ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ

Transcript

1 ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Κ. ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής

2 One man s noise is another s man signal J.E. Pascot Copyright: Ευάγγελος Κ. Γεωργίου Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...5 ΤΥΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ...7 ΤΑ ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ...8 ΕΙΣΟΔΟΣ-ΈΞΟΔΟΣ...8 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ...12 ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ...13 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ...13 ΜΝΗΜΗ...13 Η ΛΟΓΙΚΗ ΤΟΥ Η/Υ...14 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ...16 ΑΡΧΕΙΟΘΕΤΗΣΗ...19 ΙΑΤΡΙΚΑ ΑΡΧΕΙΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...22 AΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...25 ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ...28 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ...29 ΚΥΜΑΤΟ-ΑΝΑΛΥΣΗ...30 Η ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ...31 ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ ΑΠΟ Η/Υ...32 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ (IMAGE PROCESSING)...33 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ...39 ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΙΚΟΝΑΣ...43 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ...44 ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ...47 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΙΚΟΝΑΣ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (DICOM, PACS)...47 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ...54 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ...56 ΑΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ...56 ΙΣΤΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΛΟΓΙΑ...57 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΚΑΙ ΘΕΡΑΠΕΙΑ...57 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΘΕΡΑΠΕΙΑΣ...57 ΘΕΡΑΠΕΙΑ ΜΕ ΦΑΡΜΑΚΑ...59 ΕΝΤΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ...60 ΜΟΝΤΕΛΑ ΚΑΙ ΑΠΟΜΙΜΗΣΕΙΣ...61 ΑΝΑΤΟΜΙΑ...62 ΒΟΗΘΗΜΑΤΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΣ...63 ΓΕΝΕΤΙΚΗ...63 ΛΗΨΗ ΙΣΤΟΡΙΚΟΥ...64 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΩΝ...64 ΙΑΤΡΙΚΗ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ...65 ΜΗΧΑΝΕΣ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗΣ ΚΑΙ ΙΑΤΡΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...66 ΙΑΤΡΙΚΗ ΈΡΕΥΝΑ...69 ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΟΥ Η/Υ...69 ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΑΞΙΑΣ...73 ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ...74 Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 3

4 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΘΕΩΡΗΜΑΤΟΣ ΤΟΥ BAYES...75 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΞΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ...77 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...77 Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 4

5 Εισαγωγή Ο ηλεκτρονικός διερευνητής (ή υπολογιστής ή εγκέφαλος) είναι μία ηλεκτρική μηχανή που μπορεί να κάνει υπολογισμούς. Υπερτερεί του ανθρωπίνου εγκεφάλου στην ταχύτητα που εκτελεί τους υπολογισμούς αλλά υστερεί στο ότι λειτουργεί αιτιοκρατικά δηλ. πάντοτε σύμφωνα με νόμους και κριτήρια που έχουν εκ των προτέρων καθορισθεί. Αυτές οι ταχύτητες ανοίγουν νέους δρόμους στην επίλυση προβλημάτων και την επεξεργασία δεδομένων. Οι ταχύτητες εκτέλεσης των Η/Υ κυμαίνονται από μερικά δισεκατομμύρια πράξεις στο δευτερόλεπτο για ένα πολύ μεγάλο Η/Υ έως εκατοντάδες χιλιάδες πράξεις στο δευτερόλεπτο για ένα μάλλον αργό Η/Υ. ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Τι μπορεί να κάνει ένας Η/Υ Λειτουργία που εκτελείται από Η/Υ Αντίστοιχη πράξη εκτελούμενη από άνθρωπο 1. Διατηρεί πρόγραμμα οδηγιών σε 1. Θυμάται λίστα οδηγιών εσωτερική αποθήκευση 2. Διαβάζει δεδομένα σε γλώσσα 2. Διαβάζει τα δεδομένα σε γραπτή μορφή μηχανής και τα αποθηκεύει στην και τα θυμάται ή τα αρχειοθετεί εσωτερική μνήμη ή σε δευτερεύουσα 3. Εκτελεί αριθμητικούς υπολογισμούς 3. Εκτελεί αριθμητικούς υπολογισμούς 4. Χειρίζεται σύμβολα (όπως 4. Χειρίζεται σύμβολα αλφαβητικούς χαρακτήρες ή λέξεις) 5. Κάνει συγκρίσεις 5. Κάνει συγκρίσεις 6. Διαλέγει την κατάλληλη οδηγία βασιζόμενος σε σύγκριση ή εξέταση των αποτελεσμάτων έως το σημείο αυτό 7. Διορθώνει κάθε δεδομένο της εσωτερικής μνήμης ή δευτερεύουσας μνήμης 8. Αποδίδει τα αποτελέσματα στο κατάλληλο τμήμα εξόδου αποτελεσμάτων 6. Παίρνει αποφάσεις για παραπέρα επεξεργασία βασιζόμενος στα αποτελέσματα έως το σημείο αυτό 7. Θυμάται δεδομένα ή τα διορθώνει από το αρχείο 8. Γράφει ή διαβάζει τα αποτελέσματα Αν και από τον παραπάνω Πίνακα φαίνεται η ικανότητα του ανθρώπου να κάνει οτιδήποτε μπορεί να κάνει ένας Η/Υ, το αντίστροφο δεν αληθεύει ο Η/Υ δεν μπορεί να κάνει οτιδήποτε μπορεί ένας άνθρωπος. Μερικοί έχουν χαρακτηρίσει τον Η/Υ σαν πολύ γρήγορο αλλά πολύ χαμηλής διανοητικής ικανότητας βοηθό. Ο Η/Υ κάνει μόνο ότι οδηγίες του έχουν δοθεί και αυτές οι οδηγίες λογαριάζουν κάθε συνθήκη που έχει σχέση με την εφαρμογή. Αν και ο Η/Υ υπερβάλει την ανθρώπινη ικανότητα σε ορισμένες εργασίες, ο άνθρωπος έχει κάποια εσωτερικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τον Η/Υ Αυτά τα πλεονεκτήματα και ικανότητες σε θέματα επεξεργασίας δεδομένων συνοψίζονται στον Πίνακα 2. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 5

6 ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Σύγκριση των Η/Υ με ανθρώπους-γραμματείς σε θέματα σχετικά με επεξεργασία δεδομένων Βάση Σύγκρισης Γραμματεύς Η/Υ Ταχύτητα εκτέλεσης Σχετικά αργός Εξαιρετικά γρήγορος Ικανότητα συνεχούς Φτωχή Πολύ καλή εργασίας για αρκετό χρόνο Ικανότητα να θυμάται ή να Σχετικά ανεπαρκής Επαρκής διορθώνει πληροφορίες Ακρίβεια εργασίας Κάνει λάθη Δεν κάνει λάθη Ικανότητα συνεχούς Όχι τέλεια Τέλεια παρακολούθησης οδηγιών Ικανότητα καινοτομιών σε Αρκετά καλή Ελλιπής νέες καταστάσεις Ικανότητα εκμάθησης με προσπάθεια και λάθη Αρκετά καλή Ελλιπής Όπως βλέπουμε από τον Πίνακα 2, ο Η/Υ είναι φοβερά γρήγορος και σχεδόν τέλειος σε αξιοπιστία και ακρίβεια. Από την στιγμή που εφοδιάζεται με πρόγραμμα οδηγιών, θα διαχειριστεί επακριβώς τις πληροφορίες και θα τις ακολουθήσει επακριβώς και πιστά. Στην ουσία, ο Η/Υ συνταιριάζει για κάθε θέμα που επεξεργάζεται, μεγάλες ποσότητες διόρθωσης, υπολογισμού, διαχείρισης και σύγκρισης, έως ότου περατωθεί η εργασία που περιγράφεται από τις οδηγίες. Οι άνθρωποι είναι μάλλον φτωχοί επεξεργαστές δεδομένων. Είναι αργοί και όχι εντελώς ακριβείς. Αλλά έχουν δύο πλεονεκτήματα: Μπορούν να καινοτομούν ή να προσαρμόζουν και να κρίνουν οριστικά. Η ικανότητα να καινοτομούν σημαίνει ότι η ανθρώπινη λίστα οδηγιών δεν οφείλει να προβλέπει οτιδήποτε που μπορούσε να συμβεί, επειδή μπορούν να συσχετίσουν τη νέα κατάσταση με παλιές και να εκτελέσουν μία νέα διαδικασία αμέσως. Οι άνθρωποι μπορούν να κρίνουν οριστικά. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να μαθαίνουν με τη μέθοδο ανακάλυψης προσπάθεια-λάθος. Συνήθως δεν κρίνουμε με τον απλό τρόπο βήμα προς βήμα, αλλά κάποτε φθάνουμε στο αποτέλεσμα βασιζόμενοι στην προσπάθεια και το λάθος σταθμίζοντας την ατελή πληροφόρηση και το αποτέλεσμα προηγούμενων εμπειριών. Ο Η/Υ δεν διδάσκεται από την προηγούμενη πείρα, ο άνθρωπος διδάσκεται. Οι άνθρωποι είναι ενήμεροι του περιβάλλοντος και έχουν ολόκληρη την προηγούμενη εμπειρία διαθέσιμη. Ο Η/Υ έχει μόνο τις πληροφορίες που το πρόγραμμα οδηγιών του χορήγησε. Ο άνθρωπος είναι περισσότερο συνηθισμένος στη σκέψη, κρίση και ανακάλυψη. Ο Η/Υ είναι καλύτερα προσαρμοσμένος στον υπολογισμό, διαχείριση και σύγκριση. Ο Η/Υ μπορεί έτσι να επεκτείνει την ανθρώπινη δύναμη παρουσιάζοντας θέματα με τελειότητα που δεν καταφέρνουν οι άνθρωποι και να μας εφοδιάζει με πρώτη ύλη (δεδομένα, αποτελέσματα διεργασιών κλπ) με τα οποία μπορούμε να κρίνουμε και να αποφασίσουμε. Αυτό μας οδηγεί στη σκέψη ότι τα συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών θα έπρεπε να σχεδιάζονται σαν ανθρωπομηχανές που για την καθεμιά Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 6

