ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ ΕΥΧΡΗΣΤΟΥ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΙΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LΑΒVIEW

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΚΑΙ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ- ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΠΘ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ ΕΥΧΡΗΣΤΟΥ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΙΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LΑΒVIEW ΑΝΤΩΝΙΑΔΗΣ ΔΙΑΜΑΝΤΗΣ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΜΠΑΜΙΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΕΠΙΚ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΚΑΛΦΑΣ ΑΝΕΣΤΗΣ, ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΗΧ-ΜΗΧ, ΣΕΡΓΙΑΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΗΛ-ΜΗΧ & ΜΗΧ Η/Υ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ

2 Στον παππού μου, Διαμαντή Στον γιο μου, Θεμιστοκλή Ευχαριστίες Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Μπαμίδη Παναγιώτη, Επίκουρο Καθηγητή Ιατρικής Σχολή ΑΠΘ, για την ανάθεση του θέματος και τη δυνατότητα να εκπονήσω την παρούσα διπλωματική εργασία αλλά και για τη βοήθεια και στήριξή του σε όλη τη διάρκεια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών. Ευχαριστώ επίσης το προσωπικό του εργαστηρίου Πληροφορικής για τη βοήθειά του και τις συμβουλές του σε κάθε δυσκολία. Η οικογένειά μου είναι το κίνητρο και η βάση για κάθε προσπάθεια, 2

3 Περιεχόμενα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Σκοπός της εργασίας Η δομή της εργασίας ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ & ΒΙΟΣΗΜΑΤΑ, ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ & ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ΒΙΟΣΗΜΑΤΑ Ορισμός Φυσιολογική προέλευση των βιοσημάτων ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ Ηλεκτροκαρδιογράφος Παλμογράφος Οξύμετρο Θερμόμετρο Πιεσόμετρο Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα Μελέτη προκλητών δυναμικών Ηλεκτρομυογράφημα Ταχύτητες αγωγής νεύρων Μέτρηση αναπνοών Φωνοκαρδιογράφημα Αισθητήρας επιπέδων γλυκόζης Monitor Εργαστήριο ύπνου ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ DAQ (DΑΤΑ acquisition) ΓΕΝΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ

4 3.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ (SIGNAL DONDITIONING) Ενίσχυση Απομόνωση Πολυπλεξία Φίλτρα Ηλεκτρεγερτική δύναμη Γραμμικοποίηση ΚΑΡΤΕΣ DAQ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LABVIEW ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LΑΒVIEW Pull-Down Menus Palettes ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ LΑΒVIEW Structures Front Panel Clusters ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ MONITOR Γενικά Ιατρικό Monitor Front panel Block Diagram Σχεδίαση και προγραμματισμός Προσομοίωση λειτουργίας- Σενάρια ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1. Ηλεκτροκαρδιογράφημα Εικόνα 2. Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα Εικόνα 3. Πίεση αίματος κατά τη συστολή και τη διαστολή Εικόνα 4. Functional MRI Εικόνα 5. Είδη αισθητήρων Εικόνα 6. Ηλεκτροκαρδιογράφος Εικόνα 7. Καρδιογράφημα Εικόνα 8. Παλμογράφος Εικόνα 9. Οξύμετρο Εικόνα 10. Ηλεκτρονικό θερμόμετρο Εικόνα 11. Κλασσικό θερμόμετρο υδραργύρου Εικόνα 12. Πιεσόμετρο ελαστικού θαλάμου πίεσης Εικόνα 13. Ηλεκτρονικό πιεσόμετρο Εικόνα 14. Ηλεκτρομυογράφημα Εικόνα 15. Ακουστικά, σωματοαισθητικά και οπτικά προκλητά δυναμικά Εικόνα 16. Monitor παρακολούθησης ζωτικών σημείων Εικόνα 17.Κάρτα DAQ NI USB-6008 της National Instrument Εικόνα 18. Εικονοόργανο (VI) Εικόνα 19. Front pannel- Block diagram Εικόνα 20. Control Palette Εικόνα 21. Η Functions Palette του block diagram Εικόνα 22. Η Tools Palette του LabVIEW Εικόνα 23. Structures Εικόνα 24. While Loop Εικόνα 25. For Loop Εικόνα 26. Shift Register Εικόνα 27. Case Structure Εικόνα 28. Case Structure Εικόνα 29. Sequence structure Εικόνα 30. Event structure Εικόνα 31. Formula Node Εικόνα 32. Chart και Graph Εικόνα 33. Arrays Εικόνα 34. Cluster αποτελούμενο από ένα numeric control, ένα Boolean control και ένα array Εικόνα 35. Cluster Εικόνα 36. Front Pannel Ιατρικό Monitor Εικόνα 37. Block Diagram τμήμα Εικόνα 38. Block Diagram τμήμα Εικόνα 39. Block Diagram τμήμα Εικόνα 40. Αρχική οθόνη LabVIEW Εικόνα 41. Front pannel- Block diagram Εικόνα 42. Προσδιορισμός πηγής εισόδου δεδομένων Εικόνα 43. Παράθυρο προσδιορισμού παραμέτρων προσομοιωμένου σήματος Εικόνα 44. Δυνατότητα εισαγωγής θορύβου

6 Εικόνα 45. Graph Indicators, επιλογές απεικόνισης σήματος Εικόνα 46. Εμφάνιση του γραφήματος στο Front Pannel και το Block Diagram Εικόνα 47. Σύνδεση στοιχείων (wire) και αναζήτηση της While Loop Εικόνα 48. Τοποθέτηση της While Loop στο Block Diagram Εικόνα 49. Επιλογή του τύπου control Εικόνα 50. Τοποθέτηση και σύνδεση του στοιχείου control με παράμετρο του σήματος Εικόνα 51. Pop-up menu του γραφήματος Εικόνα 52. Pop-up menu του στοιχείου control Εικόνα 53. Προσδιορισμός του επιπέδου ελέγχου από το στοιχείο control Εικόνα 54. Αναζήτηση και τοποθέτηση φωτεινής ένδειξης LED Εικόνα 55. Επιλογές αριθμητικής σύγκρισης Εικόνα 56. Επιλογή χρήσης μιας σταθεράς και προσδιορισμός της τιμής της Εικόνα 57. Σύνδεση των στοιχείων σύγκρισης και ενεργοποίηση της ένδειξης LED 64 Εικόνα 58. Επιλογές ανάλυσης σήματος. Amplitude & Level Εικόνα 59. Amplitude & Level. Προσδιορισμός επιθυμητών παραμέτρων προς μέτρηση Εικόνα 60. Τοποθέτηση μετρητή και σύνδεση του με την παράμετρο προς μέτρηση 65 Εικόνα 61. Αναζήτηση και τοποθέτηση φίλτρου Εικόνα 62. Απεικόνιση σήματος πριν και μετά τη δίοδό του από το φίλτρο Εικόνα 63. Επιλογές απεικόνισης δυο ή περισσοτέρων σημάτων Εικόνα 64. Επιλογές ανάλυσης σήματος. Timing & Transition Εικόνα 65. Front Panel. Craphs, Controls & Indicators Εικόνα 66. Write to Measurement File Express VI Εικόνα 67. Ρύθμιση παραμέτρων Write to Measurement File Express VI Εικόνα 68. Αποθήκευση δεδομένων στον φάκελο LabVIEW Data σε μορφή lvm Εικόνα 69. Προσδιορισμός παραμέτρων κουμπιού καταγραφής Εικόνα 70. Βήματα για την καταγραφή δεδομένων Εικόνα 71. Αποθηκευμένο σήμα σε μορφή lvm Εικόνα 72. Καταστολή αναπνευστικού κέντρου Εικόνα 73. Καρδιακή ανακοπή λόγω υποξίας Εικόνα 74. Υπερπυρεξία με συνοδό ταχυκαρδία Εικόνα 75. Υπερπυρεξία με συνοδό ταχυκαρδία και ταχύπνοια Εικόνα 76. Πνευμονικό οίδημα Εικόνα 77. Η θερμοκρασία σώματος πριν και μετά την εφαρμογή φίλτρου Εικόνα 78. Λειτουργία κουμπιών καταγραφής Εικόνα 79. Αναζήτηση αποθηκευμένων αρχείων

