA και CCIxB συνδέονται σε εξωτερικούς ακροδέκτες ή εσωτερικά σήματα και επιλέγονται με τα CCISx bits. Τα CΜx bits επιλέγουν την ανοδική ή την καθοδική παρυφή σύλληψης του σήματος εισόδου, ή και τις δύο. Μια σύλληψη προκύπτει στην επιλεγμένη παρυφή του σήματος εισόδου. Αν προκύψει σύλληψη : Η τιμή του timer αντιγράφεται στον καταχωρητή TACCRx Η σημαία διακοπής CCIFG γίνεται set To σήμα σύλληψης μπορεί να είναι ασύγχρονο με το ρολόι. Η ενεργοποίηση του SCS bit θα συγχρονίσει το σήμα σύλληψης με τον επόμενο παλμό ρολογιού. Αυτή η διαδικασία απεικονίζεται στο σχήμα 4.33.

117 Σχήμα 4.33 : Σήμα σύλληψης (SCS=1) Η λογική της υπερχείλισης παρέχεται σε κάθε καταχωρητή σύλληψης/σύγκρισης για υποδείξει αν κάποια δεύτερη σύλληψη έχει εκτελεστεί πριν διαβαστεί η τιμή από την πρώτη. Το bit COV γίνεται set όταν κάτι τέτοιο συμβαίνει όπως φαίνεται και στο σχήμα Το bit COV πρέπει να αναστοιχειοθετηθεί με λογισμικό. Σχήμα 4.34 : Κύκλος σύλληψης Σύλληψη αρχικοποιημένη με λογισμικό Συλλήψεις μπορούν να αρχικοποιηθούν με λογισμικό. Τα CMx bits μπορούν να ενεργοποιηθούν για σύλληψη και στις δύο παρυφές. Το λογισμικό τότε θέτει CCIS1=1 και αναβοσβήνει το bit CCIS0 έτσι ώστε να εναλλάσεται το σήμα σύλληψης μεταξύ του VCC και του GRD, αρχικοποιώντας μια σύλληψη κάθε φορά που το CCSI0 αλλάζει κατάσταση. Λειτουργία σύγκρισης Η λειτουργία σύγκρισης επιλέγεται όταν CAP=0. Χρησιμοποιείται για την παραγωγή PWM σημάτων εξόδου ή διακοπών σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Όταν το TAR μετρά μέχρι την τιμή σ'ένα TACCRx : H σημαία διακοπής CCIFG γίνεται set To εσωτερικό σήμα EQUx=1 Το EQUx επηρεάζει την έξοδο αναλόγως με τη λειτουργία εξόδου Το σήμα εισόδου CCI μανδαλώνεται μέσα στο SCCI Διακοπές του Timer_A Δύο διανύσματα διακοπής είναι συνδεδεμένα με την 16-bit ενότητα του Τimer_A : το διάνυσμα TACCR0 για τη σημαία TACCR0 CCIFG το διάνυσμα TAIV για όλες τις άλλες CCIFG σημαίες και για τη σημαία TAIFG

118 Στη λειτουργία σύλληψης οποιαδήποτε CCIFG σημαία ενεργοποιείται όταν μια τιμή του timer συλλαμβάνεται στον αντίστοιχο TACCRx καταχωρητή. Στη λειτουργία σύγκρισης, οποιαδήποτε CCIFG σημαία ενεργοποιείται όταν ο ΤΑR μετρήσει μέχρι την αντίστοιχη τιμή του TACCRx. Λογισμικό μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει οποιαδήποτε CCIFG σημαία. Όλες οι CCIFG σημαίες απαιτούν διακοπή όταν ενεργοποιούνται τα αντίστοιχα CCIE και GIE bits τους. Διακοπή TACCR0 Η σημαία TACCR0 CCIFG έχει την υψηλότερη προτεραιότητα από τις διακοπές του Timer_A και έχει ένα αφιερωμένο διάνυσμα διακοπής όπως φαίνεται στο σχήμα Η σημαία TACCR0 CCIFG γίνεται αυτομάτως reset όταν η αίτηση διακοπής του TACCR0 εξυπηρετηθεί. Σχήμα 4.35 : Σημαία διακοπής σύλληψης/σύγκρισης ΤΑCCR0 Γεννήτρια διανυσμάτων διακοπής TAIV Οι σημαίες TACCR1 CCIFG, TACCR2 CCIFG και TAIFG πέρνουν προτεραιότητα και συνδυάζονται για να τροφοδοτήσουν ένα ενιαίο διάνυσμα διακοπής. Ο καταχωρητής του διανύσματος διακοπής χρησιμοποιείται για να καθορίσει ποια σημαία ζήτησε διακοπή. Η ενεργοποιημένη διακοπή με την υψηλότερη προτεραιότητα γεννά έναν αριθμό στον καταχωρητή TAIV. Αυτός ο αριθμός μπορεί να αξιολογηθεί από το μετρητή προγράμματος ώστε να εισαχθεί αυτόματα η κατάλληλη ρουτίνα προγράμματος. Οι απενεργοποιημένες διακοπές του Timer_A δεν επηρεάζουν την τιμή του TAIV. Κάθε πρόσβαση, ανάγνωση ή εγγραφή, στον καταχωρητή TAIV αυτόματα επαναστοιχειοθετεί την υψηλότερη εν αναμονή σημαία διακοπής. Αν κάποια άλλη σημαία διακοπής ενεργοποιηθεί, μια άλλη διακοπή προκύπτει αμέσως αφού εξυπηρετηθεί η αρχική διακοπή Καταχωρητές του Timer_A Οι καταχωρητές του Timer_A παρατίθενται στον πίνακα 4.21:

119 Πίνακας 4.21 : Καταχωρητές του Timer_A TACTL, Καταχωρητής ελέγχου του Timer_A Unused bits Unused TASSELx bits 9-8 Timer_A clock source select.επιλέγει την πηγή ρολογιού του Timer_A 00 TACLK 01 ACLK 10 SMCLK 11 INCLK IDx bits 7-6 Input diveder. Αυτά τα bits επιλέγουν το διαιρέτη για το ρολόι εισόδου. 00 /1 01 /2 10 /4 11 /8 MCx bits 5-4 Μode control. Θέτοντας MCx = 00h, όταν ο Timer_A δε χρησιμοποιείται εξοικονομούμε ενέργεια. 00 παύση: ο timer σταματά 01 λειτουργία προς τα πάνω: ο timer μετρά προς τα πάνω μέχρι το TACCR0 10 συνεχής λειτουργία: ο timer μετρά μέχρι το 0FFFFh 11 λειτουργία πάνω/κάτω: ο timer μετρά μέχρι το TACCR0 και μετά προς τα κάτω μέχρι το 0000h Unused bit 3 Unused TACLR bit 2 Timer_A clear. Θέτοντας αυτό το bit αναστοιχειοθετούνται o TAR, o διαιρέτης TACLK, και η κατεύθυνση μέτρησης. Το bit ΤΑCLR αναστοιχειοθετείται αυτόματα και πάντα διαβάζεται σα μηδέν. TAIE bit 1 Timer_A interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει την αίτηση διακοπής TAIFG. 0 Διακοπή απενεργοποιημένη 1 Διακοπή ενεργοποιημένη TAIFG bit 0 Timer_A interrupt flag 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή TAR, Καταχωρητής του Timer_A

120 Unused bits 15-0 Timer_A register. O καταχωρητής TAR είναι ο μετρητής του Timer_A. TACCTLx, Καταχωρητής Ελέγχου σύλληψης/σύγκρισης CMx bit Capture mode 00 Καμία σύλληψη 01 Σύλληψη στην ανοδική παρυφή 10 Σύλληψη στην καθοδική παρυφή 11 Σύλληψη και στην ανοδική και στην καθοδική παρυφή CCISx bit Capture/compare input select. Αυτά τα bits επιλέγουν το σήμα εισόδου του TACCRx. 00 CCIxA 01 CCIxB 10 GND 11 VCC SCS bit 11 Synchronized capture source. Aυτό το bit χρησιμοποιείται για να συγχρονίσει το σήμα εισόδου σύλληψης με το ρολόι. SCCI bit 10 Synchronized capture/compare input.το επιλεγμένο CCI σήμα εισόδου μανδαλώνεται με το EQUx σήμα και μπορεί να διαβαστεί μέσω αυτού του bit Unused bit 9 Unused. Μόνο για ανάγνωση. Πάντα διαβάζεται ως 0. CAP bit 8 Capture mode. 0 Compare mode 1 Capture mode