7 τους να δηλώνεται η εφαρμογή για την οποία ταιριάζουν καλύτερα. Οι εφαρμογές που πρόκειται να περιγράφουν στα επόμενα κεφάλαια, απεικονίζουν τους τρόπου, με τους οποίους ένας Η/Υ χρησιμοποιείται για την αντικατάσταση, επέκταση ή βελτίωση των ανθρωπίνων εργασιών, ιδιαίτερα σ ότι αφορά την Ιατρική. Για το σκοπό αυτό έχει αναπτυχθεί ένας νέος κλάδος, πιθανώς και μια νέα ειδικότητα στην Ιατρική, η λεγόμενη Ιατρική Πληροφορική. Ο κλάδος αυτός μελετά εφαρμογές της πληροφορικής στην ιατρική με σκοπό την υποβοήθηση, συστηματοποίηση και βελτιστοποίηση: o Της ιατρικής έρευνας o Της μετάδοσης και διδασκαλίας ιατρικών γνώσεων o Της καταγραφής, αποθήκευσης, ανάκλησης και μετάδοσης ιατρικών δεδομένων o Της λήψης ιατρικών αποφάσεων, άσκησης ιατρικών παρεμβάσεων, και οργάνωσης υπηρεσιών υγείας (σε επίπεδο ασθενούς και πληθυσμού). Η Ιατρική Πληροφορική χρησιμοποιεί μεθόδους από πολλές επιστήμες, όπως: η επιστήμη Πληροφοριών, η επιστήμη Υπολογιστών, η επιστήμη Γνωστικών Λειτουργιών, η οργάνωση και Διοίκηση Επιχειρήσεων, η στατιστική, τα μαθηματικά, η τεχνητή Νοημοσύνη, η επιχειρησιακή Έρευνα και τα Οικονομικά. Η Ιατρική Πληροφορική έχει κατά συνέπεια περιεχόμενο Βασικής Έρευνας, Κλινικής Ιατρικής και Οργάνωσης Υπηρεσιών Υγείας. Τα τελευταία χρόνια η Ιατρική Πληροφορική έχει ξεφύγει από τα στενά πλαίσια του σχεδιασμού και εφαρμογής βιοϊατρικών πληροφοριακών συστημάτων και αποτελεί μια ολοκληρωμένη, αναλυτική, και ορθολογιστική μέθοδο προσέγγισης της ιατρικής έρευνας και πράξης. Τύποι Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Παλαιότερα υπήρχαν δύο βασικοί τύποι Η/Υ: Οι αναλογικοί (analog computers) και οι ψηφιακοί (digital computers). Η βασική διαφορά των δύο τρόπων έγκειται στον τρόπο παραστάσεως των μεταβλητών μέσα στον Η/Υ. Στους αναλογικούς Η/Υ, η τιμή της μεταβλητής αντιστοιχεί στην τάση στα άκρα ενός κυκλώματος (συνεχής), ενώ στους ψηφιακούς η μεταβλητή καθορίζεται από δύο διακεκριμένες καταστάσεις που μπορεί να βρεθεί ένα κύκλωμα (ανοικτό ή κλειστό) ή ένας μαγνήτης (+ ή -) (ασυνεχής). Οι ψηφιακοί Η/Υ έχουν περισσότερες δυνατότητες εφαρμογών και σήμερα ταυτίζονται με την έννοια του Η/Υ. Εκτός από τους αναλογικούς και ψηφιακούς Η/Υ, είχε κατασκευαστεί ένας συνδυασμός αναλογικού-ψηφιακού Η/Υ, οι υβριδικοί (Hybrid). Επρόκειτο για μια προσπάθεια ενσωματώσεως των δύο τύπων σε έναν Η/Υ. Σε ότι αφορά το μέγεθός τους οι Η/Υ διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: τους μεγάλης κλίμακας (main-frame), τους μεσαίας κλίμακας (mini computers) και τους μικροϋπολογιστές (micro computers). Οι τελευταίοι αυτοί, οι μικροϋπολογιστές γνώρισαν μεγάλη άνθηση τα τελευταία χρόνια. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 7

8 Τα μέρη ενός Ηλεκτρονικού Υπολογιστή Το σύνολο των εντολών που καθορίζουν την λειτουργία ενός Η/Υ και τα βιβλία λειτουργίας του (operation manuals) αποτελούν το software. Αντίθετα σαν hardware χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων συστημάτων που απαρτίζουν την υλική υπόσταση του Η/Υ δηλ. το ηλεκτρονικό κύκλωμα, τα ηλεκτρικά, μηχανικά και μαγνητικά στοιχεία του Η/Υ. Το hardware αποτελείται από τρία μέρη: 1. Την είσοδο (input) 2. Την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (central processing unit) και 3. Την έξοδο (output) Η λεπτομερής μελέτη της δομής ενός Η/Υ αποτελεί εξαιρετικά πολύπλοκο θέμα που ξεφεύγει από τους σκοπούς αυτού του βιβλίου. Εδώ αναφέρονται μόνο μερικά βασικά σημεία, απαραίτητα για την κατανόηση του hardware των Η/Υ. Είσοδος-Έξοδος Η είσοδος χρησιμεύει για την τροφοδοσία εντολών και πληροφοριών μέσα στον Η/Υ. Παλιότερα, ο συνηθισμένος τρόπος για την εισαγωγή εντολών και πληροφοριών μέσα σε έναν Η/Υ ήταν με διάτρητες κάρτες και ειδικές συσκευές αναγνώσεως των καρτών. Ακόμη και σήμερα υπάρχουν τέτοιες συσκευές αν και η χρήση τους έχει πια περιορισθεί. Η εισαγωγή των μικροκυκλωμάτων στην ηλεκτρονική επέτρεψε την κατασκευή φθηνών συστημάτων με χαμηλό κόστος και έτσι σήμερα χρησιμοποιείται ευρύτατα σαν είσοδος, μία συσκευή που περιλαμβάνει πληκτρολόγιο όμοιο με εκείνο της γραφομηχανής (keyboard). Η ιδανική λύση ενός συστήματος το οποίο να αναγνώριζε φωνή θα ήταν ίσως η πλέον εύκολη και ιδανική λύση εισόδου αλλά από την άλλη πλευρά απαιτεί πολύπλοκα και υψηλής τεχνολογίας μηχανήματα επεξεργασίας ήχου στη συσκευή εισόδου. Τα συστήματα του τύπου αυτού που υπάρχουν σήμερα στην αγορά, πρέπει καταρχάς να διδαχτούν να αναγνωρίζουν ένα λεξιλόγιο από λέξεις όπως ομιλούνται από τον κάθε χειριστή του συστήματος. Ο υπολογιστής αναλύει τις διακεκριμένες κυματομορφές της ομιλίας και στη συνέχεια τις μεταφράζει σε λέξεις σε δυαδικό κώδικα που αναγνωρίζεται από τον υπολογιστή, ακόμη και αν ομιλητής έχει αλλοιωμένη φωνή (π.χ. έχει κρυώσει ή είναι βουλωμένη η μύτη του). Οι Η/Υ επίσης μπορούν να διδαχτούν να αναγνωρίζουν εκτυπωμένες μορφές και γράμματα, δηλ. να κάνουν αναγνώριση οπτικών χαρακτήρων. Αρχίζουμε να εξοικειωνόμαστε και με αυτή τη μορφή εισαγωγής δεδομένων όπως π.χ. μπορούμε να την παρατηρήσουμε σε κάποιο σούπερ μάρκετ ή μεγάλο εμπορικό κατάστημα, όπου οι ταμίες χρησιμοποιούν ένα ειδικό αισθητήρα (σένσορα) που μοιάζει με στυλό για να κάνουν αναγνώριση των ειδικών σημάτων τα οποία είναι κωδικοποιημένα επάνω σε ετικέτες και επικολλημένα στο κάθε εμπόρευμα (bar code). Αυτός ο αισθητήρας χρησιμοποιεί έναν ανιχνευτή πυκνότητας ο οποίος ανιχνεύει το πάχος και την απόσταση ανάμεσα στις γραμμές και κατόπιν μετατρέπει αυτά τα σύμβολα σε κώδικα ο οποίος αναγνωρίζεται από τον Η/Υ. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 8