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα Διπλωματική Εργασία, με θέμα την σχεδίαση και ανάπτυξη ενός εύχρηστου και προσαρμόσιμου συστήματος διαχείρισης βιολογικών σημάτων στο περιβάλλον LabVIEW, πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ιατρικής Πληροφορικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. Συγκεκριμένα επιλέχθηκε η προσομοίωση μίας ιατρικής συσκευής τύπου monitor ζωτικών λειτουργιών, η οποία είναι από τις πιο απαραίτητες και ευρέως χρησιμοποιούμενες συσκευές σε Νοσοκομεία και Κλινικές. 1.1 Γενικά Η άσκηση της Ιατρικής στην πράξη βασίζεται σε ένα μεγάλο όγκο θεωρητικών γνώσεων, που αποτελούν το απαραίτητο υπόβαθρο, αλλά απαιτεί επιπλέον την άντληση πληροφοριών από τον ασθενή προκειμένου να εκτιμηθεί η ομαλή η μη λειτουργικότητα των διαφόρων συστημάτων και οργάνων του ανθρώπινου οργανισμού. Είναι γνωστό ότι το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από πολλά εξειδικευμένα συστήματα, όπως πχ το Νευρικό, το Αναπνευστικό ή το Κυκλοφορικό, και ότι κάθε σύστημα αποτελείται από διάφορα όργανα και ιστούς που εξυπηρετούν συγκεκριμένες λειτουργίες βάσει συγκεκριμένων φυσιολογικών διεργασιών. Πολλές από τις διεργασίες αυτές έχουν συνδεθεί με την παραγωγή συγκεκριμένης μορφής σημάτων, που καλούνται βιοσήματα, τα οποία αντικατοπτρίζουν τη φύση και τη δραστηριότητά της. Οποιαδήποτε μεταβολή των φυσιολογικών παραμέτρων των βιοσημάτων αυτών μπορεί να οφείλεται ή να υποδηλώνει παθολογική κατάσταση. Βεβαίως η λήψη του ιστορικού και η κλινική εξέταση αποτελούν τα πλέον απαραίτητα στοιχεία για την σωστή αξιολόγηση του ασθενή. Όμως η σωστή και συνολική εκτίμηση της κατάστασης είναι συχνά πολύπλοκη, αφού υπεισέρχονται αρκετοί παράγοντες που είναι δυναμικοί και 7

8 μεταβαλλόμενοι, με αποτέλεσμα να απαιτείται συχνή παρακολούθηση και επαναξιολόγηση. Ιδιαίτερα σε καταστάσεις επικίνδυνες για τη ζωή απαιτείται συνεχής παρακολούθηση (monitoring) των ζωτικών σημείων του ασθενή με σκοπό την έγκαιρη θεραπευτική παρέμβαση. Προς το σκοπό αυτό είναι λοιπόν αυτονόητη η χρησιμότητα των ιατρικών μηχανημάτων που καταγράφουν και απεικονίζουν τα διάφορα βιολογικά σήματα του ανθρώπινου σώματος παρέχοντας μία οπτική εικόνα της λειτουργίας διαφορετικών οργάνων-συστημάτων σε πραγματικό χρόνο. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ιατρικών μηχανημάτων, κάποια από τα οποία θα αναφερθούν παρακάτω. Τα μηχανήματα αυτά είναι ασφαλώς πολύ χρήσιμα, αλλά υπόκεινται σε κάποιους περιορισμούς, που οφείλονται ακριβώς στην κατασκευή τους. Είναι δηλαδή έτσι κατασκευασμένα ώστε να πραγματοποιούν συγκεκριμένες λειτουργίες, πχ να απεικονίζουν την αρτηριακή πίεση ή τον κορεσμό του αρτηριακού αίματος σε οξυγόνο ή κάποιους συγκεκριμένους συνδυασμούς λειτουργιών, που δεν είναι δυνατόν ή είναι πολύ δύσκολο και ασύμφορο να τροποποιηθούν στη συνέχεια. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη υλικού των συστημάτων απόκτησης και συλλογής δεδομένων σε εργαστηριακό, ερευνητικό και βιομηχανικό επίπεδο έχει να επιδείξει εκρήξεις ταχύτητας όσον αφορά την δυνατότητα αποθήκευσης των διάφορων σημάτων. Δεδομένης της παράλληλης δυναμικής εξέλιξης της ανάπτυξης λογισμικών επεξεργασίας, ανάλυσης και απεικόνισης δεδομένων συμβαίνει μία ραγδαία εξάπλωση της «εικονικής ενοργάνωσης» σε σημείο τέτοιο, ώστε οι ικανότητες των παραδοσιακών συστημάτων μέτρησης και ελέγχου να έχουν σε κάποιο βαθμό ξεπεραστεί. Τα εικονικά όργανα ή «Virtual Instruments» μπορούν να συλλέξουν, να επεξεργαστούν, να καταγράψουν και να προβούν σε έλεγχο των δεδομένων μιας πηγής εισόδου ή ενός σήματος εξόδου από ένα σύστημα απόκτησης δεδομένων βασισμένο σε υπολογιστή (DAQ). 8

9 1.2 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της εργασίας είναι να διερευνηθεί η πιθανότητα μελλοντικής χρήσης συστημάτων απόκτησης δεδομένων βασισμένων σε υπολογιστή σε Νοσοκομεία, Κλινικές και Εργαστήρια αντί ή συμπληρωματικά των παραδοσιακών ιατρικών συσκευών. Προς το σκοπό αυτό επιλέχθηκε να σχεδιαστεί στο περιβάλλον LabVIEW μία συσκευή τύπου monitor ζωτικών λειτουργιών, μια συσκευή που χρησιμοποιείται καθημερινά από τις Νοσοκομειακές Μονάδες, ώστε να καταδειχθεί κατά το δυνατόν η χρηστικότητα ενός τέτοιου συστήματος καθώς και η δυνατότητά του να αναπροσαρμόζεται με βάση τις πιθανές νέες απαιτήσεις και ανάγκες του χρήστη. 1.3 Η δομή της εργασίας Η εργασία αποτελείται από 4 ενότητες. Στην πρώτη ενότητα παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τύποι βιοσημάτων και η φυσιολογική προέλευσή τους, οι τύποι των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για την καταγραφή τους και κάποια παραδείγματα ιατρικών συσκευών ή εξειδικευμένων ιατρικών εργαστηρίων που αξιοποιούν τις προσλαμβάνουσες πληροφορίες. Στην δεύτερη ενότητα γίνεται μία αδρή περιγραφή των σύγχρονων τεχνολογικών υλικών συστημάτων απόκτησης και συλλογής δεδομένων μέσα από τις οποίες μπορεί κανείς να επιλέξει τη σύνθεση του συστήματος μέτρησης και ελέγχου που θα καλύπτει τις απαιτήσεις του για τη συγκρότηση μίας ολοκληρωμένης εφαρμογής. Στην τρίτη ενότητα γίνεται μία εισαγωγή στο προγραμματιστικό περιβάλλον του LabVIEW και τέλος 9

10 Στην τέταρτη ενότητα παρουσιάζεται ένα σύστημα διαχείρισης βιολογικών σημάτων που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο περιβάλλον LabVIEW και το οποίο προσομοιάζει ένα κλασσικό ιατρικό monitor ζωτικών λειτουργιών. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα διαφορετικά βήματα που απαιτήθηκαν για την ανάπτυξή του και ακολουθούν μερικά σενάρια του τρόπου λειτουργίας - ανταπόκρισης του συστήματος σε καταστάσεις που μπορεί να προκύψουν σε έναν υποθετικό ασθενή που βρίσκεται υπό παρακολούθηση σε μια Μονάδα Εντατικής Θεραπείας. Τέλος στην ενότητα της συζήτησης αναφέρονται τα συμπεράσματα όσον αφορά τις δυνατότητες ενός τέτοιου συστήματος, τα πιθανά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά του, τους πιθανούς περιορισμούς του και τις παραμέτρους που πρέπει να ελεγχθούν περαιτέρω προκειμένου να διασφαλιστεί η πιθανότητα της αξιόπιστης χρήσης του σε ένα πραγματικό νοσοκομειακό περιβάλλον. 10

11 2 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ & ΒΙΟΣΗΜΑΤΑ, ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ & ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ 2.1 ΒΙΟΣΗΜΑΤΑ Ορισμός Βιολογικό σήμα (ή βιοσήμα) ονομάζεται η χωρική, χρονική, ή χωροχρονική καταγραφή ενός βιολογικού γεγονότος, όπως μια παλλόμενη καρδιά ή ένας μυς που συσπάται. Ουσιαστικά εκφράζει την εξέλιξη του συγκεκριμένου βιολογικού γεγονότος. Η ηλεκτρική, χημική, και μηχανική δραστηριότητα που εμφανίζεται κατά τη διάρκειά του παράγει κάποια σήματα που μπορούν να μετρηθούν και να αναλυθούν. Τα παραγόμενα βιολογικά σήματα περιέχουν συνεπώς πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξηγήσουν τους φυσιολογικούς μηχανισμούς που υποκρύπτονται σε ένα συγκεκριμένο βιολογικό γεγονός ή ένα σύστημα. Τα βιοσήματα μπορούν να αποκτηθούν με διάφορους τρόπους, π.χ., με το στηθοσκόπιο που χρησιμοποιεί ο γιατρός για να ακούσει τον ήχο της καρδιάς ενός ασθενή ή και με την χρήση ιδιαίτερα σύνθετων και τεχνολογικά προηγμένων βιοϊατρικών οργάνων. Συνήθως εκτός από την απόκτηση ενός βιολογικού σήματος μεγάλη σημασία έχει η ανάλυσή του έτσι, ώστε να ανακτηθούν πιο ειδικές πληροφορίες απ αυτά. Οι βασικές συχνότερα χρησιμοποιούμενες μέθοδοι ανάλυσης σημάτων, όπως της ενίσχυσης, της εφαρμογής φίλτρων, της ψηφιοποίησης, ποικίλης επεξεργασίας, και αποθήκευσης, εφαρμόζονται επιτυχώς και σε πολλά βιολογικά σήματα. Αυτές οι τεχνικές επιτυγχάνονται γενικά με τη χρησιμοποίηση των ψηφιακών υπολογιστών. Επιπρόσθετα σε αυτές τις γνωστές διαδικασίες, έχουν αναπτυχθεί εξειδικευμένες ψηφιακές μέθοδοι για την ανάλυση των βιολογικών σημάτων. Σε αυτές περιλαμβάνονται ο υπολογισμός μέσου όρου σημάτων, η ανάλυση κυματιδίων, και οι τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης. [1,2] 11