121 OUTMODx bit 7-5 Output mode. Oι λειτουργίες 2,3,6,και 7 δε χρησιμοποιούνται για το TACCR0 διότι EQUx = EQU OUT bit value 001 Set 010 Toggle/reset 011 Set/reset 100 Toggle 101 Reset 110 Toggle/set 111 Reset/set CCIE bit 4 Capture/compare interrupt enable. Aυτό το bit επιτρέπει την αίτηση διακοπής από την αντίστοιχη CCIFG σημαία. 0 Διακοπή απενεργοπιημένη 1 Διακοπή ενεργοποιημένη CCI bit 3 Capture/compare input. Το επιλεγμένο σήμα εισόδου μπορεί να διαβαστεί από αυτό το bit. OUT bit 2 Output. Για τη λειτουργία εξόδου 0, αυτό το bit ελέγχει άμεσα την κατάσταση της εξόδου. 0 Οutput low 1 Output high COV bit 1 Capture overflow. Aυτό το bit υποδεικνύει ότι έχει συμβεί μια υπερχείλιση σύλληψης. Το COV πρέπει να αναστοιχειοθετείται με λογισμικό. 0 Καμία υπερχείλιση σύλληψης δεν έχει προκύψει 1 Έχει προκύψει υπερχείλιση σύλληψης CCIFG bit 0 Capture/compare interrupt flag. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή TAIV, Timer_A Interrupt Vector Register TAIVx bit 15-0 Timer_A Interrupt Vector value

122 4.7 ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗ ΔΙΕΠΑΦΗ USART, Λειτουργία SPI Η καθολική σύγχρονη/ασύγχρονη περιφερειακή διεπαφή λήψης/μετάδοσης USART (synchronous/asynchronous receive/transmit peripheral interface) υποστηρίζει δύο σειριακές λειτουργίες με μία ενότητα υλικού. Παρακάτω παρουσιάζεται η λειτουργία της σύγχρονης περιφερειακής διεπαφής (SPI mode). Oι περισσότερες συσκευές MSP430 συσκευές διαθέτουν τη διεπαφή USART0. Οι συσκευές MSP430x16x έχουν μια δεύτερη ίδια USART ενότητα, την USART Εισαγωγή: SPI Mode Στη σύγχρονη λειτουργία, η διεπαφή USART συνδέει τον MSP430 σε ένα εξωτερικό σύστημα μέσω τριών ή τεσσάρων pins: SIMO, SOMI, UCLK, και STE. Η λειτουργία SPI επιλέγεται όταν το bit SYNC γίνει set και το bit I2C σβήσει. Tα χαρακτηριστικά της SPI διεπαφής περιλαμβάνουν: Μήκος δεδομένων 7 ή 8 bits SPI λειτουργία των 3 pin και των 4 pin Μaster ή slave λειτουργίες Ανεξάρτητους καταχωρητές ολίσθησης μετάδοσης και λήψης Ξεχωριστούς καταχωρητές απομονωτές για μετάδοση και για λήψη Επιλέξιμος έλεγχος της πολικότητας και της φάσης του UCLK Προγραμματιζόμενη συχνότητα του UCLK στη master λειτουργία Ανεξάρτητη ικανότητα διακοπής για μετάδοση και λήψη Το σχήμα 4.36 δείχνει την USART διεπαφή όταν καθορίζεται για SPI λειτουργία.

123

124

125

126

127 Σχήμα 4.36 : USART Block Diagram: SPI Mode Λειτουργία USART: SPI Mode Στη λειτουργία SPI, σειριακά δεδομένα μεταδίδονται και λαμβάνονται από πολλαπλές συσκευές χρησιμοποιώντας ένα κοινό ρολόι από τον κύριο. Ένα επιπρόσθετο bit, STE, παρέχεται ώστε να επιτρέπει μια συσκευή να λαμβάνει και να μεταδίδει δεδομένα και ελέγχεται από τον κύριο. Τρία ή τέσσερα σήματα χρησιμοποιούνται για την ανταλλαγή δεδομένων SPI: SIMO Slave in, master out Master mode: η SIMO είναι η γραμμή εξόδου των δεδομένων. Slave mode: η SIMO είναι η γραμμή εισόδου των δεδομένων. SΟMΙ Slave out, master in Master mode: η SΟMΙ είναι η γραμμή εισόδου των δεδομένων. Slave mode: η SΟMΙ είναι η γραμμή εξόδου των δεδομένων. UCLK USART SPI clock

128 Master mode: η UCLK είναι μια έξοδος. Slave mode: η UCLK είναι μια είσοδος. STE Slave transmit enable. Χρησιμοποιείται στη λειτουργία των 4 pin για να επιτρέπει πολλαπλούς κυρίους σε ένα κοινό διάδρομο. Δε χρησιμοποιείται σε λειτουργία των 3 pin. 4-pin master mode: Όταν το STE είναι high, τα SIMO και UCLK λειτουργούν κανονικά. Όταν το STE είναι low, τα SIMO και UCLK αρχικοποιούνται στην κατεύθυνση εισόδου. 4-pin slave mode: Όταν το STE είναι high, η RX/TX λειτουργία του slave απενεργοποιείται και το σήμα SOMI αναγκάζεται να γυρίσει σε κατεύθυνση εισόδου. Όταν το STE είναι low, η RX/TX λειτουργία του slave ενεργοποιείται και το σήμα SOMI λειτουργεί κανονικά. Αρχικοποίηση και επαναστοιχειοθέτηση της USART Η διεπαφή USART επαναστοιχειοθετείται από το PUC ή από το SWRST bit. Μετά από την ενεργοποίηση του PUC, το bit SWRST αυτόματα ενεργοποιείται, διατηρώντας την USART σε μια κατάσταση αναστοιχειοθέτησης. Όταν ενεργοποιηθεί, το SWRST bit αναστοιχειοθετεί τα URXIEx, UTXIEx, OE, και FE bits και ενεργοποιεί τη UTXIFGx σημαία. Το bit USPIEx δεν αλλάζει από το SWRST. Το σβήσιμο του SWRST αφήνει τη διεπαφή USART να λειτουργήσει. Master mode Σχήμα 4.37 : Κύριος η διεπαφή USART και δούλος η εξωτερική συσκευή Το σχήμα 4.37 δείχνει τη διεπαφή USART σαν κύριο τόσο στη διαμόρφωση 3 pin όσο και στη διαμόρφωση 4 pin. Η USART αρχίζει τη μεταφορά των δεδομένων μόλις αυτά έχουν μετακινηθεί στον απομονωτή διαβίβασης δεδομένων UxTXBUF. Τα δεδομένα του UxTXBUF μετακινούνται στον TX καταχωρητή ολίσθησης με την προϋπόθεση ότι αυτός είναι άδειος, εκκινώντας έτσι τη μεταφορά δεδομένων στο SIMO από το πιο σημαντικό bit. Τα δεδομένα στο SOMI ολισθαίνουν στον καταχωρητή ολίσθησης λήψης στην αντίθετη παρυφή του ρολογιού, ξεκινώντας από το πιο σημαντικό bit. Όταν ο χαρακτήρας έχει ληφθεί, τα δεδομένα μετακινούνται από τον καταχωρητή ολίσθησης RX στον απομονωτή λαμβανόμενων δεδομένων UxRXBUF και η σημαία διακοπής λήψης URXIFGx γίνεται set, δείχνοντας ότι η RX/TX λειτουργία έχει ολοκληρωθεί. Μια ενεργοποίηση της σημαίας διακοπής διαβίβασης, UTXIFGx, δείχνει ότι δεδομένα έχουν μετακινηθεί από τον UxTXBUF στον TX καταχωρητή ολίσθησης και ότι ο UxTXBUF είναι έτοιμος για νέα δεδομένα. Δε δείχνει ολοκλήρωση της RX/TX λειτουργίας.