9 Άλλες πιο εξειδικευμένες μορφές εισόδου δεδομένων για Η/Υ περιλαμβάνουν μονάδες οπτικής απεικόνισης οι οποίες είναι ευαίσθητες στην αφή (touch screen). Στην οθόνη απεικονίζεται ένας κατάλογος από αντικείμενα για περαιτέρω επιλογή. Αν απαιτούνται περαιτέρω πληροφορίες για κάποιο συγκεκριμένο αντικείμενο τότε αυτό μπορεί να επιλεχθεί απλώς αγγίζοντας τη λέξη στην οθόνη. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τη χρήση ενός φωτεινού στυλό (light pen) το οποίο σκοπεύεται στο συγκεκριμένο σημείο της οθόνης για το οποίο ζητάμε κάποια πληροφορία. Σ αυτή την περίπτωση, ένα φωτεινό αντικείμενο ανιχνεύεται από αυτό το φωτοευαίσθητο στυλό και εκείνη τη στιγμή της ανιχνεύσεως ειδοποιείται ο υπολογιστής για το σημείο της οθόνης στο οποίο εμφανίστηκε αυτή η ανίχνευση. Αυτό το φωτεινό στυλό είναι πολύτιμο για την ένδειξη περιοχών ενδιαφέροντος επάνω σε εικόνες οι οποίες παράγονται από διάφορα όργανα που χρησιμοποιούνται στην ιατρική (υπολογιστές, αξονικοί τομογράφοι, υπέρηχοι, γ-camera κλπ). Θύρες (ports) επικοινωνίας με τον Η/Υ Οποιαδήποτε συσκευή δεν είναι ενσωματωμένη στον Η/Υ πρέπει να συνδεθεί με μια θύρα (port) για να επικοινωνήσει με αυτόν. Πολλές φορές αυτό δεν αρκεί, αλλά χρειάζεται επιπρόσθετα να εγκατασταθεί ένα κατάλληλο software driver για να αντιληφθεί ο Η/Υ ότι επιχειρείται η σύνδεση. Στα καινούργια λειτουργικά συστήματα αυτό δεν είναι απαραίτητο (plug and play). O σχεδιασμός της κάθε θύρας επηρεάζει τον χρόνο επικοινωνίας. Οι θύρες μπορούν να διακριθούν σε: Σειριακές (serial) Παράλληλες (parallel) USB FireWire Οι σειριακές θύρες χρησιμοποιούνται κυρίως για τη σύνδεση αναλογικών modems για σύνδεση πχ στο Internet. Οι σειριακές θύρες είναι οι βραδύτερες, με αποτέλεσμα την αργή μεταφορά των δεδομένων. Οι παράλληλες θύρες χρησιμοποιούνται συνήθως για τη σύνδεση των εκτυπωτών και είναι λίγο πιο γρήγορες απ ότι οι σειριακές. Οι θύρες USB και FireWire δημιουργήθηκαν όταν οι απαιτήσεις για γρήγορη μεταφορά δεδομένων αυξήθηκαν σημαντικά και οι δύο προηγούμενοι τύποι δεν επαρκούσαν. Οι δύο αυτές θύρες έχουν μερικά κοινά χαρακτηριστικά γνωρίσματα: Και οι δύο χρησιμοποιούν λεπτά καλώδια για να καταστήσουν ευκολότερες τις συνδέσεις, υποστηρίζουν το Plug and Play ώστε ο υπολογιστής να αναγνωρίσει αυτόματα μια νέα συσκευή, υποστηρίζουν το hot plugging (προσθήκη και αφαίρεση συσκευών χωρίς προηγουμένως να κλείσει ο υπολογιστής), μεταφέρουν στοιχεία πολύ γρηγορότερα από τις παλαιότερες θύρες και διανέμουν την ισχύ κατά μήκος των καλωδίων τους, έτσι ώστε οι συσκευές με χαμηλή κατανάλωση να μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς ξεχωριστά καλώδια. Σχεδόν όλα τα νέα συστήματα Η/Υ έχουν μια ή περισσότερες Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 9

10 θύρες USB. Σήμερα, το πρότυπο USB (USB 1) αντικαθίσταται από το νεότερο και γρηγορότερο USB 2 που είναι ελαφρώς πιο γρήγορο από το FireWire. Το Firewire αρχικά ξεκίνησε από την Apple αλλά έκτοτε έχει υιοθετηθεί από ολόκληρη την βιομηχανία Η/Υ και ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Το Firewire, μερικές φορές αναφέρεται ως IEEE 1394, είναι πολύ γρηγορότερο από ένα USB και έχει σχεδιαστεί ώστε να συνδέει μέχρι 63 συσκευές ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, όπως πχ ψηφιακές βιντεοκάμερες, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, ψηφιακά video disc players καθώς επίσης ορισμένες συσκευές Η/Υ όπως οδηγούς CD- ROM, εκτυπωτές, scanners και σκληρούς δίσκους. Το Firewire επιτρέπει μεγάλες ταχύτητες σύνδεσης με το διαδίκτυο και μπορεί να μεταφέρει συνολικά 200 Megabytes ανά δευτερόλεπτο ή 25 Megabytes σε οποιαδήποτε συσκευή. Για μερικές εφαρμογές, είναι αναγκαίο να τροφοδοτήσουμε τον υπολογιστή με γραφικές παραστάσεις ή άλλα διαγράμματα. Αυτό μπορεί να γίνει με πάρα πολύ μεγάλο κόπο, πληκτρολογώντας τις χ και ψ συντεταγμένες αρκετών σημείων ώστε να ορίζουν το περίγραμμα ενός γραφήματος ή σχεδίου. Εν τούτοις είναι προφανές ότι αυτό μπορεί να γίνει πολύ γρηγορότερα και ευκολότερα με τη χρήση ενός πίνακα ψηφιδοποιήσεως (digitizing pad). Με τον τρόπο αυτόν το περίγραμμα ενός γραφήματος ανιχνεύεται περιμετρικά χρησιμοποιώντας έναν δείκτη ο οποίος μεταφέρεται σε διαδοχικές θέσεις του γραφήματος. Οι διαδοχικές θέσεις τις οποίες λαμβάνει αυτός ο δείκτης ανιχνεύοντας, μεταφράζονται σε δυαδικές συντεταγμένες. Η μέθοδος με την οποία η θέση του εργαλείου που κάνει την ανίχνευση γίνεται αντιληπτή από τον υπολογιστή, ποικίλλει από σύστημα σε σύστημα. Σε ένα π.χ. η συσκευή που προκαλεί αυτό το ίχνος εκπέμπει έναν υπέρηχο ο οποίος συλλαμβάνεται από δύο ανιχνευτές (ένας διατεταγμένος κατά τον άξονα χ και ο άλλος κατά τον άξονα ψ). Σε αυτή την περίπτωση, το διάλειμμα μεταξύ εκπομπής και ανιχνεύσεως παρέχει την πληροφορία για τη θέση. Η ακρίβεια ανιχνεύσεως σε μία τέτοια περίπτωση θα πρέπει να είναι καλύτερη από 1mm. Η τεχνική η οποία χρησιμοποιείται για την είσοδο ηλεκτρικών σημάτων από ένα όργανο, όπως είναι πχ ένας ηλεκτροκαρδιογράφος, περιγράφεται σε άλλο κεφάλαιο. Επίσης μία μονάδα αποθηκεύσεως πληροφοριών μπορεί να θεωρηθεί σαν μονάδα εισόδου γιατί ένα πρόγραμμα το οποίο είναι καταχωρημένο σε μία τέτοια μονάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν είσοδος δεδομένων στον υπολογιστή. Περισσότερες λεπτομέρειες γι αυτό το θέμα αναφέρονται στο ειδικό κεφάλαιο για τα μέσα αποθηκεύσεως πληροφοριών. Για να υπάρχει μία αμφίδρομη επικοινωνία με το σύστημα, χρειάζεται κάποιος τρόπος για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων στο χειριστή του συστήματος. Αυτή είναι η λειτουργία της εξόδου. Συνήθως στην έξοδο των αποτελεσμάτων χρησιμοποιούνται είτε ένας εκτυπωτής για την εκτύπωσή τους, είτε απεικόνιση σε έναν καθοδικό σωλήνα (όπως η τηλεόραση, το οποίο το ονομάζουμε μόνιτορ ή μονάδα απεικόνισης (visual display unit, VDU). Η βιομηχανία των υπολογιστών μας παρέχει μία μεγάλη ποικιλία συσκευών εξόδου για τον υπολογιστή οι οποίες αρχίζουν από απλά τηλέτυπα, μέχρι πολύχρωμους εκτυπωτές γραφημάτων (plotters) και οθόνες οπτικής απεικόνισης. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 10

11 Η πιο συνηθισμένη μορφή είναι ο εκτυπωτής (printer). Αυτή η συσκευή εκτυπώνει κείμενο και αριθμούς πολύ γρήγορα. Ο εκτυπωτής γραμμής, όπως το όνομα δείχνει, δεν τυπώνει σύμβολο με σύμβολο, αλλά γραμμή με γραμμή. Κάθε γραμμή μπορεί να αποτελείται από 132 χαρακτήρες. Αυτοί οι εκτυπωτές λειτουργούν σε ταχύτητες μέχρι γραμμές ανά λεπτό. Ακόμα γρηγορότερα line printers που δουλεύουν με την αρχή των laser, λειτουργούν σε ταχύτητες γραμμών ανά λεπτό. Η κεφαλή εκτυπώσεως μπορεί να μοιάζει με εκείνη μίας ηλεκτρικής γραφομηχανής ή μπορεί να παράγει χαρακτήρες από ένα μητρώο στιγμών κουκίδων (dot matrix). Οι πλέον διαδεδομένοι εκτυπωτές, που χρησιμοποιούνται σε νοσοκομεία ή σε ιδιωτικά ιατρεία, χρησιμεύουν στην εκτύπωση αυτοκόλλητων ετικετών με διευθύνσεις ή ετικετών με δοκιμαστικούς σωλήνες, φάρμακα, φιαλίδια, φιάλες κτλ. Τέλος, όταν υπάρχει απαίτηση για πολύ συμπυκνωμένες πληροφορίες μεγάλης περιεκτικότητας και μεγάλου περιεχομένου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας εκτυπωτής που κάνει εκτύπωση πάνω σε microfilm. Ασύρματη διασύνδεση Η σύνδεση των περιφερειακών συσκευών με τον Η/Υ γίνεται συνήθως με καλώδια. Μερικές φορές η σύνδεση αυτή είναι περίπλοκη και περιορίζεται από το μήκος των καλωδίων. Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα έχουν κατασκευασθεί συσκευές που συνδέονται με ασύρματη διασύνδεση. Τέτοιες συσκευές είναι οι παρακάτω: Προσαρμογέας (adaptor) floppy drive. Φαίνεται ότι οι floppy drive δισκέτες 3.5 ιντσών δεν πρόκειται να αποσυρθούν στο άμεσο μέλλον. Απλά τοποθετείται μια κάρτα μνήμης στον προσαρμογέα και ο αντάπτορας μπαίνει στην υποδοχή του δίσκου. Αν και ο προσαρμογέας αυτός δεν απαιτεί σύνδεση με καλώδια, πρέπει να εγκατασταθεί το λογισμικό για να λειτουργήσει, επομένως δεν είναι εύκολο να μετακινηθεί από το ένα σύστημα στο άλλο. Ασύρματο networking. Η τελευταία λύση στη ψηφιακή μετάδοση δεδομένων στηρίζεται στην ασύρματη τεχνολογία. Αυτό δεν έχει ακόμα υιοθετηθεί ευρέως σε όλα τα είδη συσκευών. Οι τεχνολογίες, μεταξύ των άλλων, που αναπτύσσονται περιλαμβάνουν τις υπέρυθρες ακτίνες (IrDA), Bluetooth και Οι σημαντικότερες διαφορές μεταξύ τους είναι η εμβέλεια και η ταχύτητα μεταφοράς. Οι ομοιότητες είναι ότι βοηθούν στη σύνδεση των περιφερικών συσκευών και εξαρτημάτων χωρίς καλώδια. Δίσκοι CD. Μερικά συστήματα αποθηκεύουν τις εικόνες σε μικρούς δίσκους CD. Αυτοί οι δίσκοι μπορούν έπειτα να διαβαστούν σε οποιοδήποτε τυπικό CD drive. Αναγνώστες ενσωματωμένων καρτών. Οι φορητοί υπολογιστές και μερικοί εκτυπωτές έχουν ενσωματωμένες υποδοχές καρτών Η/Υ και μπορούν να διαβάσουν σχεδόν οποιαδήποτε ψηφιακή συσκευή αποθήκευσης. Αυτό επιτρέπει την εύκολη μεταφορά των εικόνων στον υπολογιστή ή την εκτύπωση απευθείας από τη συσκευή αποθήκευσης χωρίς να χρησιμοποιηθεί ο υπολογιστής. Όλο και περισσότερο, οι εκτυπωτές εξοπλίζονται με τέτοιες υποδοχές ώστε να εισάγεται η συσκευή αποθήκευσης και να τυπώνονται οι εικόνες χωρίς τη διαμεσολάβηση υπολογιστή. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 11