12 2.1.2 Φυσιολογική προέλευση των βιοσημάτων Βιοηλεκτρικά σήματα Είναι γνωστό ότι τα κύτταρα των νεύρων και των μυών παράγουν βιοηλεκτρικά σήματα, που είναι τα αποτελέσματα των ηλεκτροχημικών μεταβολών εντός των κυττάρων και μεταξύ αυτών. Έτσι όταν ένα κύτταρο νεύρου ή μυός ενεργοποιηθεί από ένα ερέθισμα που είναι αρκετά ισχυρό έτσι ώστε να φθάσει και να ξεπεράσει ένα απαραίτητο κατώφλι- όριο, το κύτταρο θα αντιδράσει παράγοντας ένα δυναμικό δράσης. Η μεταβολή της ηλεκτρικής δραστηριότητας που αντιστοιχεί στη δημιουργία του δυναμικού δράσης ή ενεργείας, που οφείλεται στη ροή των ιόντων διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης, μπορεί να μετρηθεί με τη χρησιμοποίηση των ηλεκτροδίων. Το δυναμικό δράσης που παράγεται από ένα διεγερμένο κύτταρο μπορεί να μεταδοθεί από το ένα κύτταρο στα παρακείμενα κύτταρα. Όταν πολλά κύτταρα διεγείρονται ταυτόχρονα, παράγεται ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο και διαδίδει το σήμα μέσω του βιολογικού μέσου. Οι αλλαγές στο ενδοκυτταρικό δυναμικό μπορούν να μετρηθούν στην επιφάνεια του οργάνου ή του οργανισμού με τη χρήση ηλεκτροδίων επιφανείας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG), το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG), και το ηλεκτρομυογράφημα (EMG). [1,2] Εικόνα 1. Ηλεκτροκαρδιογράφημα Εικόνα 2. Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα 12

13 Βιομαγνητικά σήματα Διάφορα όργανα, συμπεριλαμβανομένης της καρδιάς, του εγκεφάλου, και των πνευμόνων, παράγουν μαγνητικά πεδία που είναι αδύναμα συγκρινόμενα με τις ηλεκτρικές μεταβολές που εμφανίζονται σ αυτά. Ο όρος Βιομαγνητισμός αναφέρεται στη μέτρηση των μαγνητικών σημάτων που συνδέονται και παράγονται από συγκεκριμένη φυσιολογική δραστηριότητα. Τα βιομαγνητικά σήματα μπορούν να παρέχουν πολύτιμες πρόσθετες πληροφορίες που συνήθως δεν περιλαμβάνονται στα βιοηλεκτρικά σήματα. [1,2] Βιοχημικά σήματα Τα βιοχημικά σήματα περιέχουν πληροφορίες για τα επίπεδα και τις μεταβολές των διαφόρων χημικών ουσιών στο σώμα. Έτσι η συγκέντρωση των διαφόρων ιόντων, όπως π.χ. το ασβέστιο και το κάλιο, στα κύτταρα μπορεί να μετρηθεί και να καταγραφεί, όπως επίσης μπορούν να καταγραφούν και οι αλλαγές στις μερικές πιέσεις του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα στο αναπνευστικό σύστημα ή το αίμα. Όλα αυτά αποτελούν βιοχημικά σήματα. Τα βιοχημικά σήματα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα και αναζητούνται για διάφορους λόγους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο καθορισμός των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα. Στόχος είναι η αναζήτηση, πληροφοριών για το επίπεδο λειτουργίας των διαφόρων φυσιολογικών συστημάτων και οργάνων.[1,2] 13

14 Εμβιομηχανικά σήματα Οι μηχανικές λειτουργίες ενός βιολογικού συστήμάτος, που συνίστανται σε κίνηση, μετατόπιση, ένταση, δύναμη, πίεση, και ροή, παράγουν επίσης βιοσήματα. Η πίεση αίματος, πχ, αντιστοιχεί στη δύναμη που το αίμα ασκεί στα τοιχώματα των αγγείων κατά τη δίοδό του από αυτά. Οι αλλαγές στην πίεση του αίματος μπορούν να καταγραφούν και να απεικονιστούν σαν μια κυματομορφή κατά την οποία η ανοδική διαδρομή αντιπροσωπεύει τη συστολή των κοιλιών της καρδιάς, κατά την οποία το αίμα εξωθείται από την καρδιά στο σώμα (οπότε και η πίεση του αίματος στα αγγεία αυξάνει κατά τη συστολή φτάνοντας σε ένα μέγιστο όριο που αντιστοιχεί στη συστολική πίεση). Το προς τα κάτω κομμάτι της κυματομορφής απεικονίζει την κοιλιακή χαλάρωση και καθώς η πίεση του αίματος παρουσιάζει πτώση μέχρι μιας ελάχιστης τιμής, η χαμηλή αυτή τιμή αντιστοιχεί στην που διαστολική πίεση.[1,2] Εικόνα 3. Πίεση αίματος κατά τη συστολή και τη διαστολή Βιοακουστικά σήματα Τα βιοακουστικά σήματα είναι ένα πρόσθετο υποσύνολο των εμβιομηχανικών σημάτων που προκαλούνται από τη δόνηση (κίνηση). Πολλά βιολογικά γεγονότα παράγουν θόρυβο που μπορεί να ανιχνευθεί. Για παράδειγμα, η ροή του αίματος διαμέσω των βαλβίδων της καρδιάς παράγει έναν διακριτικό ήχο υπό φυσιολογικές συνθήκες. Οι μετρήσεις του 14

15 βιοακουστικού σήματος μιας καρδιακής βαλβίδας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στη διαπίστωση της σωστής ή μη λειτουργίας της. Υπάρχει μεγάλη διαφορά στο ακουστικό σήμα που παράγεται όταν κάποιος πάσχει από μια βαλβιδοπάθεια. Το αναπνευστικό σύστημα με τους διάφορους χαρακτηριστικούς αναπνευστικούς ήχους, οι αρθρώσεις και οι μύες παράγουν επίσης βιοακουστικά σήματα που διαδίδονται μέσω του βιολογικού περιβάλλοντος και μπορούν συχνά να αναζητηθούν και να μετρηθούν στην επιφάνεια του δέρματος με τη χρησιμοποίηση των ακουστικών μετατροπέων όπως τα μικρόφωνα [1,2] Βιοοπτικά σήματα Τα βιοοπτικά σήματα παράγονται από τις οπτικές ιδιότητες των βιολογικών συστημάτων. Τα βιοοπτικά σήματα μπορούν να εμφανιστούν φυσικά ή, σε μερικές περιπτώσεις, μπορούν να προκληθούν χρησιμοποιώντας μια εξειδικευμένη τεχνική. Παραδείγματος χάριν, οι πληροφορίες για την υγεία ενός εμβρύου μπορούν να ληφθούν με τη μέτρηση των χαρακτηριστικών φθορισμού του αμνιακού υγρού. Η εκτίμηση της καρδιακής παροχής μπορεί να γίνει με τη χρησιμοποίηση της μεθόδου διαλύσεων χρωστικών ουσιών που περιλαμβάνει τον έλεγχο της συγκέντρωσης μιας χρωστικής ουσίας όπως επανακυκλοφορεί μέσω της κυκλοφορίας του αίματος [1,2] Εικόνα 4. Functional MRI 15

16 2.2 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Ως αισθητήρας (sensor) ορίζεται το βασικό στοιχείο σε μία μετρητική αλυσίδα που μετατρέπει την μεταβλητή εισόδου σε μετρήσιμο σήμα ή πιο απλά ως μια δομή που δέχεται σήματα ή ερεθίσματα και αποκρίνεται με ένα ηλεκτρικό σήμα [2,3]. Οι βιοαισθητήρες χρησιμοποιούνται για να μετρήσουν βιολογικά δεδομένα. Χρήσιμοι βιοαισθητήρες είναι οι αισθητήρες μηχανικών μεγεθών (όπως μήκος, μετατόπιση, επιφάνεια, όγκος, δύναμη, πίεση, υπέρηχοι κα), οι αισθητήρες ηλεκτρικών μεγεθών (όπως διαφορά δυναμικού, ένταση ρεύματος, συχνότητα, αντιστάσεις επαγωγική ή χωρητική ή ωμική), οι οπτικοί αισθητήρες (οπτικά μεγέθη: μήκος κύματος, συντελεστής σκέδασης, απορρόφησης κα) και οι αισθητήρες θερμοκρασίας [2,4]. Εικόνα 5. Είδη αισθητήρων 16