129 Για να λάβουμε δεδομένα στη διεπαφή USART στον master mode, τα δεδομένα πρέπει να γραφούν στον UxTXBUF διότι οι λειτουργίες λήψης και διαβίβασης συμβαίνουν ταυτόχρονα. Four-Pin SPI Master Mode Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, το σήμα STE χρησιμοποιείται για να αποτρέπει αντιδικίες με κάποιον άλλο κύριο. Ο κύριος λειτουργεί κανονικά όταν το STE είναι high. Όταν το STE είναι low: Τα SIMO και UCLK γίνονται είσοδοι και δεν οδηγούν πια το διάδρομο Το bit σφάλματος FE ενεργοποιείται υποδεικνύοντας ότι μια παραβίαση της ακεραιότητας επικοινωνίας πρέπει να αντιμετωπιστεί από το χρήστη. Ένα χαμηλό σήμα STE δεν επαναστοιχειοθετεί την ενότητα USART. Το σήμα εισόδου STE δε χρησιμοποιείται στον 3-pin master mode. Slave mode

130 Σχήμα 4.38 : Υπηρέτης η διεπαφή USART και κύριος η εξωτερική συσκευή Το σχήμα 4.38 δείχνει τη διεπαφή USART σαν υπηρέτη τόσο στη διαμόρφωση 3 pin όσο και στη διαμόρφωση 4 pin. Το UCLK χρησιμοποιείται σαν είσοδος για το SPI ρολόι και πρέπει να τροφοδοτείται από τον εξωτερικό κύριο. Ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων καθορίζεται από αυτό το ρολόι και όχι από την εσωτερική γεννήτρια του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Τα δεδομένα γράφονται στον UxTXBUF και μετακινούνται στον TX καταχωρητή ολίσθησης πριν η εκκίνηση του UCLK μεταβιβαστεί στο SOMI. Τα δεδομένα στο SIMO ολισθαίνουν στον καταχωρητή ολίσθησης λήψης στην αντίθετη παρυφή του ρολογιού και μετακινούνται στο UxRXBUF όταν ο καθορισμένος αριθμός δεδομένων έχει ληφθεί. Όταν τα δεδομένα μετακινούνται από τον καταχωρητή ολίσθησης RX στον απομονωτή UxRXBUF, η σημαία διακοπής URXIFGx γίνεται set, δείχνοντας ότι τα δεδομένα έχουν ληφθεί. Το bit λάθους υπέρβασης, ΟΕ, ενεργοποιείται όταν τα προηγούμενα ληφθέντα δεδομένα δεν έχουν διαβαστεί από τον UxRXBUF πριν μετακινηθούν σε αυτόν νέα. Four-Pin SPI Slave Mode Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, το σήμα STE χρησιμοποιείται από τον υπηρέτη για να επιτρέψει τις λειτουργίες μετάδοσης και λήψης και παρέχεται από τον SPI κύριο. Όταν το STE είναι low, ο υπηρέτης λειτουργεί κανονικά. Όταν το STE είναι high: Το SΟMΙ γίνεται είσοδος Οποιαδήποτε υπό εξέλιξη λειτουργία λήψης σταματάει. Ένα ηψηλό σήμα STE δεν επαναστοιχειοθετεί την ενότητα USART. Το σήμα εισόδου STE δε χρησιμοποιείται στον 3-pin master mode. Επίτρεψη σύγχρονης περιφερειακής διεπαφής (SPI Enable) To bit επίτρεψης της SPI μετάδοσης/λήψης USPIEx επιτρέπει ή αποτρέπει την USART στον SPI τρόπο λειτουργίας. Όταν το USPIEx = 0, η USART σταματά να λειτουργεί αφού η τρέχουσα μετάδοση ολοκληρωθεί, ή αμέσως σε περίπτωση που δεν υπάρχει ενεργή λειτουργία. Ένα σήμα PUC ή η ενεργοποίηση του bit SWRST απενεργοποιεί την USART αμέσως και οποιαδήποτε ενεργή μετακίνηση τερματίζεται. Επίτρεψη μετάδοσης Όταν USPIEx = 0, οποιαδήποτε περαιτέρω εγγραφή στον UxTXBUF δε μεταδίδεται. Τα δεδομένα που έχουν γραφεί στον UxTXBUF θα αρχίσουν να μεταδίδονται όταν USPIEx = 1 και η πηγή BRCLK είναι ενεργή. Τα σχήματα 4.39 και 4.40 δείχνουν τα διαγράμματα κατάστασης της επίτρεψης μετάδοσης.

131 Σχήμα 4.39 : Master Mode Transmit Enable Σχήμα 4.40 : Slave Mode Transmit Enable Επίτρεψη λήψης Τα διαγράμματα κατάστασης της επίτρεψης της SPI λήψης φαίνονται στα σχήματα 4.41 και Όταν USPIEx = 0, το UCLK τίθεται εκτός λειτουργίας από το να ολισθήσει δεδομένα στον RX καταχωρητή ολίσθησης.

132 Σχήμα 4.41 : SPI Master Receive Enable Σχήμα 4.41 : SPI Slave Receive Enable Έλεγχος σειριακού ρολογιού Το UCLK παρέχεται από τον κύριο στον SPI διάδρομο. Όταν ΜΜ = 1, το BITCLK παρέχεται από τη γεννήτρια του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων της USART στον ακροδέκτη UCLK όπως φαίνεται και στο σχήμα Όταν ΜΜ = 0, το ρολόι της USART παρέχεται στον ακροδέκτη UCLK από τον κύριο, η γεννήτρια του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων δε χρησιμοποιείται και τα bits SSELx δεν έχουν σημασία. Οι SPI δέκτης και αποστολέας λειτουργούν παράλληλα και χρησιμοποιούν την ίδια πηγή ρολογιού για μεταφορά δεδομένων.

133 Σχήμα 4.42 : SPI γεννήτρια ρυθμού μετάδοσης δεδομένων Η 16-bit τιμή του UxBR0+UxBR1 είναι ο παράγοντας διαίρεσης της πηγής ρολογιού της USART, BRCLK. O μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων που μπορεί να παραχθεί στο master mode είναι BRCLK/2. O μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων που μπορεί να παραχθεί στο slave mode είναι BRCLK. O διαμορφωτής στη γεννήτρια ρυθμού μετάδοσης δεδομένων της USART δε χρησιμοποιείται στον SPI τρόπο λειτουργίας και καλό είναι να τίθεται 000h. H UCLK συχνοτήτα δίνεται από τον τύπο: Baud rate = BRCLK/UxBR με UxBR = [UxBR1, UxBR2] Πολικότητα και Φάση Σειριακού Ρολογιού Η πολικότητα και η φάση του UCLK είναι ανεξαρτήτως καθορισμένα από τα bits ελέγχου της USART CKPL και CKPH. O χρονισμός για κάθε περίπτωση φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.43 : Χρονισμός USART SPI

134 SPI Διακοπές Η διεπαφή USART έχει ένα διάνυσμα διακοπής για μετάδοση και ένα για υποδοχή. Λειτουργία Διακοπής SPI Μετάδοσης Η σημαία διακοπής UTXIFGx γίνεται set από τον αποστολέα για να υποδείξει ότι ο UxTXBUF είναι έτοιμος να δεχθεί νέο χαρακτήρα. Μια αίτηση διακοπής δημιουργείται αν τα UTXIEx και GIE είναι επίσης ενεργοποιημένα. Η σημαία UTXIFGx επαναστοιχειοθετείται αυτόματα αν η αίτηση διακοπής έχει εξυπηρετηθεί ή αν ένας χαρακτήρας έχει γραφεί στον UxTXBUF. Η UTXIFGx ενεργοποιείται μετά από ένα σήμα PUC ή όταν SWRST=1. To UTXIEx αναστοιχειοθετείται μετά από ένα σήμα PUC ή όταν SWRST=1. Η λειτουργία φαίνεται στο σχήμα 4.44.

135 Σχήμα 4.44 : Λειτουργία Διακοπής Μετάδοσης Λειτουργία Διακοπής SPI Λήψης Η σημαία διακοπής URXIFGx γίνεται set κάθε φορά που ένας χαρακτήρας λαμβάνεται και φορτώνεται στον UxRXBUF όπως φαίνεται στα σχήματα 4.45 και Μια αίτηση διακοπής δημιουργείται αν τα URXIEx και GIE είναι επίσης ενεργοποιημένα. Τα URXIFGx και URXIEx αναστοιχειοθετούνται από ένα σήμα αναστοιχειοθέτησης συστήματος PUC ή όταν SWRST=1. Η σημαία διακοπής URXIFGx αναστοιχειοθετείται αυτόματα αν η αίτηση διακοπής έχει εξυπηρετηθεί ή όταν ο UxRXBUF έχει διαβαστεί. Σχήμα 4.45 : Καταστατικό διάγραμμα Διακοπής Λήψης

136 Σχήμα 4.46 : Λειτουργία Διακοπής Λήψης Καταχωρητές της USART : SPI Mode Οι καταχωρητές της USART, που φαίνονται στους πίνακες 4.22 και 4.23, είναι δομημένοι κατά byte και προσεγγίζονται με χρήση byte εντολών.

137 Πίνακας 4.22 : Καταχωρητές Ελέγχου και Κατάστασης της USART0 Πίνακας 4.23 : Καταχωρητές Ελέγχου και Κατάστασης της USART1 UxCTL, USART Control Register Unused bits 7-6 Unused I2C bit 5 I2C mode enable. Αυτό το bit επιλέγει μια από τις λειτουργίες I 2C και SPI όταν SYNC = 1.