12 Επίσης, σαν μονάδα εξόδου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και τις μονάδες οπτικής απεικονίσεως οι οποίες πλέον στα σύγχρονα συστήματα είναι ενσωματωμένες μαζί με τη μονάδα εισαγωγής δεδομένων δηλαδή το πληκτρολόγιο και αποτελούν ένα αυτόνομο σύστημα, το οποίο ονομάζουμε τερματικό (terminal). Σε ένα τερματικό, η πληκτρολόγηση αριθμών, γραμμάτων ή συμβόλων, προκαλεί τη συσκευή να μετατρέπει αυτούς τους χαρακτήρες σε ηλεκτρικά σήματα κωδικοποιημένα σε δυαδικό σύστημα (περίπου 8 σήματα ανά χαρακτήρα). Τα σήματα αυτά στέλνονται μέσω του κυκλώματος της γραμμής επικοινωνίας στον Η/Υ, όπου συνήθως αποθηκεύονται, σε μία ειδική πρόχειρη μνήμη, που ονομάζεται προσωρινή μνήμη (buffer storage). Αυτή η μνήμη επιτρέπει στο χειριστή να διορθώνει οποιαδήποτε λάθη, σε γράμματα ή αριθμούς που είναι αποθηκευμένα σε αυτή, πριν πατηθεί το τελικό πλήκτρο της καταχωρήσεως αυτών των δεδομένων, οπότε η καταχώρησή του μεταβιβάζεται στην κύρια μνήμη ενώ η προσωρινή μνήμη καθαρίζεται ώστε να μπορεί να δεχθεί τις επόμενες πληροφορίες οι οποίες θα πληκτρολογηθούν. Η ταχύτητα με την οποία τα δεδομένα ή οι πληροφορίες αναστέλλονται από το πληκτρολόγιο για να μπουν μέσα στον Η/Υ είναι πολύ πιο γρήγορη από την ταχύτητα της πιο έμπειρης δακτυλογράφου. Εάν η απόσταση μεταξύ του τερματικού εισόδου και του υπολογιστή είναι μεγαλύτερη από μερικά μέτρα, τότε χρειάζεται ένας τρόπος αναμεταδόσεως. Παληά, ο πιο διαδεδομένος ήταν μέσω ενός ζεύγους ακουστικών ζευκτών (acoustic couplers). Ένας ετοποθετείτο στο τερματικό και ένας κοντά στον υπολογιστή ενώ η ζεύξη μεταξύ των δύο σημείων γινόταν με το τηλέφωνο. Τα ψηφιακά σήματα μετατρέπονται σε μια σειρά ακουστικών τόνων οι οποίοι κατόπιν μεταβιβάζονται διαμέσου του συμβατικού τηλεφώνου στην άλλη άκρη της τηλεφωνικής γραμμής, όπου ο τόνοι αυτοί μετασχηματίζονται ξανά σε ψηφιακά σήματα. Είναι αυτονόητο ότι απαιτούνται συσκευές οι οποίες μετασχηματίζουν τα ψηφιακά σήματα σε παλμούς ή ήχους κατάλληλους για μετάδοση μέσω της τηλεφωνικής γραμμής, τα οποία είναι γνωστά σαν modems [ακρωνύμιο από τις λέξεις Modulator-Demodulator (διαμορφωτήςαποδιαμορφωτής)]. Είναι προφανές ότι με τη ζεύξη μέσω modems και ακουστικών ζευκτών μπορούμε να πετύχουμε επικοινωνία μεταξύ ενός τερματικού εισόδου δεδομένων και της κεντρικής μονάδας ενός υπολογιστή ανεξάρτητα από την απόσταση. Οι ταχύτητες εκπομπής πληροφοριών μπορεί να φθάσουν μέχρι πολλά εκατομμύρια kilobits το δευτερόλεπτο, χρησιμοποιώντας ειδικές τηλεφωνικές γραμμές ή ζεύξεις, τότε όμως απαιτείται ένας διαφορετικός τύπος modem γνωστός ως σύγχρονος. Σε μεγάλους Η/Υ είναι δυνατή η σύζευξη πολλών περιφερειακών μονάδων (εισόδωνεξόδων) με την ίδια κεντρική μονάδα επεξεργασίας έτσι ώστε να μπορούν να επωφελούνται από αυτήν σχεδόν ταυτόχρονα πολλοί χειριστές. Κεντρική μονάδα επεξεργασίας Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας αποτελείται από τρία μέρη: τη μονάδα ελέγχου (control unit) την αριθμητική μονάδα arithmetic unit) και τη μνήμη Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 12

13 Μονάδα Ελέγχου Η μονάδα ελέγχου έχει πολλές λειτουργίες. Επιβλέπει τη γενική λειτουργία του υπολογιστή, ελέγχει τις εντολές, διατηρεί ένα αρχείο χρήσης του υπολογιστή, ενώνει προγράμματα με τον σωστό μεταφραστή (compiler), φορτώνει τα προγράμματα στη μνήμη, δρομολογεί τα αποτελέσματα στην έξοδο με μια μορφή κατάλληλη για τον τύπο (VDU ή εκτυπωτή). Τελικά η μονάδα ελέγχου καθαρίζει το πρόγραμμα και τις πληροφορίες από τη μνήμη και την ετοιμάζει για να δεχθεί καινούργιες πληροφορίες ή καινούργια εργασία. Είναι το λειτουργικό σύστημα το οποίο καθορίζει τη δυναμικότητα κάποιας συγκεκριμένης μορφής ενός Η/Υ. Αριθμητική Μονάδα Οι υπολογιστές έχουν το δικό τους τρόπο για να κάνουν υπολογισμούς. Π.χ. όταν θέλουμε να ξέρουμε την τιμή ενός λογαρίθμου κοιτάζουμε έναν πίνακα. Οι υπολογιστές θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν πίνακες στη μνήμη για αντιπαραβολή, αλλά κάθε πίνακας καταλαμβάνει πολύ χώρο. Έτσι ο υπολογιστής υπολογίζει την τιμή ενός λογαρίθμου κάθε φορά που τον χρειάζεται. Αυτό θα ήταν πολύ κουραστικό με χαρτί και μολύβι, αλλά ο υπολογιστής χρησιμοποιεί μεθόδους οι οποίες είναι πολύ γρήγορες. Αυτές οι ειδικές τεχνικές των μαθηματικών είναι διαφορετικές από αυτές που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Ο υπολογιστής εργάζεται με μία σειρά από υποθέσεις ή προσεγγίσεις, με κάθε προσέγγιση να προσεγγίζει ολοένα και περισσότερο στη σωστή απάντηση μέχρις ότου φτάσουμε στην ακρίβεια την οποία ζητάμε. Τέτοιες αριθμητικές μέθοδοι εφαρμόζονται στην ολοκλήρωση, όπως πχ στον υπολογισμό εμβαδών που περικλείονται από καμπύλες. Ένα παράδειγμα για τις ειδικές μεθόδους υπολογισμού με Η/Υ είναι η ταξινόμηση των πληροφοριών με αύξουσα ή κατιούσα σειρά μεγέθους. Υπάρχουν πολλές (πάνω από 6) διαφορετικές μέθοδοι για να πετύχει κανείς αυτό και όλες είναι γρηγορότερες από τον προφανή τρόπο που θα σκεφτόταν κανείς να κοιτάζει πρώτα για τον μεγαλύτερο αριθμό στον κατάλογο, πίσω ξανά για τον δεύτερο μεγαλύτερο αριθμό κ.ο.κ. μέχρι να ταξινομήσει όλους τους αριθμούς κατά αυτό τον τρόπο. Μία άλλη τεχνική είναι η δημιουργία τυχαίων αριθμών. Αυτή η μέθοδος για τη δημιουργία ψευτοτυχαίων αριθμών γίνεται π.χ. με το να πολλαπλασιάσει κανείς δύο πολύ μεγάλους αριθμούς και να πάρει κάποιο από τα κεντρικά ψηφία από την απάντηση. Μνήμη Η μνήμη αποτελεί την καρδιά του Η/Υ. Δέχεται την αποθήκευση στοιχείων και τα επιστρέφει όταν ζητηθούν. Η αριθμητική μονάδα κάνει τις τέσσερες βασικές πράξεις Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 13