17 2.3 ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ Μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα της χρήσης βιοαισθητήρων και ιατρικών οργάνων που βασίζονται στη χρήση τους θα αναφερθούν στη συνέχεια Ηλεκτροκαρδιογράφος Κατά την επέκταση του επάρματος της καρδιακής διέγερσης στα διάφορα τμήματα αυτής, ηλεκτρικά ρεύματα διατρέχουν τους ιστούς γύρω από αυτή, ένα μικρό δε μέρος από αυτά φτάνει μέχρι την επιφάνεια του σώματος. Εάν τοποθετηθούν ηλεκτρόδια πάνω στο δέρμα από τη μια και την άλλη πλευρά της καρδιάς, καθίσταται δυνατή η καταγραφή των ηλεκτρικών δυναμικών που παράγονται από αυτή. Η καμπύλη που λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται ηλεκτροκαρδιογράφημα. Εικόνα 6. Ηλεκτροκαρδιογράφος Εικόνα 7. Καρδιογράφημα Ο ηλεκτροκαρδιογράφος είναι στην ουσία ένα πολύ ευαίσθητο βολτόμετρο που καταγράφει μέσω ηλεκτροδίων τις διαφορές δυναμικού στην επιφάνεια του σώματος που προκύπτουν κατά τη λειτουργία της καρδιάς [5,6]. 17

18 2.3.2 Παλμογράφος Ο παλμογράφος είναι ένα όργανο που καταγράφει τη συχνότητα των καρδιακών παλμών. Εκτός από την Ιατρική, όπου συνήθως ο παλμογράφος υπάρχει εντός ενός κλασσικού φορητού monitor, χρησιμοποιείται συχνά και για την οργάνωση και σχεδίαση προπονήσεων ιδιαίτερα σε αρχάριους αθλητές. Υπάρχουν πολλών ειδών και δυνατοτήτων παλμογράφοι που ανάλογα με το κόστος τους έχουν και τις ανάλογες λειτουργίες. Έτσι, στα πιο φτηνά μοντέλα βρίσκουμε τη δυνατότητα χρησιμοποίησης χρονομέτρου και ταυτόχρονης καταγραφής των σφυγμών και ίσως και τη δυνατότητα ρύθμισης άνω και κάτω ορίων καρδιακής συχνότητας στην προπόνηση, καθώς και ηχητικής ειδοποίησης στην περίπτωση που τα ξεπερνάμε. Τα πιο σύνθετα και ακριβά μοντέλα έχουν τη δυνατότητα συνεχούς καταγραφής και αποθήκευσης των σφυγμών της καρδιάς, την ύπαρξη επιθυμητών ζωνών προπόνησης, την καταγραφή του χρόνου που βρεθήκαμε σε κάθε ζώνη, την ύπαρξη χρονομέτρου και καταγραφής ενδιάμεσων χρόνων [7] Εικόνα 8. Παλμογράφος Εικόνα 9. Οξύμετρο Οξύμετρο Ο κορεσμός του οξυγόνου αναφέρεται ως SpO2 ορίζεται ως ο λόγος της οξυαιμογλοβίνης προς τη συνολική αιμογλοβίνη που είναι παρούσα στο αίμα. 18

19 Με την οξυμετρία μετράμε τον κορεσμό του αρτηριακού οξυγόνου ο οποίος εκφράζεται ως ποσοστό και υπό φυσιολογικές συνθήκες είναι περίπου 97%, ενώ στο φλεβικό αίμα είναι περίπου 75%. Η παλμική οξυμετρία βασίζεται στην τεχνική της φασματικής ανάλυσης, δηλαδή στην ανίχνευση και ποσοτικοποίηση των τμημάτων με βάση την απορρόφηση φωτός που είναι διαφορετική για το κάθε τμήμα. Η συγκέντρωση μιας διαλυμένης ουσίας, σύμφωνα με το νόμο των Beer-Lambert, συνδέεται με την ένταση του φωτός που διέρχεταο από το διάλυμα. [8,9] Θερμόμετρο Θερμόμετρα ονομάζονται γενικά τα όργανα μέτρησης της θερμοκρασίας των διαφόρων σωμάτων. Τα θερμόμετρα βασίζονται στις ιδιότητες που έχουν διάφορα στοιχεία, τα λεγόμενα και "θερμομετρικά", να διαστέλλονται ή να συστέλλονται και γενικά να μεταβάλλουν σχήμα ή όγκο ανάλογα α) με την αυξομείωση της θερμοκρασίας, β) με βάση την υπόθεση ότι η πίεση αερίου σταθερού όγκου είναι ανάλογος της θερμοκρασίας του γ) επί της ιδιότητας μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης διαφόρων μετάλλων λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας τους και δ) επί της αρχής της μεταβολής της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ενός σώματος συνεπεία αυξομείωσης επίσης της θερμοκρασίας του [10]. Εικόνα 10. Ηλεκτρονικό θερμόμετρο Εικόνα 11. Κλασσικό θερμόμετρο υδραργύρου 19

20 2.3.5 Πιεσόμετρο Η μέτρηση της πίεσης γίνεται με όργανα που μετράνε το ύψος στήλης υγρού (μανόμετρα)ή την παραμόρφωση ενός ελαστικού θαλάμου πίεσης, είτε τέλος με ηλεκτρονικά όργανα. Τα ηλεκτρονικά όργανα χρησιμοποιούν είτε στοιχεία παραμόρφωσης (strain gauges) είτε στοιχεία ημιαγωγών (piezoresistive transducers) είτε πιεζοηλεκτρικά στοιχεία (piezoelectric transducers) [11.12]. Εικόνα 12. Πιεσόμετρο ελαστικού θαλάμου πίεσης Εικόνα 13. Ηλεκτρονικό πιεσόμετρο Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα Η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφαλικού φλοιού μπορεί να καταγραφεί με τη βοήθεια ηλεκτροδίων που τοποθετούνται στο τριχωτό της κεφαλής σε προκαθορισμένα σημεία. Επειδή το σήμα που λαμβάνεται είναι αρκετά ασθενές απαιτείται να ενισχυθεί. Το ΗΕΓ συμβάλλει κυρίως στη διάγνωση της Επιληψίας αλλά και για την ανίχνευση μεταβολικών διαταραχών, λοιμώξεων του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος αλλά και διαταραχών της συνείδησης και του ύπνου [14,15]. 20

21 2.3.7 Μελέτη προκλητών δυναμικών Η μελέτη των προκλητών δυναμικών αποτελεί μέθοδο εξέτασης της οπτικής οδού, της ακουστικής οδού και της οδού της εν τω βάθει αισθητικότητας από την περιφέρεια έως το στέλεχος ή τον εγκεφαλικό φλοιό. Η μέθοδος συνίσταται στη χορήγηση μεγάλου αριθμού ερεθισμάτων και καταγραφή των απαντήσεων στο κρανίο [15] Ηλεκτρομυογράφημα Η μελέτη της λειτουργίας του μυός επιτυγχάνεται με την εισαγωγή λεπτού βελονοειδούς ηλεκτροδίου στη γαστέρα του. Η ηλεκτρική δραστηριότητα του μυός απεικονίζεται σε οθόνη και εκφράζεται ταυτόχρονα ως ακουστικό σήμα [16,17]. Εικόνα 14. Ηλεκτρομυογράφημα 21

22 2.3.9 Ταχύτητες αγωγής νεύρων Η μελέτη των ταχυτήτων αγωγής χρησιμεύει για την διερεύνηση της λειτουργικότητας επιλεγμένων προσιτών νεύρων. Μετά τον ερεθισμό ενός νεύρου (αισθητικό ή κινητικό) καταγράφεται η ηλεκτρική του δραστηριότητα σε κεντρικότερο τμήμα του (αισθητική ταχύτητα αγωγής) ή η μυϊκή απάντηση, δηλαδή το μυϊκό δυναμικό ενέργειας (κινητική ταχύτητα αγωγής) [18,19]. Εικόνα 15. Ακουστικά, σωματοαισθητικά και οπτικά προκλητά δυναμικά Μέτρηση αναπνοών Η χρήση πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων τοποθετημένων σε κατάλληλα σημεία στο θώρακα και στο διάφραγμα μπορεί να δώσει μια αρκετά ακριβή εικόνα του ρυθμού των αναπνοών. Στα πιεζοηλεκτρικά υλικά δημιουργείται μια τάση στα άκρα τους όταν εφαρμοσθεί σε αυτά μια μηχανική πίεση κι αντίστροφα [20]. 22