138 0 1 SPI λειτουργία I2C λειτουργία CHAR bit 4 Character length 0 7-bit δεδομένα 1 8-bit δεδομένα LISTEN bit 3 Listen enable.το bit LISTEN επιλέγει τη λειτουργία ανατροφοδότησης 0 Απενεργοποιημένο 1 Ενεργοποιημένο. Το σήμα μετάδοσης ανατροφοδοτείται στον παραλήπτη. SYNC bit 2 Synchronous mode enable 0 UART λειτουργία 1 SPI λειτουργία MM bit 1 Master mode 0 H USARTC είναι υπηρέτης 1 H USARTC είναι δούλος SWRST bit 0 Software reset enable 0 Απενεργοποιημένο. Η USART απελευθερώνεται από reset κατάσταση σε λειτουργία 1 Ενεργοποιημένο.Η USART λογική διατηρείται σε κατάσταση reset UxTCTL, USART Transmit Control Register

139 CKPH bit 7 Clock phase select. Ελέγχει τη φάση του UCLK. 0 Φυσιολογικό σχέδιο χρονομέτρησης UCLK 1 Το UCLK καθυστερεί κατά μισό κύκλο ρολογιού CKPL bit 6 Clock polarity select. 0 Το ανενεργό επίπεδο είναι το χαμηλό τα δεδομένα βγαίνουν στην έξοδο με την ανερχόμενη παρυφή του UCLK τα δεδομένα εισόδου μανδαλώνονται με την κατερχόμενη παρυφή του UCLK. 1 Το ανενεργό επίπεδο είναι το υψηλό τα δεδομένα βγαίνουν στην έξοδο με την κατερχόμενη παρυφή του UCLK τα δεδομένα εισόδου μανδαλώνονται με την ανερχόμενη παρυφή του UCLK. SSELx bits 5-4 Source select. Αυτά τα bits επιλέγουν την πηγή ρολογιού του BRCLK. 00 Εξωτερικό UCLK (έγκυρο μόνο για slave mode) 01 ACLK (έγκυρο μόνο για master mode) 10 SMCLK (έγκυρο μόνο για master mode) 11 SMCLK (έγκυρο μόνο για master mode) Unused bit 3 Unused Unused bit 2 Unused STC bit 1 Slave transmit control. 0 4-pin SPI mode: To STE ενεργοποιημένο. 1 3-pin SPI mode: To STE απενεργοποιημένο. TXEPT bit 0 Transmitter empty flag. Η σημαία TXEPT δε χρησιμοποιείται στο slave mode. 0 Ενεργή μετάδοση και/ή τα δεδομένα περιμένουν στον απομονωτή UxTXBUF 1 O απομονωτής UxTXBUF και ο καταχωρητής ολίσθησης TX είναι άδειοι. UxRCTL, USART Receive Control Register

140

141 FE bit 7 Framing error flag. Αυτό το bit υποδεικνύει μια αντιδικία στο διάδρομο όταν MM = 1 και STC = 0. Το FE χρησιμοποιείται στο slave mode. 0 Δεν έχει ανιχνευθεί αντιδικία 1 Μία αρνητική παρυφή έχει προκύψει στο STE, υποδεικνύοντας αντιδικία διαδρόμου Undefined bit 6 Unused OE bit 5 Overrun error flag. Αυτό το bit γίνεται set όταν ένας χαρακτήρας μεταφερθεί στον UxRXBUF χωρίς να έχει διαβαστεί ο προηγούμενος. Το OE γίνεται αυτόματα reset όταν ο UxRXBUF έχει διαβαστεί, όταν SWRST = 1, ή μπορεί να γίνει reset από λογισμικό. 0 Κανένα λάθος 1 Προέκυψε λάθος υπέρβασης Unused bit 4 Unused Unused bit 3 Unused Unused bit 2 Unused Unused bit 1 Unused Unused bit 0 Unused UxBR0, USART Baud Rate Control Register 0 UxBR0, USART Baud Rate Control Register 1 UxBRx Η γεννήτρια του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων χρησιμοποιεί τα περιεχόμενα του {UxBR1+UxBR0} για να καθορίσει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Απροσδιόριστη SPI λειτουργία προκύπτει

142 όταν UxBR < 2. UxMCTL, USART Modulation Control Register UxMCTLx bits 7-0 O καταχωρητής διαμόρφωσης ελέγχου δε χρησιμοποιείται στoν SPI τρόπο λειτουργίας και θα πρέπει να τίθεται 000h. UxRXBUF, USART Receive Buffer Register UxRXBUF bits 7-0 O απομονωτής λήψης δεδομένων είναι προσπελάσιμος από το χρήστη και περιέχει τον πιο πρόσφατο χαρακτήρα που έχει ληφθεί από τον καταχωρητή ολίσθησης. Η ανάγνωση του UxRXBUF αναστοιχειοθετεί το bit OE και τη σημαία URXIFG. Σε 7-bit data mode ο UxRXBUF θεωρείται LSB με το MSB πάντα reset. UxTXBUF, USART Transmit Buffer Register UxΤXBUF bits 7-0 O απομονωτής μετάδοσης δεδομένων είναι προσπελάσιμος από το χρήστη και περιέχει τα τρέχοντα δεδομένα που πρόκειται να μεταδοθούν. Όταν χρησιμοποιείται 7-bit μήκος χαρακτήρα, τα δεδομένα πρέπει να θεωρούνται MSB πριν μετακινηθούν στον UxTXBUF. Εγγραφή στον UxΤXBUF σβήνει τη σημαία URXIFG. ME1, Module Enable Register 1

143 USPIE0 bit 7 Αυτό το bit μπορεί να χρησιμοποιείται από άλλες ενότητες. bit 6 USART0 SPI enable. Αυτό το bit επιτρέπει τον SPI τρόπο λειτουργίας για την USART0. 0 Η ενότητα δεν επιτρέπεται 1 Η ενότητα επιτρέπεται bits 5-0 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. Does not apply to MSP430x12xx devices. See ME2 for the MSP430x12xx USART0 module enable bit ME2, Module Enable Register 2 USPIE1 USPIE0 bits 7-5 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. bit 4 USART1 SPI enable. Αυτό το bit επιτρέπει τον SPI τρόπο λειτουργίας για την USART1. 0 Η ενότητα δεν επιτρέπεται 1 Η ενότητα επιτρέπεται bits 3-1 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. bit 0 USART0 SPI enable. Αυτό το bit επιτρέπει τον SPI τρόπο λειτουργίας για την USART0. 0 Η ενότητα δεν επιτρέπεται 1 Η ενότητα επιτρέπεται MSP430x12xx devices only IE1, Interrupt Enable Register 1 UTXIE0 bit 7 USART0 transmit interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει τη διακοπή UTXIFG0. 0 Η διακοπή δεν επιτρέπεται 1 Η διακοπή επιτρέπεται URXIE0 bit 6 USART0 receive interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει τη διακοπή URXIFG0. 0 Η διακοπή δεν επιτρέπεται 1 Η διακοπή επιτρέπεται bits 5-0 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. Does not apply to MSP430x12xx devices. See IE2 for the MSP430x12xx USART0 interrupt enable bits

144 IE2, Interrupt Enable Register 2 bits 7-6 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. UTXIE1 bit 5 USART1 transmit interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει τη διακοπή UTXIFG1. 0 Η διακοπή δεν επιτρέπεται 1 Η διακοπή επιτρέπεται URXIE1 bit 4 USART1 receive interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει τη διακοπή URXIFG1. 0 Η διακοπή δεν επιτρέπεται 1 Η διακοπή επιτρέπεται bits 3-2 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. UTXIE0 bit 1 USART0 transmit interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει τη διακοπή UTXIFG0. 0 Η διακοπή δεν επιτρέπεται 1 Η διακοπή επιτρέπεται URXIE0 bit 0 USART0 receive interrupt enable. Αυτό το bit επιτρέπει τη διακοπή URXIFG0. 0 Η διακοπή δεν επιτρέπεται 1 Η διακοπή επιτρέπεται MSP430x12xx devices only IFG1, Interrupt Flag Register 1 UTXIFG0 bit 7 USART0 transmit interrupt flag. H σημαία UTXIFG0 γίνεται set όταν ο U0TXBUF είναι άδειος. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή URXIFG0 bit 6 USART0 receive interrupt flag. H σημαία URXIFG0 γίνεται set όταν ο U0RXBUF έχει λάβει ένα ολόκληρο χαρακτήρα. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή bits 5-0 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. Does not apply to MSP430x12xx devices. See IFG2 for the MSP430x12xx USART0 interrupt flag bits