14 και μερικές ακόμη (μεταθέσεις, λογικές πράξεις κλπ). Η μονάδα ελέγχου (λειτουργικό σύστημα) ρυθμίζει τη ροή των πληροφοριών, αποφασίζει τι θα αποθηκευτεί ή θα ζητηθεί από τη μνήμη κλπ. Όπως προαναφέρθηκε, η μνήμη είναι το μέρος εκείνο του Η/Υ που αποθηκεύονται τα προς επεξεργασία στοιχεία, ο αλγόριθμος και τα ενδιάμεσα στοιχεία καθώς και τα ενδιάμεσα ή τελικά αποτελέσματα όπως επίσης και ότι θεωρήσουμε χρήσιμο για να συγκρατήσουμε. Δύο βασικές ιδιότητες της μνήμης που χαρακτηρίζουν και την ποιότητά της είναι: H χωρητικότητα (που εκφράζει το μέγιστο αποθηκευμένο όγκο πληροφοριών) και H ταχύτητα εγγραφής και παροχής των πληροφοριών Η μνήμη ενός Η/Υ μπορεί ακόμη να χωρισθεί στην κύρια ή ενεργό μνήμη (main storage) και την βοηθητική μνήμη (auxiliary storage). Στην πρώτη αποθηκεύονται όλα τα δεδομένα και οι οδηγίες για τη λύση του προβλήματος, ενώ στη δεύτερη αποθηκεύονται ογκώδεις ή δευτερεύουσες πληροφορίες. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει συχνά συγκριθεί με τον υπολογιστή. Η είσοδος είναι το αυτί ή το μάτι. Η έξοδος είναι το στόμα ή το χέρι. Η γρήγορη μνήμη, η μνήμη ταχείας προσπελάσεως, το λειτουργικό σύστημα και η αριθμητική μονάδα είναι στον εγκέφαλο και το σύστημα αργής αποθηκεύσεως πληροφοριών μπορεί να είναι ένα κομμάτι χαρτί στο οποίο γράφουμε. Οι μνήμονες (registers), είναι θέσεις προσωρινής μνήμης όπου προσωρινά αποθηκεύεται μία λέξη (word). Ένας ειδικός μνήμονας που λέγεται accumulator κάνει τις αριθμητικές και λογικές επεξεργασίες. Η Λογική του Η/Υ Οι ψηφιακοί Η/Υ λειτουργούν με το δυαδικό σύστημα αριθμών, το οποίο όπως είναι γνωστό χρησιμοποιεί μόνο δύο αριθμούς: το 0 και το 1. Αυτό διευκολύνει από κατασκευαστική μεριά γιατί π.χ. ένα κύκλωμα μπορεί να βρίσκεται σε δύο μόνο καταστάσεις: Να περνά (κατάσταση 1) ή να μην περνά (κατάσταση 0) ρεύμα από αυτό. Κάθε τέτοια στοιχειώδης πληροφορία (0 ή 1) λέγεται bit (ακρωνύμιο από το binary digit) και είναι η στοιχειώδης μονάδα χωρητικότητας του Η/Υ. Οι Η/Υ είναι σχεδιασμένοι για να εργάζονται σε πολλαπλάσια των 8 bits δηλ. 8, 16, 24, 32, 64 κλπ bits. Κάθε ψηφίο του δεκαδικού συστήματος μπορεί να παρασταθεί με ένα συνδυασμό bits. Το σύνολο των bit που απαιτείται για να παρασταθεί ένα ψηφίο λέγεται byte. Ένα byte συνήθως έχει 6-8 bits. Η μνήμη των Η/Υ μετράται συνήθως από τον αριθμό των bytes των πληροφοριών που μπορεί να αποθηκεύσει. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας δυαδικά πολλαπλάσια των 1024 bytes, που λέγονται kilobytes και συμβολίζεται απλά σαν Κ. Οι σύγχρονοι υπολογιστές μπορεί να διαθέτουν μνήμη σε μεγέθη της τάξης των Megabytes ή των Gigabytes. Τα γράμματα του αλφαβήτου και τα υπόλοιπα σύμβολα Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 14

15 αναπαρίστανται στο δυαδικό σύστημα αριθμών με ένα πολύ απλό τρόπο: τους έχουν δοθεί βάσει ενός κώδικα (ASCII) ειδικά δυαδικά νούμερα για το καθένα. Σε ένα μικρό υπολογιστή όλες οι πληροφορίες μεταφέρονται σε μονάδες του ενός byte και αυτό είναι υπεραρκετό για να κωδικοποιηθούν όλοι οι χαρακτήρες, αριθμοί, γράμματα, σύμβολα μικρά και κεφαλαία τα οποία είναι χρήσιμα για τους υπολογισμούς. Συνήθως, μία συσκευή εισόδου του Η/Υ μεταφράζει κάθε χαρακτήρα από το πληκτρολόγιο σε δυαδική μορφή και τον διοχετεύει με τη μορφή μίας διαδοχής παλμών τάσεως μέσω ενός καλωδίου στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας πληροφοριών. Μέσα στον υπολογιστή το byte μετασχηματίζεται από μία σειρά παλμών σε μία παράλληλη μορφή έτσι ώστε χρειάζονται 8 παράλληλα σύρματα για να περάσουν πληροφορίες μεταξύ του κάθε ηλεκτρονικού εξαρτήματος της CPU. Η παράλληλη εργασία επαυξάνει την ταχύτητα εργασίας μέσα στον υπολογιστή. Για την αποθήκευση μίας εντολής απαιτούνται πολλές θέσεις μνήμης. Οι θέσεις αυτές αποτελούν μία λέξη (word). Το μέγεθος μίας λέξης καθορίζει: το μέγιστο μέγεθος ενός αριθμού ο οποίος μπορεί κατευθείαν να χρησιμοποιηθεί για υπολογισμούς, την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων, δηλαδή τον αριθμό των παράλληλων συρμάτων, το μέγιστο μέγεθος της μνήμης run που μπορεί να χειρισθεί ευθέως ο υπολογιστής. Οι θέσεις μνήμης που καταλαμβάνει μια εντολή, διακρίνονται σε θέσεις που καταλαμβάνονται από τον κώδικα της εντολής (π.χ. πρόσθεσε) και σε θέσεις που καταλαμβάνονται από τις διευθύνσεις (address). Οι διευθύνσεις προσδιορίζουν τη θέση όπου πρέπει να μεταφερθούν τα δεδομένα ή την θέση όπου πρέπει να μεταφερθεί η κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Στον Η/Υ υπάρχουν ορισμένα «κανάλια», τα οποία επιτρέπουν τη ροή των δεδομένων και σημάτων ελέγχου μεταξύ των διαφόρων μονάδων του, ή οδηγούν σε θέσεις μνήμης. Ονομάζονται αντιστοίχως γραμμές δεδομένων (data bus), γραμμές ελέγχου (control bus), ή γραμμές διεύθυνσης (address bus). Ο Η/Υ έχει γενικά μία τυπική κατασκευή και τρόπο λειτουργίας. Επειδή όμως τις περισσότερες φορές κατασκευάζεται, προγραμματίζεται και χρησιμοποιείται για ειδικές εργασίες, παρουσιάζει ορισμένες ιδιαιτερότητες. Τα δεδομένα (data) αποθηκεύονται σε ένα είδος μνήμης που καλείται RAM (Random Access Memory Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης). Η RAM αποτελεί ένα «σημειωματάριο» πάνω στο οποίο η CPU μπορεί να γράφει και να σβήνει ανάλογα με τις ανάγκες του υπολογιστή. Το πρόγραμμα εργασίας, απεναντίας, αποθηκεύεται, μόνιμα, σε ένα άλλο είδος μνήμης, το οποίο ονομάζεται ROM (Read Only Memory). Επειδή η κεντρική μονάδα επεξεργασίας πληροφοριών μπορεί μόνο να διαβάζει τα περιεχόμενα της ROM χωρίς να μπορεί να τα μεταβάλλει, η τελευταία παρομοιάζεται (σε αντιδιαστολή με τη RAM) με ένα βιβλίο. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 15

16 Προγραμματισμός Για την επίλυση οποιουδήποτε προβλήματος από τον Η/Υ είναι απαραίτητη η χρησιμοποίηση του αντίστοιχου προγράμματος. Πρόγραμμα είναι μία σειρά οδηγιών και εντολών για την επίλυση ενός προβλήματος. Μερικά προγράμματα διατίθενται έτοιμα στο εμπόριο, αλλά η πραγματική χρήση ενός Η/Υ δεν μπορεί να θεωρηθεί επαρκής, εάν αυτός που τον χρησιμοποιεί δεν μπορεί να συντάξει τα δικά του προγράμματα. Συνοπτικά, τα διάφορα στάδια ενός προγραμματισμού μπορούν να καταταγούν στα εξής: 1. Ανάλυση του προβλήματος 2. Μαθηματική έκφραση το προβλήματος 3. Εκλογή κατάλληλης μεθόδου επιλύσεως (αλγόριθμος) 4. Κωδικοποίηση του αλγορίθμου - λογικό διάγραμμα - χρήση γλώσσας προγραμματισμού 5. Έλεγχος του προγράμματος 6. Εκτέλεση του προγράμματος 7. Συμπεράσματα Το πρόβλημα που δίνεται στον Η/Υ πρέπει να είναι σαφές και να εξελίσσεται σύμφωνα με προκαθορισμένους νόμους για την εκτέλεση των πράξεων και κριτήρια για τη λήψη αποφάσεων από αυτόν. Το σύνολο των οδηγιών που δίνονται στον Η/Υ θα δώσει ένα αιτιοκρατικό προκαθορισμένο αποτέλεσμα. Το σύνολο των οδηγιών που δίνονται στον Η/Υ αποτελεί μία συνταγή, τον αλγόριθμο. Για να συνταχθεί ο αλγόριθμος για τη λύση ενός προβλήματος πρέπει προηγούμενα να περιγραφεί ένα λογικό διάγραμμα ροής (flow chart ή block diagram), δηλαδή μία εικόνα του τι θέλουμε να κάνει ο Η/Υ. Ένα λογικό διάγραμμα φαίνεται σαν να αποτελείται από διάφορα απλά σχήματα συνδεόμενα με γραμμές. Η γραμμή που συνδέει τα διάφορα αυτά σχήματα φέρει ένα βέλος. Το βέλος αυτό δείχνει τη σειρά διαγραφής του λογικού διαγράμματος που ταυτίζεται με τη σειρά εκτελέσεως των πράξεων από τον Η/Υ. Το διάγραμμα ροής καθορίζει τα βήματα που πρέπει να γίνουν για τη λύση ενός προβλήματος με υπολογιστή. Μία επαγγελματική προσέγγιση στην ανάλυση και στις απαιτήσεις του προγραμματισμού είναι να ακολουθείται μία συστηματοποίηση κατά τέτοιο τρόπο ώστε να διαχωρίζεται το πρόβλημα σε επιμέρους μικρότερα προγραμματιζόμενα βήματα. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η χρήση κακών τεχνικών προγραμματισμού. Αν κανείς προσπαθήσει αφού κάνει μερικά πρόχειρα διαγράμματα σε χαρτί, να γράψει αμέσως μετά κατευθείαν σε μία γλώσσα προγραμματισμού, τότε παράγεται ένα κακό πρόγραμμα το οποίο συνήθως δεν εκμεταλλεύεται στο μέγιστο τις γενικές ή ειδικές ιδιότητες και δυνατότητες τις οποίες έχει ο Η/Υ. Πολύ μεγάλα προγράμματα συνήθως μεγαλώνουν ακόμα περισσότερο και απαιτούν μεγάλη επιδεξιότητα. Συνήθως γίνεται μία αρχή για να λύσουμε ένα μέρος του προβλήματος και κατόπιν αφού αυτό έχει προγραμματιστεί σωστά, ενώνεται με το επόμενο μέρος του προβλήματος. Καλό είναι τέτοια προγράμματα να γράφονται σαν μία σειρά από υπορουτίνες που συνδέονται μεταξύ τους με διάφορα βήματα. Επίσης βοηθά τον πολύ καλό προγραμματισμό να Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 16