23 Φωνοκαρδιογράφημα Το φωνοκαρδιογράφημα αντιστοιχεί στην ηχητική καταγραφή των καρδιακών παλμών και των καρδιακών φυσημάτων (που προκύπτουν από βαλβιδοπάθειες ή από αλλαγές του μεγέθους της καρδιάς). Αποτελεί ένα μηχανικό ηχητικό σήμα, που μετατρέπεται σε ηλεκτρικό [22] Αισθητήρας επιπέδων γλυκόζης Το λεγόμενο τεχνητό πάγκρεας είναι ο συνδυασμός των αισθητήρων γλυκόζης και των αντλιών ινσουλίνης σε συνδυασμό με ένα λογισμικό λήψης αποφάσεων Monitor Τα κλασσικά και πιο συχνά χρησιμοποιούμενα monitor από τις περισσότερα Νοσοκομεία και Κλινικές είναι κατάλληλα για την μέτρηση ζωτικών λειτουργιών του σώματος όπως η πίεση, η θερμοκρασία, οι παλμοί της καρδιάς και ο κορεσμός της αιμοσφαιρίνης [25]. Εικόνα 16. Monitor παρακολούθησης ζωτικών σημείων 23

24 Εργαστήριο ύπνου H πολυσωματοκαταγραφική μελέτη ύπνου (Polysomnography, PSG) είναι η διαγνωστική τεχνική ταυτόχρονης καταγραφής νευροφυσιολογικών, καρδιοαναπνευστικών και άλλων βιολογικών σημάτων καθ όλη τη διάρκεια του ύπνου. Για κάθε δωμάτιο εξέτασης θα πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον ένα πολυκάναλο καταγραφικό μηχάνημα με 14 τουλάχιστον κανάλια καταγραφής που θα επιτρέπει τη διεξαγωγή της πολυσωματοκαταγραφικής μελέτης ύπνου η οποία περιλαμβάνει: ηλεκτροεγκεφαλογράφημα δύο απαγωγών (C3A2, C4A1) ηλεκτροφθαλμογράφημα δύο απαγωγών ηλεκτρομυογράφημα υπογενειδίου ηλεκτρομυογράφημα προσθίου κνημιαίου ηλεκτροκαρδιογράφημα μιας απαγωγής ροή αέρα στη μύτη και το στόμα κίνηση θωρακικού τοιχώματος κίνηση κοιλιακού τοιχώματος κορεσμός αιμοσφαιρίνης σε οξυγόνο καταγραφή ροχαλητού καταγραφή θέση σώματος παρακολούθηση από video με δυνατότητα καταγραφής [25,26] 24

25 3. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ DAQ (DΑΤΑ acquisition) 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Acquisition (Απόκτηση) ορίζεται ως ο τρόπος με τον οποίο μεγέθη όπως η ροή, η πίεση, η θερμοκρασία, η τάση και η ένταση του ρεύματος μπορούν να μετατραπούν σε ψηφιακά δεδομένα και να απεικονιστούν στην οθόνη ενός υπολογιστή. Η λήψη σωστών αποτελεσμάτων από ένα σύστημα DAQ βασισμένο σε υπολογιστή εξαρτάται από από τα παρακάτω συστατικά στοιχεία του: Υπολογιστής Αισθητήρες-Μετατροπείς Σύστημα Βελτίωσης Σήματος Κάρτες DAQ Λογισμικό Στη συνέχεια θα αναφερθούν αδρά μερικά παραπάνω στοιχεία για κάθε τμήμα ενός συστήματος DAQ [3,27]. 25

26 3.2 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ Ο όρος ερέθισμα προσδιορίζεται ως μια ποσότητα, ιδιότητα ή κατάσταση η οποία γίνεται αισθητή και μετασχηματίζεται σε ηλεκτρικό σήμα. Όπως προαναφέρθηκε ως αισθητήρας (sensor) ορίζεται το βασικό στοιχείο σε μία μετρητική αλυσίδα που μετατρέπει την μεταβλητή εισόδου σε μετρήσιμο σήμα ή διαφορετικά ως μια δομή που δέχεται σήματα ή ερεθίσματα και αποκρίνεται με ένα ηλεκτρικό σήμα. Η λειτουργία ενός αισθητήρα είναι σε γενικές γραμμές η μετατροπή μίας μη ηλεκτρικής ποσότητας σε ηλεκτρική, δημιουργώντας έτσι ένα σήμα το οποίο είναι δυνατό να διοχετευθεί, να ενισχυθεί και να τροποποιηθεί από κάποιο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Βασική προϋπόθεση για τη σωστή λειτουργία ενός συστήματος μέτρησης είναι, επειδή το σήμα εισόδου έχει οποιαδήποτε φυσική ή χημική μορφή, ο αισθητήρας να έχει την ανάλογη κατασκευή, πχ να μην χαλάει με το νερό εφόσον μετράει την υγρασία. Επίσης επειδή υπάρχουν ειδικοί αισθητήρες για κάποιο εύρος τιμών του ίδιου φυσικού μεγέθους θα πρέπει η επιλογή να είναι προσεκτική και συμβατή με τις ανάγκες της μέτρησης, πχ οι διάφοροι αισθητήρες θερμοκρασίας έχουν διαφορετικό εύρος μετρήσιμων τιμών έξω από το οποίο δεν μπορούν να μετρήσουν. Συνηθισμένα είδη αισθητήρων μέτρησης θερμοκρασίας είναι τα θερμοζεύγη (thermocouples), οι ανιχνευτές θερμοκρασίας αντίστασης (RTDs) και τα θερμίστορ (PTC & NTC) που μετατρέπουν τη θερμοκρασία σε ένα αναλογικό σήμα, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να μετρηθεί από ένα μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα. Ανεξάρτητα από τον αισθητήρα που θα επιλεγεί τα ηλεκτρικά σήματα που προκύπτουν είναι πάντοτε ανάλογα προς τις φυσικές παραμέτρους που μετρώνται. To σήμα εξόδου ενός αισθητήρα μπορεί να είναι σε διάφορες μορφές, όπως πχ σε μορφή τάσης, έντασης ή ακόμα συχνότητας, πλάτους και φάσης, ενώ το σήμα εισόδου μπορεί να είναι οποιασδήποτε είδους. Έτσι ουσιαστικά το σήμα εξόδου έχει αποκλειστικά ηλεκτρικές ιδιότητες αναλογικής ή ψηφιακής μορφής. Οι αισθητήρες χωρίζονται επίσης σε παθητικούς (passive) και ενεργητικούς (active). Στους πρώτους δεν απαιτείται η εξωτερική παροχή 26

27 πηγής ισχύος για την μετατροπή της ενέργειας εισόδου του ερεθίσματος όπως πχ είναι στα θερμοζεύγη ή στους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Το αντίθετο συμβαίνει στους ενεργητικούς αισθητήρες όπως πχ είναι τα θερμίστορ. Η εξωτερική ισχύς ονομάζεται σήμα διέγερσης (excitation signal). Επιπλέον οι αισθητήρες μπορεί να βρίσκονται σε επαφή με το υπό μέτρηση αντικείμενο, οπότε χαρακτηρίζονται ως αισθητήρες επαφής (contact) ή αντίθετα να μη συνδέονται με αυτό, οπότε χαρακτηρίζονται ως αισθητήρες μη-επαφής (noncontact). Τα ηλεκτρικά σήματα των αισθητήρων οδηγούνται σε ένα πολυπλέκτη (multiplexer-mux), ο οποίος συνδέει τους αισθητήρες με τον μετατροπέα αναλογικό σε ψηφιακό ( A/D) ή με τον υπολογιστή απευθείας. Χρήσιμο είναι να αναφερθεί και ο όρος μετατροπέας (Transducer), ο οποίος είναι μία δομή που μετατρέπει μία φυσική ποσότητα σε ηλεκτρικό ρεύμα και αντίστροφα, ή διαφορετικά μία δομή που παράγει μια χρήσιμη έξοδο ως απόκριση στην δράση μιας συγκεκριμένης φυσικής ποσότητας με χαρακτηριστικό παράδειγμα το μεγάφωνο, που μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε μαγνητικό πεδίο και στη συνέχεια σε ακουστικά σήματα. Το είδος του μετατροπέα που μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε φυσική ποσότητα ονομάζεται ενεργοποιητής (actuator), όπως πχ είναι ένας κινητήρας. Συναφής όρος είναι και ο επεξεργαστής (processor) που συχνά εμπεριέχεται σε ένα σύστημα αισθητήρων και ο οποίος τροποποιεί τη μορφή του ηλεκτρικού σήματος εξόδου του αισθητήρα χωρίς να αλλάζει τη μορφή ενέργειας που αυτό εκφράζει [2,3,4]. 27