145 IFG2, Interrupt Flag Register 2 bits 7-6 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. UTXIFG1 bit 5 USART1 transmit interrupt flag. H σημαία UTXIFG1 γίνεται set όταν ο U1TXBUF είναι άδειος. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή URXIFG1 bit 4 USART1 receive interrupt flag. H σημαία URXIFG1 γίνεται set όταν ο U1RXBUF έχει λάβει ένα ολόκληρο χαρακτήρα. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή bits 3-2 Αυτά τα bits μπορεί να χρησιμοποιούνται από άλλες ενότητες. UTXIFG0 bit 1 USART0 transmit interrupt flag. H σημαία UTXIFG0 γίνεται set όταν ο U0TXBUF είναι άδειος. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή URXIFG0 bit 0 USART0 receive interrupt flag. H σημαία URXIFG0 γίνεται set όταν ο U0RXBUF έχει λάβει ένα ολόκληρο χαρακτήρα. 0 Δεν εκκρεμεί διακοπή 1 Εκκρεμεί διακοπή MSP430x12xx devices only 4.8 ADC12 Η ενότητα του ADC12 είναι ένας υψηλής επίδοσης12-bit αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέας. Ο ADC12 εφαρμόζεται στις συσκευές MSP430x13x, MSP430x15x, και MSP430x16x Εισαγωγή στον ADC12 Η ενότητα ADC12 υποστηρίζει γρήγορες, 12-bit αναλογικές σε ψηφιακές μετατροπές. Η ενότητα εφαρμόζει ένα 12-bit SAR πυρήνα, έλεγχο επιλογής και δειγματοληψίας, γεννήτρια αναφοράς και ένα απομονωτή μετατροπής και ελέγχου των 16 λέξεων. Ο απομονωτής μετατροπής και ελέγχου επιτρέπει μέχρι και σε 16 ανεξάρτητα ADC δείγματα να μετατραπούν και να αποθηκευθούν χωρίς καμία επέμβαση της CPU.

146 Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του ADC12 περιλαμβάνουν: μεγαλύτερο από 200ksps μέγιστο ρυθμό μετατροπής μονοτονικό 12-bit μετατροπέα χωρίς ελλιπή κωδικοποιήση δειγματοληψία και συγκράτηση με προγραμματιζόμενες περιόδους δειγματοληψίας που ελέγχονται από λογισμικό ή χρονιστές έναρξη μετατροπής από λογισμικό, τον Timer_A, ή τον Timer_B επιλέξιμη με λογισμικό, ενσωματωμένη στο chip γεννήτρια τάσης αναφοράς (1.5V ή 2.5V) επιλέξιμη με λογισμικό εσωτερική ή εξωτερική αναφορά οκτώ ξεχωριστά διαμορφωμένα εξωτερικά κανάλια εισόδου κανάλια μετατροπής για εσωτερικό αισθητήρα θερμότητας, AV CC, και εξωτερικά σημεία αναφοράς ανεξάρτητες, επιλέξιμες από κανάλια πηγές αναφοράς τόσο για θετικές όσο και για αρνητικές αναφορές επιλέξιμη πηγή ρολογιού μετατροπής τρόπους μετατροπής: απλού καναλιού, επαναλαμβανόμενου απλού καναλιού, αλληλουχίας, επαναλαμβανόμενης αλληλουχίας ο ADC πυρήνα και η αναφορά τάσης μπορούν να απενεργοποιηθούν ξεχωριστά καταχωρητής διανύσματος διακοπής για γρήγορη αποκωδικοποίηση 18 ADC διακοπών 16-bit καταχωρητές αποθήκευσης των αποτελεσμάτων μετατροπής Το block diagram του ADC12 φαίνεται στο σχήμα 4.47

147

148

149 Σχήμα 4.47 : Block diagram του ADC Λειτουργία του ADC12 Ο ADC12 διαμορφώνεται με λογισμικό του χρήστη. 12-bit ADC Πυρήνας Ο ADC πυρήνας μετατρέπει μια αναλογική είσοδο στην 12-bit ψηφιακή απεικόνισή της και αποθηκεύει το αποτέλεσμα σε μνήμη μετατροπής. Ο πυρήνας χρησιμοποιεί δύο

150 προγραμματιζόμενα/επιλέξιμα επίπεδα τάσης (VR+ και VR-) για να καθορίσει τα ανώτερα και τα κατώτερα όρια μετατροπής. Η ψηφιακή έξοδος (ΝADC) παίρνει την ανώτατη τιμή της (0FFFh) όταν το σήμα εισόδου γίνει ίσο ή μεγαλύτερο του V R+, και την τιμή μηδέν όταν το σήμα εισόδου γίνει ίσο ή μικρότερο του VR-. Το κανάλι εισόδου και τα επίπεδα της τάσης αναφοράς (VR+ και VR-) καθορίζονται στη μνήμη ελέγχου μετατροπής. Η φόρμουλα μετατροπής που δίνει το αποτέλεσμα της ADC μετατροπής είναι: Ο πυρήνας του ADC12 διαμορφώνεται από δύο καταχωρητές ελέγχου, ADC12CTL0 και ADC12CTL1. Η λειτουργία του πυρήνα επιτρέπεται από το bit ADC12ON. O ADC12 μπορεί να απενεργοποιηθεί όταν δε χρησιμοποιείται για εξοικονόμηση ισχύος. Εκτός κάποιων εξαιρέσεων τα bits ελέγχου του ADC12 μπορούν να τροποποιηθούν όταν ENC = 0. To ENC πρέπει να γίνει 1 πριν λάβει χώρα οποιαδήποτε μετατροπή. Επιλογή ρολογιού μετατροπής Το ADC12CLK χρησιμοποιείται τόσο σαν ρολόι μετατροπής όσο και για να παράξει την περίοδο δειγματοληψίας όταν έχει επιλεχθεί ο παλμικός τρόπος δειγματοληψίας. Η πηγή ρολογιού του ADC12 επιλέγεται χρησιμοποιώντας τα ADC12SSELx bits και μπορεί να διαιρεθεί από 1-8 με χρήση των ADC12DIVx bits. Πιθανές ADC12CLK πηγές είναι τα SMCLK, MCLK, ACLK, και ένας εσωτερικός ταλαντωτής, ο ADC12OSC. O ADC12OSC δημιουργείται εσωτερικά, κυμαίνεται στα 5 MHz, αλλά ποικίλει ανάλογα με τη συσκευή, την τάση τροφοδοσίας και τη θερμοκρασία. Ο χρήστης πρέπει να εξασφαλίζει ότι το εκλεγμένο ρολόι για το ADC12CLK παραμένει ενεργό μέχρι το πέρας της μετατροπής. Αν το ρολόι καταργηθεί κατά τη διάρκεια μιας μετατροπής, η λειτουργία δε θα ολοκληρωθεί και οποιοδήποτε αποτέλεσμα θα είναι άκυρο. ADC12 : Είσοδοι και Πολυπλέκτης Τα οκτώ εξωτερικά και τα τέσσερα εσωτερικά αναλογικά σήματα επιλέγονται σαν κανάλια για μετατροπή από τον αναλογικό πολυπλέκτη εισόδου. Ο πολυπλέκτης εισόδου είναι του τύπου break-before-make για να περιορίζει την έγχυση θορύβου από είσοδο σε είσοδο που προκύπτει από την εναλλαγή των καναλιών όπως φαίνεται και στο σχήμα Ο πολυπλέκτης εισόδου είναι επίσης ένας Τ-διακόπτης έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται το ζευγάρωμα μεταξύ των καναλιών. Τα κανάλια που δεν έχουν επιλεχθεί απομονώνονται από τον ADC και ο ενδιάμεσος κόμβος συνδέεται στην αναλογική γείωση (AVSS) έτσι ώστε να γειώνεται η παρασιτική χωρητικότητα και να εξαλείφεται το crosstalk. O ADC χρησιμοποιεί τη μέθοδο αναδιανομής φόρτησης. Όταν οι είσοδοι εναλλάσσονται εσωτερικά προκαλούνται αιφνίδιες μεταβολές τάσης στο σήμα εισόδου. Αυτές οι μεταβολές εξασθενούν και σταθεροποιούνται πριν προκαλέσουν λαθεμένες μετατροπές. Σχήμα 4.48 : Αναλογικός πολυπλέκτης