17 γράφεται μία πλήρη αναφορά για την εξέλιξη του προγράμματος. Μία τέτοια αναφορά πρέπει να περιγράφει τη σημασία των ονομάτων τα οποία χρησιμοποιούνται και πως τα διάφορα μέρη του προγράμματος ταιριάζουν το ένα με το άλλο. Εάν ένα μεγάλο πρόγραμμα δεν έχει τέτοια καλή τεκμηρίωση είναι δυνατόν να δημιουργηθούν προβλήματα κατανοήσεως της λογικής του προβλήματος. Επίσης, μία επακριβής περιγραφή είναι εξαιρετικά χρήσιμη όταν ένα πρόγραμμα πρέπει να εκσυγχρονισθεί μετά από μία ορισμένη χρονική περίοδο προκειμένου να καλύψει τυχόν νέες ανάγκες. Μετά την κατασκευή του αλγορίθμου, θα πρέπει αυτός να δοθεί στον Η/Υ. Είναι επομένως απαραίτητο να μετατραπεί (μεταφραστεί) ο αλγόριθμος αυτός σε γλώσσα κατανοητή από τον Η/Υ. Βασικά, ο Η/Υ καταλαμβάνει μόνο μία γλώσσα μηχανής (machine language). Τα δεδομένα και οι οδηγίες στη γλώσσα αυτή δίνονται στον Η/Υ με τη μορφή δυαδικών αριθμών. Η γλώσσα αυτή είναι αμέσως κατανοητή από τον Η/Υ, αλλά δύσκολη στην εκμάθησή της από τον άνθρωπο. Για το λόγο αυτό έχουν επινοηθεί παραλλαγές της γλώσσας αυτής κωδικοποιώντας μερικές εντολές με εύκολα απομνημονευόμενους συνδυασμούς γραμμάτων και αριθμών. Ακόμα μπορούμε να παραστήσουμε συμβολικά το μέρος της μηχανής που θα χρησιμοποιηθεί για το πρόβλημα και έτσι προκύπτει μία άλλη γλώσσα (assembly language). Για να γίνει κατανοητή από τον Η/Υ μία τέτοια γλώσσα χρησιμοποιείται ένα ειδικό πρόγραμμα μετάφρασης που λέγεται assembler (συναθροιστής). Όλες αυτές οι γλώσσες είναι προσανατολισμένες προς τη μηχανή (machine oriented) γιατί για την δημιουργία τους λαμβάνεται υπόψη ο Η/Υ και όχι το πρόβλημα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να εμφανίζουν αρκετά μειονεκτήματα και κυρίως είναι προσαρμοσμένες σε ένα ή το πολύ όλους τους Η/Υ ενός μόνο κατασκευαστή. Αντίθετα οι προσανατολισμένες προς το πρόβλημα γλώσσες (problem oriented) έχουν σκοπό να ξεπεραστούν αυτά τα μειονεκτήματα. Η δοκιμή και η λογική τους μοιάζει με τη δομή της ανθρώπινης γλώσσας και τη λογική ενός αλγορίθμου. Αυτές οι γλώσσες ονομάζονται υψηλού επιπέδου (high level) σε αντίθεση με τις χαμηλού επιπέδου δηλ. τις προσανατολισμένες προς τη μηχανή γλώσσες. Για τη γραφή τους χρησιμοποιούνται το αγγλικό αλφάβητο, οι αριθμοί και μερικά σύμβολα. Το σύνολο των οδηγιών που δίνεται στον Η/Υ από μία τέτοια γλώσσα λέγεται πηγαίο πρόγραμμα (source program). Στο πρόγραμμα αυτό πιθανόν να υπάρχουν διάφορα λάθη που διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: ορθογραφικά (συντακτικά) και λογικά λάθη. Τα πρώτα οφείλονται σε αβλεψία του προγραμματιστή ή άγνοια των βασικών συντακτικών κανόνων της γλώσσας προγραμματιστή, ενώ τα δεύτερα σε κακή εκτίμηση των συνθηκών του προβλήματος. Η ανεύρεση των λαθών ενός προγράμματος είναι ολόκληρη τεχνική που αποκαλείται debugging. Όταν λοιπόν δοθεί στον υπολογιστή ένα πηγαίο πρόγραμμα για επεξεργασία, τότε καλείται ο κατάλληλος συνθέτης (compiler), ο οποίος διαβάζει σχολαστικά τις εντολές του προγράμματος, τις τυπώνει (στην εκτυπωτική μηχανή) με τη σειρά που είναι γραμμένες ενώ συγχρόνως σημειώνει σε εντολές που τυχόν έχουν ορθογραφικά λάθη κώδικες που δείχνουν το είδος του λάθους. Σε περίπτωση λαθών, το πρόγραμμα πρέπει να διορθωθεί και να δοθεί πάλι για επεξεργασία. Στην περίπτωση όμως που ο συνθέτης δεν βρει ορθογραφικά λάθη δημιουργεί το αντικείμενο πρόγραμμα (object program), Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 17

18 που είναι η μετάφραση του πηγαίου σε γλώσσα μηχανής και το οποίο πρόγραμμα είναι εκτελέσιμο από τον υπολογιστή. Στο στάδιο αυτό, σκοπός του προγραμματιστή είναι να εντοπίσει τυχόν ύπαρξη λογικών λαθών, γι αυτό κατασκευάζει εικονικά δεδομένα ελέγχου (test data), για τα οποία μπορεί μόνος του να προβλέψει ή να υπολογίσει τα αποτελέσματα. Στη συνέχεια ο υπολογιστής καλείται να εκτελέσει το προς έλεγχο αντικείμενο πρόγραμμα, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα ελέγχου και αν τα αποτελέσματά του δεν είναι τα αναμενόμενα, τότε υπάρχουν ένα ή περισσότερα λογικά λάθη στο πρόγραμμα. Στην περίπτωση αυτή ο προγραμματιστής πρέπει να ελέγξει τη λογική διάρθρωση του προγράμματος για να εντοπίσει τα λάθη και να ξαναρχίσει την όλη διαδικασία από την αρχική φάση της μεταφράσεως του προγράμματος (compilation), μέχρις ότου τελικά να επιτύχει τα επιθυμητά αποτελέσματα. Τότε μπορεί να είναι κατά μεγάλο ποσοστό βέβαιος ότι δεν υπάρχουν λογικά λάθη στο πρόγραμμα και μπορεί να προχωρήσει στην εκτέλεσή του με τα πραγματικά πια δεδομένα του προβλήματος. Μερικές από αυτές τις προσανατολισμένες προς το πρόβλημα γλώσσες είναι η FORTRAN (Formula Translation), η COBOL (Common Business Oriented Language) και η BASIC (Beginners All Purpose Symbolic Instruction Code). Η χρήση τους προϋποθέτει την ύπαρξη του κατάλληλου συνθέτη (compiler) στον Η/Υ. Πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί και άλλες γλώσσες προγραμματισμού όπως π.χ. η C+++ κλπ. Η γλώσσα BASIC αναπτύχθηκε στο Κολλέγιο του από τους John Kamery και Thomas Kurtz οι οποίοι αναγνώρισαν την ανάγκη δημιουργίας μίας γλώσσας πολλαπλών χρήσεων που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από αρχάριους προγραμματιστές που έχουν διαφορετικές και ποικίλες γνώσεις. Η BASIC (Beginners All Purpose Symbolic Instruction Code) σχεδιάστηκε αρχικά σαν μία απλή γλώσσα που θα μπορούσε να μαθευτεί σε λίγες ώρες. Με την πάροδο του χρόνου έγιναν πολλές βελτιώσεις, ώστε σήμερα απαιτούνται μερικές μέρες για να μάθει κανείς την BASIC, αλλά μετά από αυτό μπορεί κανείς να προγραμματίσει σχεδόν οποιοσδήποτε πρόβλημα. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ ειδικά για Ιατρικές Εφαρμογές μία ειδική γλώσσα η MUMPS (Massachusetts General Hospital Utlity Multi-Programming System). Η MUMPS είναι μία υψηλού επιπέδου γλώσσα που είναι ικανή να κάνει πολύπλοκους συνδυασμούς δεδομένων όπως π.χ. αυτοί που απαιτούνται για διάγνωση στην Ιατρική. Σήμερα υπάρχουν έτοιμα προγράμματα τα οποία είναι κοινά σε πολλές περιοχές εφαρμογών με Η/Υ και έτσι τα προγράμματα τα οποία έχουν αναπτυχθεί για ένα σκοπό μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλες περιπτώσεις. Έτοιμα πακέτα προγραμμάτων υπάρχουν για αρχειοθέτηση και αποθήκευση μεγάλων όγκων πληροφοριών. Υπάρχουν ακόμη για επιστημονικούς σκοπούς πακέτα προγραμμάτων για ανάλυση συχνοτήτων, προσέγγιση καμπυλών και ένας αριθμός από σύνθετα μαθηματικά προβλήματα για πυρηνική και ατομική φυσική. Ένα σπουδαίο πεδίο για προγράμματα είναι η επεξεργασία κειμένων (word processing). Αυτά τα πακέτα επιτρέπουν στον χειριστή να αποθηκεύει, να ανακαλεί και να διορθώνει οποιοδήποτε γραπτό υλικό. Οι λέξεις μπορούν να ανακαλούνται ανά σελίδα Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 18