28 3.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ (SIGNAL DONDITIONING) Η πληροφορία του σήματος των αισθητήρων στην έξοδό τους είναι της τάξεως των μicrovolt ή millvolt. Αυτά τα χαμηλής έντασης σήματα απαιτείται να ενισχυθούν και να φιλτραριστούν ώστε οι κάρτες DAQ άμεσης σύνδεσης να μπορούν να τα αναγνώσουν και να τα επεξεργαστούν. Οι περισσότεροι σύγχρονοι αισθητήρες και μετατροπείς σήματος παράγουν τέτοιας χαμηλής έντασης σήματα (4-20 ma με βάση το βιομηχανικό πρότυπο) που απαιτείται να ενισχυθούν προκειμένου να τα αποκτήσει αξιόπιστα μια κάρτα DAQ. Εάν η πληροφορία δεν είναι του επιπέδου του βιομηχανικού προτύπου απαιτείται επιπλέον βελτίωση του σήματος (signal condition). H βελτίωση του σήματος καθιστά ένα σήμα κατάλληλο για ψηφιοποίηση, απομονώνοντας το σήμα από πιθανό ηλεκτρονικό θόρυβο, εξασθενώντας το όπου χρειάζεται ή ενεργώντας ως διακόπτης απομονώνοντας τον υπολογιστή από επικίνδυνα σήματα. Γενικά τα εξαρτήματα βελτίωσης σήματος έχουν ως σκοπό να ενισχύουν τα χαμηλού επιπέδου σήματα, στη συνέχεια να τα απομονώνουν και να τα φιλτράρουν Ενίσχυση Ο πιο κοινός τύπος βελτίωσης είναι η ενίσχυση. Ενίσχυση χρειάζεται πχ το σήμα που λαμβάνεται από τα θερμοζεύγη έτσι ώστε η μέγιστη κλίμακα τάσης του μετά την ενίσχυση να είναι ίση με την αντίστοιχη κλίμακα εισόδου του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό Απομόνωση Η απομόνωση απομονώνει το σήμα ενός μετατροπέα από τον υπολογιστή αν πχ τα σήματα που εισέρχονται είναι υψηλής τάσης και μπορεί να βλάψουν τον υπολογιστή. 28

29 3.3.3 Πολυπλεξία Η πολυπλεξία είναι μία κοινή μέθοδος για τη μέτρηση από μία συσκευή μέτρησης DAQ διαφόρων σημάτων. Σε σήματα των οποίων η τιμή αλλάζει αργά, όπως είναι η θερμοκρασία, αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο. Με αυτόν τον τρόπο ο μετατροπέας αναλογικό σε ψηφιακό πραγματοποιεί δειγματοληψία σε περισσότερα κανάλια ξεκινώντας πρώτα από το ένα, πηγαίνοντας στο δεύτερο, μετά στο τρίτο κοκ. Η συχνότητα δειγματοληψίας σε κάθε κανάλι είναι αντιστρόφως ανάλογος από τον αριθμό των καναλιών στα οποία γίνεται δειγματοληψία. Έτσι είναι δυνατόν από έναν πολυπλέκτη να μετρηθούν 256 σήματα και με πιο εξειδικευμένα εξαρτήματα πολύ περισσότερα Φίλτρα Ο σκοπός ενός φίλτρου είναι να αποκόψει κανείς τα ανεπιθύμητα στοιχεία- σήματα από το σήμα που είναι επιθυμητό. Ένα φίλτρο θορύβου χρησιμοποιείται στα σήματα τύπου συνεχούς τάσης, όπως είναι η θερμοκρασία, για να εξασθενήσουν τα σήματα υψηλότερης συχνότητας τα οποία μειώνουν την ακρίβεια της μέτρησης. Συνηθισμένα φίλτρα που χρησιμοποιούνται είναι τα χαμηλοπερατά, τα υψηλοπερατά και τα αντιαναδίπλωσης (anti-alias), τα τελευταία ιδιαίτερα χρήσιμα σε μετρήσεις σημάτων τύπου εναλλασσόμενης τάσης Ηλεκτρεγερτική δύναμη Κάποιοι μετατροπείς απαιτούν επιπλέον ηλεκτρεγερτική δύναμη ή εξωτερική τάση προκειμένου να φτάσουν στα επιθυμητά επίπεδα για να είναι μετρήσιμα. Η εξασφάλιση της απαιτούμενης επιπλέον ηλεκτρεγερτικής δύναμης εντάσσεται στο πεδίο της βελτίωσης σήματος. 29

30 3.3.6 Γραμμικοποίηση Τέλος μία συνηθισμένη μέθοδος βελτίωσης σήματος είναι η γραμμικοποίηση. Πολλοί μετατροπείς έχουν μία μη γραμμική απόκριση στις μεταβολές των μετρούμενων φαινομένων. Με τη μέθοδο αυτή ουσιαστικά ομαλοποιούνται τα προς μέτρηση σήματα. Προτού αποφασίσει κανείς ότι η βελτίωση σήματος θα αποτελέσει τμήμα του συστήματος μέτρησης που κατασκευάζει, θα πρέπει να κατανοεί τη φύση του προς μέτρηση σήματος (δεν χρειάζονται όλα τα σήματα βελτίωση), τη διάταξη που θα χρησιμοποιήσει και το περιβάλλον στο οποίο θα γίνει η μέτρηση [2,3,28,29]. 30

31 3.4 ΚΑΡΤΕΣ DAQ Οι συσκευές (devices) DAQ δεν υπολογίζουν ούτε επεξεργάζονται το προς επεξεργασία εισερχόμενο σήμα. Ο ρόλος τους είναι η μετατροπή του εισερχόμενου σήματος σε ψηφιακό δεδομένο που στέλνεται στη συνέχεια στον υπολογιστή. Η λειτουργία των υπολογισμών και της επεξεργασίας πραγματοποιείται από το λογισμικό (software) που την ελέγχει. Έτσι η ίδια συσκευή μπορεί να πραγματοποιήσει ένα πλήθος διαφορετικών μετρήσεων τροποποιώντας απλώς την εφαρμογή του λογισμικού. Οι συσκευές DAQ χρησιμοποιούνται για την απόκτηση δεδομένων στην εργαστηριακή έρευνα, στον έλεγχο μετρήσεων και στο βιομηχανικό αυτοματισμό και σχεδιάζονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις της ανάλυσης και επεξεργασίας των σημάτων μετρήσεώς τους. Τέτοιες συσκευές είναι οι γενικής χρήσης άμεσης σύνδεσης (plug-in) κάρτες DAQ, τα βιομηχανικά συστήματα μετρήσεων τύπου PXI/ VXI καθώς και όργανα εφοδιασμένα με πρωτόκολλο εξόδου GPIB ή RS-232. Εικόνα 17.Κάρτα DAQ NI USB 6008 της National Instrument Οι συσκευές DAQ εργαστηριακών εφαρμογών είναι κάρτες που συνδέονται με τον υπολογιστή για την απόκτηση δεδομένων, συνηθέστερα με ένα PCI δίαυλο ή μία θύρα USB. Η επιλογή μιας συσκευής DAQ και μιας αρχιτεκτονικής διαύλου πρέπει να γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τις μεθόδους μεταφοράς δεδομένων που υποστηρίζονται τόσο από τη συσκευή όσο και από τον δίαυλο προς επιλογή [3,30,31]. 31

32 3.5 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ Ο υπολογιστής που χρησιμοποιείται σε ένα σύστημα DAQ είναι πολύ σημαντικός για την μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορούμε να αποκτήσει κανείς τα δεδομένα. Σήμερα υπάρχουν υπολογιστές με πολύ υψηλής ταχύτητας επεξεργαστές, η τεχνολογία των οποίων εξελίσσεται με ταχείς ρυθμούς. Οι δυνατότητες μεταφοράς δεδομένων ενός υπολογιστή είναι επίσης πολύ σημαντικές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η μέθοδος απευθείας πρόσβασης στη μνήμη DMA μεταφοράς που χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλους τους σύγχρονους υπολογιστές, η οποία επιτρέπει στον επεξεργαστή να μην επιβαρύνεται με δεδομένα που μετακινούνται. Έτσι είναι ελεύθερος να χρησιμοποιηθεί για πολυπλοκότερες επεξεργαστικές λειτουργίες αυξάνοντας την απόδοση του συστήματος. Για να γίνουν τα παραπάνω θα πρέπει η συσκευή DAQ να είναι συμβατή με αυτό τον τρόπο μεταφοράς. Σημαντικός παράγοντας είναι επίσης το μέγεθος του σκληρού δίσκου. Ο χρόνος πρόσβασης και κατάτμησης του σκληρού δίσκου μπορεί να μειώσει σημαντικά τη μέγιστη ταχύτητα απόκτησης και κατανομής δεδομένων σε αυτόν. Για τα συστήματα που πρέπει να αποκτήσουν υψηλής συχνότητας σήματα πρέπει ο σκληρός δίσκος να είναι υψηλής ταχύτητας και να υπάρχει διαθέσιμος αρκετός ελεύθερος χώρος. Οι εφαρμογές που πραγματοποιούνται σε πραγματικό χρόνο (real time) απαιτούν μεγάλης ταχύτητας 32 επεξεργαστή με το συνοδευτικό του συνεπεξεργαστή ή έναν ειδικό άμεσης σύνδεσης επεξεργαστή, όπως μια κάρτα επεξεργασίας ψηφιακού σήματος. Εάν η ανάγνωση του σήματος πραγματοποιείται μια ή δύο φορές το δευτερόλεπτο τότε ακόμα και ένας όχι και τόσο γρήγορος επεξεργαστής αρκεί. Οι παράγοντες που θα επηρεάσουν την επιλογή ενός υπολογιστή είναι επίσης η εμπειρία, οι απαιτήσεις άλλων συνοδευτικών λογισμικών που πιθανόν θα χρησιμοποιηθούν, η πρόβλεψη για πιθανές μελλοντικές ανάγκες και απαιτήσεις, οι οικονομικές δυνατότητες και το εύρος των καλυπτόμενων στόχων [3,32]. 32