151 Επιλογή Αναλογικών Θυρών Οι είσοδοι του ADC12 πολυπλέκονται με τους ακροδέκτες της θύρας P6, που είναι ψηφιακές CMOS πύλες. Όταν αναλογικά σήματα εφαρμόζονται σε ψηφιακές CMOS πύλες, εμφανίζεται παρασιτικό ρεύμα αν η τάση εισόδου είναι κοντά στο επίπεδο μετάβασης της πύλης. Η απενεργοποίηση του απομονωτή του pin εξαλείφει τη ροή παρασιτικού ρεύματος και έτσι μειώνει τη συνολική κατανάλωση ρεύματος. Τα P6SELx bits παρέχουν την ικανότητα απενεργοποίησης των απομονωτών των ακροδεκτών εισόδου και εξόδου. Γεννήτρια Τάσης Αναφοράς Ο ADC12 περιέχει μια ενσωματωμένη τάση αναφοράς με δύο επιλέξιμα επίπεδα, 1.5V και 2.5V. Καθεμιά από αυτές τις τάσεις αναφοράς μπορεί να χρησιμοποιηθεί εσωτερικά ή εξωτερικά στο pin VREF+. Θέτοντας REFON=1 επιτρέπεται η εσωτερική τάση αναφοράς. Όταν REF2_5 = 1, η εσωτερική τάση αναφοράς είναι 2.5V, η εσωτερική τάση αναφοράς είναι 1.5V όταν REF2_5 = 0. Η τάση αναφοράς μπορεί να μπορεί να σβηστεί για εξοικονόμηση ισχύος όταν δε χρησιμοποιείται. Για σωστή λειτουργία η γεννήτρια της εσωτερικής τάσης αναφοράς πρέπει να τροφοδοτείται από χωρητικότητες αποθήκευσης μεταξύ των VREF+ και AVSS. Η προτεινόμενη χωρητικότητα αποθήκευσης είναι ο παράλληλος συνδυασμός πυκνωτών των 10-μF και 0.1-μF. Από την έναυση, ένα μέγιστο χρονικό διάστημα των 17 ms διατίθεται στη γεννήτρια της τάσης αναφοράς για να πολώσει τους προτεινόμενους πυκνωτές αποθήκευσης. Αν η εσωτερική γεννήτρια αναφοράς δε χρησιμοποιείται, οι πυκνωτές αποθήκευσης δεν είναι απαραίτητοι. Εξωτερικές τάσεις αναφοράς μπορούν να παρέχονται στα V R+ και VR από τους ακροδέκτες VeREF+ και VREF /VeREF αντίστοιχα. Αυτόματη απενεργοποίηση Ο ADC12 έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. Όταν ο ADC12 δεν εκτελεί μετατροπές, ο πυρήνας του απενεργοποιείται και αυτόματα επανενεργοποιείται όταν αυτό είναι απαραίτητο. Η τάση αναφοράς δεν απενεργοποιείται αυτόματα, αλλά μπορεί να απενεργοποιηθεί θέτοντας REFON=0. Όταν ο πυρήνας, ο ταλαντωτής, ή η τάση αναφοράς είναι απενεργοποιημένα, δεν καταναλώνουν ρεύμα. Χρονισμός δειγματοληψίας και μετατροπής Μια μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό εκκινεί με μια ανερχόμενη παρυφή του σήματος εισόδου που δειγματοληπτείται (SHI). Η πηγή του SHI επιλέγεται από τα SHSx bits και περιλαμβάνει: το bit ADC12SC το Timer_A Output Unit 1 το Timer_Β Output Unit 0 το Timer_Β Output Unit 1 Η πολικότητα της πηγής του σήματος SHI μπορεί να αντιστραφεί με το bit ISSH. Το σήμα SAMPCON ελέγχει την περίοδο δειγματοληψίας και την εκκίνηση της μετατροπής. Όταν το SAMPCON είναι υψηλό, η δειγματοληψία είναι ενεργή. Η μετάβαση του SAMPCON από υψηλό σε χαμηλό εκκινεί τη μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό, διαδικασία που απαιτεί 13 κύκλους του ρολογιού ADC12CLK. Δύο διαφορετικοί μέθοδοι χρονισμού της δειγματοληψίας καθορίζονται από το bit ελέγχου SHP, η μέθοδος εκτεταμένης δειγματοληψίας και η παλμική μέθοδος. Μέθοδος εκτεταμένης δειγματοληψίας Η συγκεκριμένη μέθοδος επιλέγεται όταν SHP=0. Το σήμα SHΙ ελέγχει απ' ευθείας το SAMPCON και καθορίζει το μήκος της περιόδου δειγματοληψίας tsample. Όταν το SAMPCON είναι υψηλό η

152 δειγματοληψία είναι ενεργή. Η μετάβαση του SAMPCON από υψηλό σε χαμηλό εκκινεί τη μετατροπή αφού προκύψει συχγρονισμός με το ADC12CLK. Τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 4.49 : Μέθοδος εκτεταμένης δειγματοληψίας Μέθοδος παλμικής δειγματοληψίας Η μέθοδος παλμικής δειγματοληψίας επιλέγεται όταν SHP=1. Το σήμα SHΙ χρησιμοποιείται για να σκανδαλίσει το χρόνο δειγματοληψίας. Τα bits SHT0x και SHT1x στον καταχωρητή ADC12CTL0 ελέγχουν το διάστημα του χρόνου δειγματοληψίας που καθορίζει την περίοδο δειγματοληψίας tsample. Ο χρόνος δειγματοληψίας διατηρεί το SAMPCON υψηλό, μετά το συγχρονισμό με το ρολόι ADC12CLK, για ένα προγραμματισμένο διάστημα tsample. Ο ολικός χρόνος δειγματοληψίας είναι tsample συν tsync. Τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα 4.50.

153

154 Σχήμα 4.50 : Μέθοδος παλμικής δειγματοληψίας Μνήμη Μετατροπής Υπάρχουν 16 ADC12MEMx καταχωρητές μνήμης μετατροπής για αποθήκευση των αποτελεσμάτων της μετατροπής. Κάθε ADC12MEMx διαμορφώνεται με ένα συνδεδεμένο ADC12MCTLx καταχωρητή ελέγχου. Τα bits SREFx καθορίζουν την τάση αναφοράς και τα bits INCHx επιλέγουν το κανάλι εισόδου. Το bit EOS καθορίζει το τέλος της αλληλουχίας όταν έχουμε διαδοχική μετατροπή. Τα CSTARTADDx bits καθορίζουν τον πρώτο καταχωρητή ADC12MCTLx που χρησιμοποιείται για οποιαδήποτε μετατροπή. Αν ο τρόπος μετατροπής είναι απλού καναλιού ή επαναλαμβανόμενη απλού καναλιού, κάθε CSTARTADDx δείχνει στον αντίστοιχο ADC12MCTLx που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Αν η εκλεγμένη μέθοδος μετατροπής είναι είτε αλληλουχία καναλιών είτε επαναλαμβανόμενη αλληλουχία καναλιών, κάθε CSTARTADDx δείχνει στην πρώτη ADC12MCTLx τοποθεσία που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί στην ακολουθία. Ένας δείκτης, αόρατος σε λογισμικό, αυξάνεται αυτόματα στον επόμενο ADC12MCTLx διαδοχικά όταν ολοκληρώνεται κάθε μετατροπή. Η αλληουχία συνεχίζεται μέχρι επεξεργαστεί ένα EOS bit σε κάποιο ADC12MCTLx αυτό είναι το τελευταίο byte ελέγχου που επεξεργάζεται Όταν τα αποτελέσματα της μετατροπής εγγράφονται σε ένα επιλεγμένο ADC12MEMx καταχωρητή, η αντίστοιχη σημαία στον καταχωρητή ADC12IFGx καταχωρητή γίνεται set. Τρόποι μετατροπής του ADC12 O ADC12 έχει τέσσερις τρόπου λειτουργίας που επιλέγονται από τα CONSEQx bits όπως φαίνεται στον πίνακα CONSEQx Mode Operation 00 Απλού καναλιού-απλής μετατροπής Ένα μοναδικό κανάλι μετατρέπεται μια φορά. 01 Αλληλουχίας καναλιών-απλής μετατροπής Μια αλληλουχία καναλιών μετατρέπεται μια φορά το καθένα. 10 Απλού καναλιούεπαναλαμβανόμενης μετατροπής Ένα μοναδικό κανάλι μετατρέπεται επανειλημμένα 11 Αλληλουχίας καναλιώνεπαναλαμβανόμενης μετατροπής Μια αλληλουχία καναλιών μετατρέπεται επανειλημμένα Πίνακας 4.24 : Περίληψη των τρόπων μετατροπής