19 κειμένου και να διορθώνονται, να αλλάζουν, να διαγράφονται ή να προστίθενται λέξεις, προτάσεις και παράγραφοι ώστε να αναπλάθεται από κάποιο παλιό κείμενο ένα καινούργιο. Επίσης η δημιουργία γραφικών παραστάσεων με τη βοήθεια Η/Υ συνήθως απαιτεί έτοιμα πακέτα προγραμμάτων. Μία καλή σειρά προγραμμάτων επιτρέπει σε ένα σχετικά άπειρο χειριστή να παράγει από γνωστούς πίνακες διάφορα γραφήματα στην οθόνη ή σε κάποιο εκτυπωτή ή plotter χρησιμοποιώντας το ελάχιστο εντολών και πληροφοριών. Τέτοια έτοιμα πακέτα προγραμμάτων υπάρχουν πολλά στο εμπόριο για χρήση είτε από ιδιώτες γιατρούς ή από μεγαλύτερα νοσοκομεία. Άλλα είναι σχεδιασμένα μόνο για αρχειοθέτηση ή για εμπορικές εφαρμογές, άλλα μπορεί να είναι σχεδιασμένα για εργασία σε πραγματικό χρόνο για ανάλυση πληροφοριών ή για επιστημονικές συσκευές. Για αρχεία νοσοκομείων, το σύστημα πρέπει να μπορεί να υποστηρίζει πολλά τερματικά ή VDU για τα διάφορα τμήματα του νοσοκομείου τα οποία πρέπει να έχουν δυνατότητα προσπελάσεως στις πληροφορίες. Η βέλτιστη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της τεχνολογίας των Η/Υ και των προγραμμάτων σε συνάρτηση με το χρόνο αποτελεί ξεχωριστό πεδίο εφαρμογών. Πχ ο προγραμματισμός του Η/Υ τη νύχτα, όταν συνήθως οι απαιτήσεις είναι μικρότερες, να μπορεί να χρησιμοποιείται για την εκτύπωση των αρχείων που περιγράφουν τι υπάρχει στις αποθήκες του νοσοκομείου, τις βάρδιες του προσωπικού ή ακόμα και στατιστικές αναλύσεις. Μπορούμε επίσης να κανονίσουμε λειτουργίες ή προγράμματα τα οποία να δουλεύουν στον υπολογιστή με προτεραιότητα δηλαδή κάποιο απ αυτά να είναι πρωτεύον και κάποιο άλλο δευτερεύον και εφόσον δεν υπάρχει εργασία ή εισαγωγή δεδομένων στο πρωτεύον να τρέχει τότε το δευτερεύον αλλά να διακόπτεται οποτεδήποτε υπάρχει μία ειδοποίηση στον υπολογιστή ότι θα πρέπει να εκτελεστεί κάποιο πιο πρωτεύουσας σημασίας πρόγραμμα. Οι μεγαλύτερες μηχανές μπορεί να παρέχουν δυνατότητα για πολλούς χειριστές στους οποίους ο καθένας να έχει ένα κομμάτι της μνήμης του υπολογιστή αφιερωμένο για την εργασία του. Συνεπώς η κάθε δουλειά που κάνει κάποιος χειριστής να μην εμποδίζεται ή να μην επεμβαίνει στο πρόγραμμα το οποίο κάποιος άλλος χειριστής μπορεί να χρησιμοποιεί. Παρόλα αυτά μπορεί να υπάρχουν διακοπές στην εξυπηρέτηση όταν π.χ. δύο ή περισσότεροι χειριστές προσπαθήσουν να πάρουν πληροφορίες από το ίδιο αρχείο κάποιου δίσκου. Προγράμματα για ειδικές εργασίες ή ειδικούς σκοπούς μπορούν να παραγγελθούν σε κάποιο ειδικό οίκο (software house). Στην περίπτωση, αυτή τα ειδικά προγράμματα που απαιτούν προγραμματισμό από την αρχή κοστίζουν περισσότερο. Για το λόγο αυτό αν και υπάρχουν και πολλά άλλα έτοιμα γραμμένα προγράμματα για Ιατρικές εφαρμογές, είναι χρήσιμη η εκμάθηση της γλώσσας αυτής για την επίλυση πολλών εξατομικευμένων προβλημάτων. Αρχειοθέτηση Μια από τις σπουδαιότερες ικανότητες του Η/Υ είναι η ικανότητά του να αποθηκεύει και να ανακαλεί μεγάλες ποσότητες δεδομένων ή προγράμματα και πηγές από τα Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 19

20 περιφερειακά του τμήματα. Εκτός από την ταχύτητα λειτουργίας, αυτή είναι η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ μίας αριθμομηχανής και ενός Η/Υ. Το αρχείο είναι δεδομένα (μικρά ή μεγάλα σε ποσότητα) που ο προγραμματιστής θέλει να αποθηκεύσει μαζί σε ένα περιφερειακό τμήμα. Ο τρόπος που αποφασίζει ο προγραμματιστής ποιά δεδομένα θα μπουν στο αρχείο, μοιάζει με τον τρόπο που ένα αρχειοθέτης αποφασίζει ποια χαρτιά θα μπουν στους φακέλους στην αρχειοθήκη (μία εργασία που δεν είναι πάντα τόσο λογική όσο θα έλπιζε κανείς). Χαρτιά και σημειώσεις αποθηκευμένα μέσα σε φακέλους κατατάσσονται σε κάποια λογική σειρά. Όμοια, κάθε χαρτί ή σημείωση αποτελείται από παραγράφους κατανεμημένες σε προκαθορισμένη σειρά. Κάθε παράγραφος περιέχει χαρακτήρες που είναι αλφαβητικοί, αριθμητικοί ή συμβολικοί. Η μόνη διαφορά μεταξύ φακέλου αρχείων και του αρχείου Η/Υ είναι ότι τα δεδομένα αποθηκεύονται στα περιφερειακά τμήματα αποθήκευσης με ηλεκτρονικό ή μαγνητικό τρόπο. Ο χρήστης σε κάθε εργασία που θα κάνει στο σύστημα χρησιμοποιεί ένα ή περισσότερα αρχεία. Τα αρχεία αυτά θεωρούνται ότι είναι «συνδεδεμένα» με την εργασία του χρήστη. Αρχείο (file) είναι μία συλλογή πληροφοριών (data), που έχει κάποιο όνομα. Τα αρχεία χωρίζονται σε απλά (single files) και σύνθετα (multi-file files). Κάθε αρχείο έχει την αρχή του ΒΟΙ (beginning of information) και το τέλος του ΕΟΙ (end of information). Ένα απλό αρχείο αποτελείται από ένα ή περισσότερα λογικά τμήματα που λέγονται Records. Κάθε λογικό record έχει μέσα σε ένα αρχείο το τέλος του EOR (end of record) με το οποίο χωρίζεται από το επόμενο λογικό record. Ένα σύνθετο αρχείο αποτελείται από περισσότερα του ενός απλά στοιχεία που χωρίζονται μεταξύ τους με EOF (end of file). Ένα απλό αρχείο λοιπόν έχει την εξής μορφή: (**) ΒΟΙ DATA EOR DATA EOR DATA EOR EOF EOI record 1 record 2 record n Ενώ ένα σύνθετο έχει τη μορφή: (*) (*) BOI DATA EOR DATA EOR EOF DATA EOR DATA EOR EOF file 1 file 2 (**) DATA EOR DATA EOR EOF EOD file n Τα (*) μπορούν να αντικατασταθούν μόνο με EOF. Τα (**) μπορούν να αντικατασταθούν μόνο με ΕΟΙ. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 20

21 Κάθε αρχείο ανήκει σε ένα από τα πιο κάτω: Αρχεία (Files) Τοπικά (Local) Μόνιμα (Permanent) Πρωτεύοντα (Primary) Δευτερεύοντα (Secondary) Έμμεσα (Indirect) Άμεσα (Direct) Τοπικά αρχεία είναι τα αρχεία, που υπάρχουν μόνο όσο χρόνο ο χρήστης βρίσκεται σε επικοινωνία με το σύστημα. Το σύστημα διαγράφει μόνο του τα αρχεία αυτά μετά το τέλος της επικοινωνίας, εκτός εάν στο μεταξύ ο χρήστης τα έχει «φυλάξει» στο δίσκο χρησιμοποιώντας σχετικές εντολές του λειτουργικού συστήματος. Τοπικά αρχεία μπορεί να είναι αντίγραφα μονίμων αρχείων, που θέλει να επεξεργασθεί ο χρήστης ή ακόμη και βοηθητικά (πρόχειρα) αρχεία, που χρησιμοποιούνται κατά την εκτέλεση κάποιου προγράμματος ή κατά τη διάρκεια κάποιας άλλης εργασίας. Τα τοπικά αρχεία χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες: πρωτεύοντα και δευτερεύοντα. Από όλα τα τοπικά αρχεία που βρίσκονται μέσα στον «πρόχειρο» χώρο εργασίας του χρήστη μόνο ένα μπορεί να είναι πρωτεύον. Τα υπόλοιπα είναι δευτερεύοντα. Μόνιμα αρχεία είναι τα αρχεία που δημιουργεί και διαχειρίζεται ο χρήστης και τα οποία φυλάσσονται μόνιμα στο δίσκο (εκτός εάν ο χρήστης τα σβήνει). Τα μόνιμα αρχεία είναι άμεσα και έμμεσα. Ένα έμμεσο αρχείο χρησιμοποιείται μόνο μέσω τοπικού αντιγράφου του. Προκειμένου δηλαδή κάποιος να διαχειριστεί κάποιο έμμεσο αρχείο πρέπει να πάρει μέσα στον πρόχειρο χώρο εργασίας του ένα τοπικό αντίγραφό του. Διαχειρίζεται λοιπόν ο χρήστης το τοπικό αντίγραφο και στη συνέχεια εφόσον θέλει το τοποθετεί στο δίσκο, είτε με το όνομα του παλιού έμμεσου αρχείου, είτε με κάποιο άλλο όνομα. Αντίθετα τα άμεσα αρχεία διαχειρίζονται απ ευθείας και όχι μέσω τοπικών αντιγράφων τους. Ένα άμεσο αρχείο παρέχει τη δυνατότητα συγχρόνου προσπελάσεώς του, από περισσότερους του ενός χρήστες-δυνατότητες που δεν έχουν τα έμμεσα αρχεία δεδομένου ότι κάθε χρήστης δουλεύει στο δικό του τοπικό αντίγραφο. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 21