33 3.6 ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Το λογισμικό του υπολογιστή είναι αυτό που ελέγχει τη λειτουργία του συστήματος DAQ για την απόκτηση των δεδομένων του προς μέτρηση σήματος και τα παρουσιάζει σε μορφή που ο χρήστης μπορεί να κατανοήσει και να επεξεργαστεί. Ενσωματώνει όλες τις πληροφορίες που αφορούν το σύστημα μέτρησης - όπως οι μετατροπείς, οι διατάξεις βελτίωσης σήματος και το υλικό ανάλυσης του σήματος - σε ένα οπτικό περιβάλλον, που αποτελεί την γλώσσα επικοινωνίας μεταξύ του χρήστη και του συστήματος DAQ [3,31]. 3.7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Συμπερασματικά κατά το στήσιμο ενός συστήματος DAQ είναι πολύ σημαντικό να αξιολογηθεί σωστά το λογισμικό -που αποτελεί κατά κάποιον τρόπο τον εγκέφαλο του συστήματος- σε σχέση με τις δυνατότητες του υπολογιστή, τα τμήματα του υλικού (θα πρέπει το υλικό, οι οδηγοί των συσκευών και τα προγράμματα των διάφορων εφαρμογών να είναι συμβατά με τα παραπάνω) και φυσικά σε σχέση με τις απαιτήσεις μας. 33

34 4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LABVIEW 4.1 ΓΕΝΙΚΑ LabVIEW είναι το εμπορικό όνομα και η συντομογραφία του όρου Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. Πρόκειται για μια πλατφόρμα η οποία δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να δημιουργήσει προγράμματα χωρίς να απαιτούνται κείμενα, αλλά με τη χρήση μιας γραφικής γλώσσας προγραμματισμού η οποία ονομάζεται G. Η ορολογία, τα εικονίδια και η γενικότερη φιλοσοφία που χρησιμοποιεί το LabVIEW και η γλώσσα G είναι οικεία σε επιστήμονες και μηχανικούς που ασχολούνται με τον προγραμματισμό, αλλά επιπλέον διευκολύνει και κάποιον που δεν έχει ευχέρεια στον προγραμματισμό αλλά κατανοεί τη φιλοσοφία του. Με αυτό τον τρόπο ο χρήστης μπορεί να δημιουργήσει προγράμματα με μεγαλύτερη ευκολία, γραφικά, χωρίς να είναι υποχρεωμένος να γνωρίζει την πληθώρα συντακτικών λεπτομερειών που είναι απαγορευτικός παράγοντας για τον μη γνώστη. Έτσι είναι πιο φιλικό προς τον χρήστη και μπορεί ακόμα και κάποιος χωρίς καμία εμπειρία στον προγραμματισμό να μάθει να το χρησιμοποιεί. Το LabVIEW περιέχει επίσης βιβλιοθήκες με αρκετές έτοιμες εφαρμογές, οι οποίες μπορούν να προσανατολίσουν και να βοηθήσουν το χρήστη να χτίσει μια προγραμματιστική εφαρμογή [3,33]. Τα προγράμματα του LabVIEW ονομάζονται virtual instruments ή εικονοόργανα (για συντομία VIs) και αυτό γιατί μιμούνται πραγματικά όργανα - τόσο στην εμφάνιση όσο και στη λειτουργία τους - στο εικονικό περιβάλλον του υπολογιστή. 34

35 Εικόνα 18. Εικονοόργανο (VI) Ένα VI αποτελείται από τρία κύρια μέρη: Το front panel που είναι ουσιαστικά το user interface. Μπορεί να περιέχει διακόπτες, οθόνες που να παρουσιάζουν γραφικές παραστάσεις, διάφορα όργανα επιλογής εισόδων και ένδειξης εξόδων. Είναι ουσιαστικά ένας συνδυασμός από controls και indicators. Ο χρήστης μπορεί να εισάγει δεδομένα χρησιμοποιώντας το πληκτρολόγιο ή το ποντίκι μέσω των controls και στη συνέχεια να δει τα αποτελέσματα που παράγονται από το πρόγραμμα στην οθόνη μέσω των indicators. Τα controls και τα indicators εισάγονται μέσα από το Control Palette. Μόλις τοποθετήσουμε ένα αντικείμενο στο front panel τότε μπορούμε να προσαρμόσουμε το μέγεθος, το σχήμα και τη θέση του. Είναι by default χρωματισμένο γκρι αλλά μπορεί κανείς να επιλέξει ένα άλλο χρώμα της αρεσκείας του μέσω του tools palette Το block diagram είναι ο πηγαίος κώδικας του VI, και το εκτελέσιμο πρόγραμμα. Τα στοιχεία που το αποτελούν είναι εικονίδια τα οποία αντιπροσωπεύουν χαμηλότερης στάθμης VΙs, έτοιμες συναρτήσεις του LabVIEW και δομές ελέγχου του προγράμματος. Ο χρήστης πρέπει να συνδέσει καλώδια για να ενώσει τα εικονίδια υποδεικνύοντας έτσι τη ροή των δεδομένων. Είναι by default λευκό. 35

36 Το εικονίδιο και οι σύνδεσμοι του VI που του επιτρέπουν να ανταλλάσσει δεδομένα με άλλα VIs. Το εικονίδιο είναι τοποθετημένο στην πάνω-δεξιά γωνία του front panel και του block diagram. Το εικονίδιο εμφανίζεται επίσης στο block diagram όταν χρησιμοποιούμε το συγκεκριμένο VI ως subvi. Με διπλό click πάνω στο εικονίδιο του ενεργού VI (όχι ενός subvi), εμφανίζεται ο Icon Editor, ο οποίος δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να διαμορφώσει το εικονίδιο όπως αυτός επιθυμεί [3,33]. Εικόνα 19. Front pannel Block diagram Το front panel καταλαμβάνει το αριστερό μισό της οθόνης και είναι χρωματισμένο γκρι ενώ το block diagram καταλαμβάνει το δεξί μισό της οθόνης και είναι λευκό. 36

37 4.2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LΑΒVIEW Pull-Down Menus Το LabVIEW έχει δύο τύπους μενού, pull-down και pop-up, τα οποία ο χρήστης θα χρησιμοποιήσει εκτενώς στην ανάπτυξη των προγραμμάτων του. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν μόνο τα pull-down menus τα οποία και βρίσκονται στο menu bar του front panel και του block diagram. Κάθε αντικείμενο έχει το δικό του pop-up menu που αποτελείται από διαφορετικές εντολές και επιλογές, και συνεπώς η καταγραφή και η παρουσίαση τους δεν είναι εύκολη αλλά ούτε και απαραίτητη για την παρούσα εργασία Palettes To LabVIEW περιέχει τρεις παλέτες: την control palette, την functions palette και την tools palette τις οποίες και παρουσιάζουμε στη συνέχεια. Από τις δύο πρώτες αντλούμε τα στοιχεία για να σχεδιάσουμε το front panel και to block diagram, ενώ η tools palette περιέχει κάποια εργαλεία μορφοποίησης Control Palette Εικόνα 20. Control Palette 37

38 Για να ενεργοποιήσουμε την control palette πατάμε δεξί click στο του front panel, όταν αυτό είναι ενεργοποιημένο ή επιλέγουμε την εντολή Show Control Palette από το Windows Menu του front panel. Κατόπιν εμφανίζεται η παλέτα η οποία είναι πολύ εύχρηστη και βοηθάει τον προγραμματιστή να επιλέξει controls και indicators, όλων των μορφών, για το πρόγραμμα του. Οι κατηγορίες των controls που περιλαμβάνονται στην παλέτα είναι οι παρακάτω: numeric, Boolean, string & path, array & cluster, list & tables, graph, ring & enum, I/O, refnum, dialog control, classic controls, activex, decorations, select a control και user controls [3,34] Functions Palette Για να ενεργοποιήσουμε την functions palette πατάμε δεξί click στο χώρο του block diagram, όταν αυτό είναι ενεργοποιημένο ή επιλέγουμε την εντολή Show Functions Palette από το Windows Menu του block diagram. Από αυτήν την παλέτα μπορούμε να επιλέξουμε μια build-in function του LabVIEW ή ένα VI και να χτίσουμε το block diagram του δικού μας VI. Εικόνα21. Η Functions Palette του block diagram 38