155 Μέθοδος Απλού Καναλιού - Απλής Μετατροπής Ένα απλό κανάλι δειγματοληπτείται και μετατρέπεται μια φορά. Το αποτέλεσμα εγγράφεται στον ADC12MEMx που καθορίζεται από τα CSTARTADDx bits. To σχήμα 4.51 δείχνει το διάγραμμα ροής της μεθόδου Απλού Καναλιού- Απλής Μετατροπής. Σχήμα 4.51 : Μέθοδος Απλού Καναλιού-Απλής Μετατροπής

156 Μέθοδος Αλληλουχίας Καναλιών - Απλής μετατροπής Μια αλληλουχία καναλιών δειγματοληπτείται και μετατρέπεται μια φορά. Τα αποτελέσματα εγγράφονται στις μνήμες μετατροπής αρχίζοντας με τον καταχωρητή ADC12MEMx που καθορίζεται από τα CSTARTADDx bits. Το σχήμα 4.52 δείχνει τη Μέθοδος Αλληλουχίας καναλιών-απλής μετατροπής. Σχήμα 4.52 : Μέθοδος Αλληλουχίας Καναλιών-Απλής Μετατροπής

157 Μέθοδος Απλού Καναλιού - Επανειλημμένης Μετατροπής Ένα απλό κανάλι δειγματοληπτείται και μετατρέπεται συνεχόμενα. Το αποτέλεσμα εγγράφεται στον ADC12MEMx που καθορίζεται από τα CSTARTADDx bits. Είναι αναγκαίο να διαβάζεται το αποτέλεσμα μετά την ολοκλήρωση της μετατροπής διότι μόνο ένας καταχωρητής ADC12MEMx χρησιμοποιείται και επικαλύπτεται από την επόμενη μετατροπή. To σχήμα 4.53 δείχνει το διάγραμμα ροής της μεθόδου Απλού Καναλιού - Επανειλημμένης Μετατροπής. Σχήμα 4.53 : Μέθοδος Απλού Καναλιού - Επανειλημμένης Μετατροπής

158 Μέθοδος Αλληλουχίας Καναλιών - Επανειλημμένης Μετατροπής Μια αλληλουχία καναλιών δειγματοληπτείται και μετατρέπεται επανειλημμένα. Τα αποτελέσματα εγγράφονται στις μνήμες μετατροπής αρχίζοντας με τον καταχωρητή ADC12MEMx που καθορίζεται από τα CSTARTADDx bits. Το σχήμα 4.54 δείχνει τη Μέθοδος Αλληλουχίας Καναλιών Επανειλημμένης μετατροπής. Σχήμα 4.54 : Μέθοδος Αλληλουχίας Καναλιών - Επανειλημμένης Μετατροπής Χρήση του Bit Πολλαπλής Δειγματοληψίας και Μετατροπής (MSC) Για να μπορεί ο μετατροπέας να εκτελεί επιτυχείς μετατροπές αυτόματα και όσο το δυνατό γρηγορότερα, είναι διαθέσιμη μια συνάρτηση πολλαπλής δειγματοληψίας και μετατροπής. Όταν MSC =1, CONSEQx > 0, και χρησιμοποιείται ο χρονιστής δειγματοληψίας, η πρώτη ανερχόμενη παρυφή του σήματος SHI σκανδαλίζει την πρώτη μετατροπή. Επιτυχείς μετατροπές σκανδαλίζονται αυτόματα μόλις η προγενέστερη έχει ολοκληρωθεί. Επιπρόσθετες ανερχόμενες παρυφές του SHI αγνοούνται μέχρι να ολοκληρωθεί η αλληλουχία στη μέθοδο Αλληλουχίας Καναλιών-Απλής

159 Μετατροπής ή μέχρι να αλλάξει κατάσταση το ENC bit στις μεθόδους Απλού ΚαναλιούΕπανειλημμένης Μετατροπής και Αλληλουχίας Καναλιών-Επανειλημμένης Μετατροπής. Η λειτουργία του ENC bit δεν αλλάζει όταν χρησιμοποιείται το MSC bit. Παύση Μετατροπών Η παύση της δραστηριότητας του ADC12 εξαρτάται από τον τρόπο λειτουργίας του. Οι τρόποι που συνίστανται για την παύση μιας ενεργούς μετατροπής ή αλληλουχίας μετατροπών είναι: Η αναστοιχειοθέτηση του ENC στη μέθοδο Απλού Καναλιού-Απλής Μετατροπής σταματά αμέσως μια μετατροπή και τα αποτελέσματα μπορεί να είναι απρόβλεπτα. Η αναστοιχειοθέτηση του ENC κατά τη λειτουργία Απλού Καναλιού - Επανειλημμένης Μετατροπής σταματά στο τέλος της τρέχουσας μετατροπής. Η αναστοιχειοθέτηση του ENC κατά τη διάρκεια της μεθόδου Αλληλουχίας ΚαναλιώνΑπλής Μετατροπής ή της μεθόδου Αλληλουχίας Καναλιών-Επανειλημμένης Μετατροπής σταματά τον μετατροπέα στο τέλος της αλληλουχίας. Οποιαδήποτε μετατροπή μπορεί να σταματήσει αμέσως θέτοντας το CONSEQx = 0 και αναστοιχειοθέτοντας το ENC bit. Τα αποτελέσματα της μετατροπής δεν είναι αξιόπιστα. Εκτιμήσεις για τη Γείωση και το Θόρυβο στον ADC12 Όπως σε οποιονδήποτε ADC υψηλής ευκρίνειας, πρέπει να ακολουθούνται κατάλληλες τεχνικές γείωσης για την εξάλειψη βρόγχων γείωσης, ανεπιθύμητων παρασιτικών φαινομένων, και θορύβου. Βρόγχοι γείωσης σχηματίζονται όταν ρεύμα επιστροφής ρέει από τον ADC μέσα από μονοπάτια κοινά με άλλα αναλογικά ή ψηφιακά κυκλωματικά τμήματα. Αν δεν προσέξουμε, αυτό το ρεύμα μπορεί να δημιουργήσει μικρές, ανεπιθύμητες τάσεις αντιστάθμισης που μπορούν να προστεθούν ή να αφαιρεθούν από την τάση αναφοράς ή από τις τάσεις εισόδου του ADC. Οι συνδέσεις που φαίνονται στο σχήμα 4.55 βοηθούν στην αποφυγή αυτού. Εκτός από τη γείωση, αιχμές κυμάτωσης και θορύβου στις γραμμές παροχής ισχύος λόγω των ψηφιακών διακοπών ή των διακοπών της παροχής ισχύος μπορούν να διαφθείρουν το αποτέλεσμα της μετατροπής. Μια άνευ θορύβου σχεδίαση, με χρήση ξεχωριστών αναλογικών και ψηφιακών επιπέδων γείωσης, με μοναδικού σημείου συνδέσεις συνίσταται για να πετύχουμε υψηλή ακρίβεια.