22 Οι γλώσσες Η/Υ συχνά εφοδιάζουν με μία φυσική μέθοδο διαχείρισης των αρχείων σε records, καθένα από τα οποία μπορεί να υποδιαιρεθεί σε πεδία (fields) και κάθε πεδίο μπορεί να έχει πολλούς χαρακτήρες. Ιατρικά Αρχεία και Βάσεις Δεδομένων Τα Συστήματα Ηλεκτρονικής Επεξεργασίας και Διαχείρισης Εγγράφων (Document Management Systems) εξυπηρετούν τη συλλογή, ψηφιοποίηση, ταξινόμηση και αρχειοθέτηση σε αποθηκευτικά μέσα διαφόρων εγγράφων, φωτογραφιών, σχεδίων, αρχείων πολυμέσων, βίντεο, ήχου, ιστοσελίδων κ.λπ. με ηλεκτρονικό τρόπο. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μέσα ("χειροκίνητη", χειρόγραφη αρχειοθέτηση), που "μεταφράζονται" σε ογκώδεις ντουλάπες, στοίβες φακέλων και φθαρμένα από την πάροδο του χρόνου έγγραφα, η σύγχρονη μέθοδος συνίσταται σε εικονικά, ψηφιακά "συρτάρια και ντουλάπες" και σε έγγραφα που βρίσκονται σε ηλεκτρονική μορφή σε κάποιον server ή δίσκο, μαγνητικό ή οπτικό. Η ψηφιακή αρχειοθέτηση και διαχείριση τις οποίες επιτελούν τα συστήματα Document Management, βασίζονται σε δύο άξονες: στην υποδομή hardware (servers, επεξεργαστές, αποθηκευτικά μέσα, σαρωτές) και στο κατάλληλο λογισμικό (software) που αρχειοθετεί και διαχειρίζεται τα έγγραφα. Η λειτουργία των συστημάτων Ψηφιακής Διαχείρισης Εγγράφων ξεκινά από ένα φυσικό (έντυπο) έγγραφο, το οποίο πρέπει πρώτα να ψηφιοποιηθεί και κατόπιν να εισαχθεί στο σύστημα και φθάνει μέχρι την ανάκτηση ενός ψηφιακού εγγράφου που πρέπει να εντοπιστεί, να προβληθεί στην οθόνη και να εκτυπωθεί. Τα περισσότερα συστήματα Document Management επιτελούν τουλάχιστον 4 βασικές λειτουργίες: α. Σάρωση οποιουδήποτε φυσικού εγγράφου μέσω συσκευής χειρός ή επιτραπέζιας, με ταυτόχρονη ψηφιοποίηση, εισαγωγή στο σύστημα και αποθήκευση σε σκληρούς, μαγνητικούς ή οπτικούς δίσκους. β. Αρχειοθέτηση του εγγράφου βάσει των κριτηρίων που θέτει ο ίδιος ο χρήστης και συνοδεία σχετικών πληροφοριών (ημερομηνία καταχώρησης, είδος, περίληψη εγγράφου κ.λπ.) γ. Αναζήτηση καταχωρημένων εγγράφων με διάφορα κριτήρια και εντοπισμός τους σε μηδενικό χρόνο. δ. Πρόσβαση και προβολή του επιθυμητού εγγράφου, εκτύπωση, αποστολή με φαξ ή με ηλεκτρονικό ταχυδρομείο. Επιπλέον, τα εν λόγω συστήματα προσφέρουν μια πλειάδα εφαρμογών, που δίνουν την ευκαιρία διαχείρισης των εγγράφων, τη συνεργασία με άλλα συστήματα που τυχόν υπάρχουν στην επιχείρηση και την εξασφάλιση ότι τα δεδομένα ούτε πρόκειται να χαθούν αλλά ούτε και να πέσουν στην αντίληψη μη εξουσιοδοτημένων χρηστών. Σήμερα, η ψηφιακή αρχειοθέτηση είναι ανάγκη και όχι πολυτέλεια. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 22

23 Κάθε χρόνο, στα ιατρικά αρχεία προστίθενται μεγάλες ποσότητες χαρτιού. Το «παραδοσιακό» πρόβλημα των υπαλλήλων αρχειοθέτησης στα νοσοκομεία είναι η ενημέρωση, η ταξινόμηση και η διαφύλαξη των εγγράφων, καθώς επίσης και η ανεύρεση του καθενός όταν χρειαστεί. Εξάλλου όταν κάποιο συγκεκριμένο έγγραφο είναι ζωτικής σημασίας για τη νοσηλεία ενός ασθενή, αφού βρεθεί, δεσμεύεται τουλάχιστον για μερικές ώρες από το γιατρό που θέλει να το μελετήσει. Στο χρονικό αυτό διάστημα κανείς άλλος, μέσα ή έξω από το νοσοκομείο, δεν μπορεί να το χρησιμοποιήσει. Ακόμα η αρχειοθέτηση με Η/Υ κατεβάζει το κόστος. Σε μελέτες που έχουν γίνει στις ΗΠΑ έχει φανεί ότι απαιτούνται περίπου τετραπλάσια ποσά ανά σελίδα αρχείου ανά έτος για την τήρηση αρχείων με τον παραδοσιακό τρόπο σε σύγκριση με τους Η/Υ. Αν σ αυτά προστεθούν οι ανάγκες αναπαραγωγής (φωτοτυπίες κλπ προσωπικό κλπ) τότε το κόστος εικοσαπλασιάζεται. Σήμερα, τα προβλήματα της αρχειοθέτησης λύνουν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές ή μιλώντας ακριβέστερα, τα Συστήματα Ηλεκτρονικής Επεξεργασίας Πληροφοριών (Σ.Η.Ε.Π.). Όλες οι χρήσιμες πληροφορίες, το όνομα του ασθενή, η διεύθυνσή του, το φύλλο του, η ημερομηνία εισόδου του στο νοσοκομείο, το ιστορικό του και η θεραπεία του, καταγράφονται μόνιμα σε αποθηκευτικά μέσα (πχ σκληρούς δίσκους). Μία εικόνα διατήρησης records μπορούμε να δούμε στο τμήμα Πυρηνικής Ιατρικής που επιθυμεί να διατηρεί μία λίστα όλων των ασθενών που νοσηλεύτηκαν, μαζί με το ιστορικό και τα ευρήματα του scanning. Αυτή η λίστα ασθενών θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε ένα περιφερειακό τμήμα αποθήκευσης σαν αρχείο. Το αρχείο θα έχει ένα record για να σημειώνει δεδομένα για κάθε ασθενή. Τα δεδομένα του ασθενή θα μπορούσαν να διαιρεθούν σε πεδία. Για παράδειγμα, το όνομα του ασθενούς αναπαριστά το πεδίο 1. Ο αριθμός μητρώου του ασθενούς αναπαριστά το πεδίο 2 και η διάγνωση του ασθενή αναπαριστά το πεδίο 3. Κάθε πεδίο αποτελείται από χαρακτήρες στην περίπτωση του πεδίου 1 (το όνομα ασθενούς) οι χαρακτήρες είναι αλφαβητικοί, ενώ στην περίπτωση του πεδίου 2 (ο αριθμός νοσοκομείου) το πεδίο αποτελείται από αριθμητικούς χαρακτήρες και σύμβολα. Ένα δεύτερο παράδειγμα αρχείου μπορούσε να είναι μία σειρά παραστάσεων από ένα αγγειοκαρδιογράφημα. Σε αυτή την περίπτωση, το πρώτο record αποτελείται από δημογραφικά δεδομένα όπως το όνομα ασθενούς, αριθμός μητρώου και τύπος εξέτασης και καθένα από τα επόμενα records περιέχει μία παράσταση. Σε αυτή την περίπτωση το πρώτο record είναι διαφορετικό από τα υπόλοιπα και το πρόγραμμα που εξετάζει αυτά τα δεδομένα πρέπει να διαφοροποιηθεί μεταξύ του πρώτου και των επόμενων records. Όλα τα καλά λειτουργικά συστήματα εφοδιάζουν το χρήστη με μία δυνατότητα κατασκευής αρχείου. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να ενδιαφερθεί για τις φυσικές λεπτομέρειες ενός τμήματος αποθήκευσης μαζικών πληροφοριών αλλά στο να μπορεί να μεταχειρίζεται τα δεδομένα με εκφράσεις μίας δομής που σχετίζεται φυσικά με την εφαρμογή. Το απαραίτητο πρόγραμμα για την μετάφραση της δημιουργηθείσας από το χρήστη δομής σε γλώσσα μηχανής δίνεται από το λειτουργικό σύστημα. Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής 23