39 Οι κατηγορίες των functions που περιλαμβάνονται στην παλέτα είναι οι παρακάτω: structures περιέχει προγραμματιστικές δομές όπως οι while& for loops string περιέχει VIs για επεξεργασία κειμένου σε μορφή array χρησιμοποιείται για την επεξεργασία πινάκων numeric περιέχει λειτουργίες αριθμητικές, λογαριθμικές, τριγωνομετρκές Boolean, περιέχει VIs για λογικές πράξεις cluster, περιέχει λειτουργίες για την επεξεργασία δομών από ανομοιογενή στοιχεία, που καλούνται συστάδες comparison, περιέχει λειτουργίες για τη σύγκριση στοιείων time & dialog, χρησιμοποιείται για παράθυρα διαλόγου και χρονισμό file I/O, για καταχώρηση δεδομένων και επεξεργασία των στοιχείων data acquisition, περιέχει VIs για έλεγχο συσκευών analyze, περιέχει πληθώρα διαφορετικών VIs για ανάλυση δεδομένων waveform, περιέχει εντολές για τη χρήση γραφημάτων instrument I/O, χρησιμοποιείται για επικοινωνία με αυτόνομα όργανα και υποστηρίζει διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας communication, περιέχει Vis για επικοινωνία με πρωτόκολλα όπως TCP, OLE, DDE advanced, περιέχει λειτουργίες μεταφοράς δεδομένων για προχωρημένους χρήστες select a VΙ εύρεση και επιλογή VIs user libraries. Εδώ τοποθετεί κανείς τα δικά του Vis [3,34] 39

40 Tools Palette Με αυτή την παλέτα μπορούμε να σχεδιάσουμε και να τροποποιήσουμε ένα VI. Για να ενεργοποιήσουμε την tools palette επιλέγουμε την εντολή Show Tools Palette από το Windows Menu είτε του front panel είτε του block diagram. Εικόνα 22. Η Tools Palette του LabVIEW Τα σημαντικότερα εργαλεία αυτή της παλέτας είναι τα παρακάτω: Automatic Tool Selection. Μετακινώντας τον κέρσορα πάνω από ένα αντικείμενο είτε του front panel είτε του block diagram, το LabVIEW επιλέγει αυτόματα το κατάλληλο tool το οποίο πρέπει να χρησιμοποιηθεί, διευκολύνοντας το σχεδιασμό. Το Operating tool που μας επιτρέπει να αλλάζουμε τις τιμές των controls που βρίσκονται στο front panel αλλά και να χειριζόμαστε όλα τα όργανα που θα χρειαζόταν και στον αληθινό κόσμο την παρέμβαση του ανθρώπινου χεριού για τη λειτουργία τους, όπως για παράδειγμα ένας διακόπτης. Είναι το μόνο tool που είναι διαθέσιμο στο run mode. To Positioning tool επιλέγει, μετακινεί και αλλάζει τις διαστάσεις των αντικειμένων Το Labeling tool μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε και να επεξεργαστούμε ετικέτες με κείμενο. 40

41 Το Wiring tool συνδέε τα διάφορα αντικείμενα στο block diagram μεταξύ τους. Το Object Shortcut Menu tool εμφανίζει το μενού ενός αντικειμένου χωρίς να χρειαστεί να κάνουμε right click σε αυτό. Το Scrolling tool μας επιτρέπει να κάνουμε scroll στην οθόνη χωρίς να χρησιμοποιούμε τα scrolling bars. Το Breakpoint tool μας επιτρέπει να θέτουμε breakpoints σε VΙs, κόμβους, καλώδια προκειμένου να διακόπτεται η εκτέλεση του προγράμματος σε εκείνο το σημείο. Το Probe tool μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε ένα probe πάνω σε ένα καλώδιο με σκοπό να ελέγχουμε τις ενδιάμεσες τιμές σε ένα VI σε περίπτωση που αυτό παράγει μη αναμενόμενες τιμές. Έτσι ελέγχουμε τις τιμές των δεδομένων σε μια συγκεκριμένη σύνδεση. Το Color Copying tool μας επιτρέπει να επιλέξουμε- αντιγράψουμε ένα χρώμα και στη συνέχει να το χρησιμοποιήσουμε με το coloring tool Το Coloring tool μας επιτρέπει να αλλάζουμε το χρώμα ενός αντικείμενου ή του φόντου [3,34]. 4.3 ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ LΑΒVIEW Structures While Loop Το while loop είναι μια δομή που επαναλαμβάνει ένα μέρος του κώδικα του προγράμματος μέχρι να εκπληρωθεί μια συνθήκη. Στο LabVIEW ένα while loop παριστάνεται με ένα ορθογώνιο σχήμα του οποίου τις διαστάσεις μπορεί να αλλάξει ο χρήστης. Εντός του loop υπάρχει το iteration terminal (ακροδέκτης απαρίθμησης) που περιέχει ανά πάσα στιγμή τον αριθμό των επαναλήψεων του βρόγχου. Πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ότι επειδή η αρχική 41

42 του τιμή είναι πάντα μηδενική αν ο βρόγχος εκτελεστεί μια φορά το iteration terminal περιέχει την τιμή 0. Εντός του βρόγχου επίσης υπάρχει και το conditional terminal (ακροδέκτης συνθήκης) το οποίο λειτουργεί σαν είσοδος και αποτελεί ουσιαστικά τη συνθήκη ελέγχου του βρόγχου. Πρόκειται για μια Boolean μεταβλητή εισόδου η οποία όταν πάρει την τιμή FALSE τερματίζεται η λειτουργία του while loop. Το επιλέγουμε από το functions palette<structures<while loop [3,35] Εικόνα 23. Structures Εικόνα 24. While Loop For Loop Το for loop είναι μια δομή η οποία εκτελεί ένα μέρος του προγράμματος για έναν καθορισμένο αριθμό επαναλήψεων, σε αντίθεση με την While Loopόπου οι επαναλήψεις σταματάνε όταν η μεταβλητή Boolean πάρει την τιμή FALSE. Όπως το while loop, παριστάνεται με ένα ορθογώνιο σχήμα του οποίου οι διαστάσεις μπορούν να αλλαχθούν. Περιλαμβάνει δύο terminals, το count terminal το οποίο λειτουργεί σαν είσοδος και καθορίζει τον αριθμό των επαναλήψεων και το iteration terminal που περιέχει τον αριθμό των επαναλήψεων που έχουν εκτελεστεί. Το επιλέγουμε από το functions palette<structures<for loop [3,36] 42

43 Εικόνα 25. For Loop Shift Registers Οι shift registers χρησιμοποιούνται στο while και στο for loop και μεταφέρουν τιμές από μία επανάληψη του βρόγχου στην επόμενη. Για να δημιουργήσουμε ένα νέο shift register κάνουμε left click στην δεξιά ή αριστερή πλευρά των loops και από το μενού που εμφανίζεται επιλέγουμε Add Shift Register. Ένας shift register αποτελείται από δύο terminals τα οποία είναι τοποθετημένα το ένα στη δεξιά και το άλλο στην αριστερή πλευρά του βρόγχου. Το δεξί terminal αποθηκεύει την τιμή μιας μεταβλητής κατά την ολοκλήρωση μιας επανάληψης του βρόγχου. Η τιμή αυτή εμφανίζεται στη Εικόνα 26. Shift Register συνέχεια στο αριστερό terminal κατά την έναρξη της επόμενης επανάληψης του βρόγχου. Μπορεί να αποθηκεύσει όλων των ειδών τα δεδομένα αριθμητικά, Boolean, string, array κ.α [3,37]. 43

44 Case Structure Η δομή Case εμπεριέχει δύο ή περισσότερα subdiagrams ή αλλιώς cases από τα οποία εκτελείται μόνο το ένα κάθε φορά που εκτελείται η δομή. Στην αριστερή πλευρά του συμβόλου της δομής case υπάρχει ένας επιλογέας που ανάλογα με την τιμή που παίρνει σαν είσοδο διαλέγει και εκτελεί το ανάλογο subdiagram. Η τιμή της εισόδου μπορεί να είναι ακέραια, Boolean ή string. Για να προσθέσουμε cases πατάμε δεξί click στις πλευρές της case structure και επιλέγουμε Add Case. Το επιλέγουμε από το functions palette<structures<case [3,38]. Εικόνα 27. Case Structure Εικόνα 28. Case Structure Sequence Structure Η sequence structure εκτελεί ακολουθιακά έναν αριθμό block diagrams. Μοιάζει με τη δομή case διότι περιέχει πολλά στιγμιότυπα. Εδώ όμως δεν εκτελείται μόνο το diagram που περιέχεται στο στιγμιότυπο που επιλέχθηκε αλλά όλα τα diagrams με την σειρά που τα έχουμε τοποθετήσει. Έτσι πρώτα θα εκτελεστεί το diagram που περιέχεται στο στιγμιότυπο 0, ακολούθως αυτό που περιέχεται στο στιγμιότυπο 1 κ.ο.κ. Η δομή αυτή είναι χρήσιμη στον έλεγχο της ροής των δεδομένων αποφεύγοντας έτσι πιθανά λάθη από την εκτέλεση κάποιου κόμβου πριν την επιθυμητή σειρά εκτέλεσης του. Για να προσθέσουμε ένα frame πατάμε δεξί click στις πλευρές του sequence structure και στη συνέχεια επιλέγουμε Add Frame Before ή Add Frame After 44