160 Σχήμα 4.55 : Εκτιμήσεις για τη Γείωση και το Θόρυβο στον ADC12 Διακοπές του ADC12 O ADC12 έχει 18 πηγές διακοπών: ADC12IFG0-ADC12IFG15 ADC12OV, ADC12MEMx overflow ADC12TOV, ADC12 conversion time overflow Τα ADC12IFGx bits ενεργοποιούνται όταν οι αντίστοιχοι καταχωρητές ADC12MEMx της μνήμης φορτώνονται με ένα αποτέλεσμα μετατροπής. Μία αίτηση διακοπής παράγεται αν το αντίστοιχο ADC12IEx bit και το GIE bit είναι set. H συνθήκη ADC12OV προκύπτει όταν ένα αποτέλεσμα μετατροπής εγγράφεται σε οποιονδήποτε ADC12MEMEx καταχωρητή χωρίς να έχει διαβαστεί το προηγούμενο αποτέλεσμά του. Η συνθήκη ADC12TOV δημιουργείται όταν προκύψει αίτηση για μια άλλη δειγματοληψία και μετατροπή πριν ολοκληρωθεί η τρέχουσα. ADC12IV, Interrupt Vector Generator Όλες οι πηγές διακοπών του ADC12 παίρνουν προτεραιότητα και συνδυάζονται ώστε να τροφοδοτήσουν ένα μοναδικό διάνυσμα διακοπής. Ο καταχωρητής διανύσματος διακοπής ADC12IV χρησιμοποιείται για να καθορίσει ποιες επιτρεπόμενες πηγές διακοπής του ADC12 αιτούνται διακοπής. Η επιτρεπόμενη διακοπή υψηλότερης προτεραιότητας του ADC12 δημιουργεί ένα αριθμό στον καταχωρητή ADC12IV. Αυτός ο αριθμός μπορεί να αξιολογηθεί ή να προστεθεί στον μετρητή προγράμματος ώστε αυτός να εισάγει αυτόματα την κατάλληλη ρουτίνα λογισμικού. Απενεργοποιημένες ADC12 διακοπές δεν επηρεάζουν την τιμή του ADC12IV. Οποιαδήποτε προσπέλαση, ανάγνωση ή εγγραφή, στον καταχωρητή ADC12IV αυτόματα αναστοιχειοθετεί τη συνθήκη ADC12OV ή τη συνθήκη ADC12TOV αν καθεμιά είναι η διακοπή με την υψηλότερη προτεραιότητα που εκκρεμεί. Καμία από τις δύο συνθήκες διακοπής δεν έχει προσπελάσιμη σημαία διακοπής. Οι σημαίες ADC12IFGx δε γίνονται reset από προσπέλαση στον ADC12IV. Τα bits ADC12IFGx αναστοιχειοθετούνται αυτόματα με προσπέλαση των αντίστοιχων ADC12MEMx καταχωρητών ή μπορούν αν αναστοιχειοθετηθούν με λογισμικό. Αν κάποια άλλη διακοπή εκκρεμεί μετά την εξυπηρέτηση μιας διακοπής, μια άλλη διακοπή δημιουργείται. Για παράδειγμα, αν οι διακοπές ADC12OV και ADC12IFG3 εκκρεμούν όταν η ρουτίνα εξυπηρέτησης διακοπής προσπελάζει τον καταχωρητή ADC12IV, η συνθήκη διακοπής ADC12OV αναστοιχειοθετείται αυτόματα. Αφού εκτελεστεί η εντολή RETI της ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπής, η ADC12IFG3 παράγει μια άλλη διακοπή Καταχωρητές του ADC12 Οι καταχωρητές του ADC12 παρατίθενται στον πίνακα 4.25:

161 Πίνακας 4.25 : Καταχωρητές του ADC12

162 ADC12CTL0, ADC12 Control Register 0 SHT1x bits Sample-and-hold time. Αυτά τα bits καθορίζουν τον αριθμό των ADC12CLK κύκλων στην περίοδο δειγματοληψίας για τους καταχωρητές ADC12MEM8-ADC12MEM15. SHT0x bits 11-8 Sample-and-hold time. Αυτά τα bits καθορίζουν τον αριθμό των ADC12CLK κύκλων στην περίοδο δειγματοληψίας για τους καταχωρητές ADC12MEM0-ADC12MEM7. MSC bit 7 SHTx Bits ADC12CLK κύκλοι Multiple sample and conversion. Έγκυρη μόνο για μεθόδους αλληλουχίας ή επανάληψης. 0 Ο χρονιστής που δειγματοληπτεί απαιτεί μια ανερχόμενη παρυφή του σήματος SHI για να σκανδαλίσει κάθε

163 1 δειγματοληψία-μετατροπή. Η πρώτη ανερχόμενη παρυφή του σήματος SHI σκανδαλίζει το χρονιστή που δειγματοληπτεί, αλλά περαιτέρω δειγματοληψίες-μετατροπές εκτελούνται αυτόματα μόλις η προγενέστερη μετατροπή ολοκληρωθεί. REF2_5V bit 6 Reference generator voltage. Το REFON πρέπει επίσης να είναι ενεργοποιημένο V V REFON bit 5 Reference generator on 0 Reference off 1 Reference on ADC12ON bit 4 ADC12 on 0 ADC12 off 1 ADC12 on ADC12OVIE bit 3 ADC12MEMx overflow-interrupt enable. To GIE bit πρέπει επίσης να είναι ενεργοποιημένο για να επιτραπεί η διακοπή. 0 Δεν επιτρέπεται η διακοπή υπερχείλισης 1 Επιτρέπεται η διακοπή υπερχείλισης ADC12TOVIE bit 2 ADC12 conversion-time-overflow-interrupt enable. To GIE bit πρέπει επίσης να είναι ενεργοποιημένο για να επιτραπεί η διακοπή. 0 Δεν επιτρέπεται η διακοπή υπερχείλισης του χρόνου μετατροπής 1 Επιτρέπεται η διακοπή υπερχείλισης του χρόνου μετατροπής. ENC bit 1 Enable conversion 0 ADC12 απενεργοποιημένος 1 ADC12 ενεργοποιημένος ADC12SC bit 0 Start conversion. Ελεγχόμενη από λογισμικό εκκίνηση δειγματοληψίας-και-μετατροπής. Τα ADC12SC και ENC μπορούν να ενεργοποιηθούν μαζί με μία εντολή. Το ADC12SC αναστοιχειοθετείται αυτόματα. 0 Καμία εκκίνηση δειγματοληψίας-και-μετατροπής 1 Εκκίνηση δειγματοληψίας-και-μετατροπής ADC12CTL1, ADC12 Control Register 1

164 CSTARTADDx bits Conversion start address. Αυτά τα bits επιλέγουν ποιος καταχωρητής μνήμης-μετατροπής του ADC12 χρησιμοποιείται για μια μοναδική μετατροπή ή για την πρώτη μετατροπή σε μια ακολουθία. Η τιμή του CSTARTADDx κυμαίνεται από 0-0Fh και αντιστοιχεί στους καταχωρητές ADC12MEM0-ADC12MEM15. SHSx bits Sample-and-hold source select. 00 ADC12SC bit 01 Timer_A.OUT1 10 Timer_B.OUT0 11 Timer_B.OUT1 SHP bit 9 Sample-and-hold pulse-mode select. Αυτό το bit επιλέγει για πηγή του σήματος που δειγματοληπτείται (SAMPCON) είτε την έξοδο του timer που δειγματοληπτεί είτε απευθείας σήμα εισόδου δειγματοληψίας. 0 Το σήμα SAMPCON τροφοδοτείται από το σήμα εισόδου δειγματοληψίας. 1 Το σήμα SAMPCON τροφοδοτείται από timer που δειγματοληπτεί. ISSH bit 8 Invert signal sample-and-hold. 0 Το σήμα εισόδου δειγματοληψίας δεν αναστρέφεται. 1 Το σήμα εισόδου δειγματοληψίας αναστρέφεται. ADC12DIVx bits 7-5 ADC12 clock divider. 000 /1 001 /2 010 /3 011 /4 100 /5 101 /6 110 /7 111 /8 ADC12SSELx bits 4-3 ADC12 clock source select 00 ADC12OSC 01 ACLK 10 MCLK 11 SMCLK CONSEQx bits 2-1 Conversion sequence mode select 00 Απλού καναλιού, απλής μετατροπής 01 Αλληλουχία καναλιών-απλής μετατροπής 10 Απλού καναλιού-επανειλημμένης μετατροπής 11 Αλληλουχία καναλιών-επανειλημμένης μετατροπής ADC12BUSY bit 0 ADC12 busy. To bit αυτό υποδεικνύει μια ενεργό λειτουργία δειγματοληψίας ή μετατροπής. 0 Καμία ενεργός λειτουργία 1 Μια αλληλουχία, δειγματοληψία, ή μετατροπή είναι ενεργός.

165 ADC12MEMx, ADC12 Conversion Memory Registers Conversion Results bits 15-0 Τα αποτελέσματα της 12-bit μετατροπής δικαιολογούνται στη δεξιά πλευρά του καταχωρητή. Το bit 11 είναι το πιο σημαντικό. Τα bits είναι πάντα 0. Εγγραφή στους καταχωρητές μνήμης-μετατροπής θα αλλάξει τα αποτελέσματα. ADC12MCTLx, ADC12 Conversion Memory Control Registers EOS bit 7 End of sequence. Υποδεικνύει την τελευταία μετατροπή στην αλληλουχία. 0 Η αλληλουχία δεν έχει τελειώσει 1 Τέλος της αλληλουχίας SREFx bits 6-4 Select reference 000 VR+ = AVCC and VR = AVSS 001 VR+ = VREF+ and VR = AVSS 010 VR+ = VeREF+ and VR = AVSS 011 VR+ = VeREF+ and VR = AVSS 100 VR+ = AVCC and VR = VREF / VeREF 101 VR+ = VREF+ and VR = VREF / VeREF 110 VR+ = VeREF+ and VR = VREF / VeREF 111 VR+ = VeREF+ and VR = VREF / VeREF INCHx bits 3-0 Input channel select Α Α Α Α Α Α5