Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi, Iași Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației Triangulaţia și aplicații (referat) Profesor: Sl. Dr. Ing. Ionescu Daniela Student: Mujdei Adrian - 56 RC
Introducere În trigonometrie și geometrie, triangulația este un mod de determinare a poziției unui punct prin măsurarea unghiurilor dintre aceasta și alte două puncte de referință a caror pozitie este cunoscută și care constituie o bază fixă, în locul măsurarii directe a distanței spre un punct (trilaterație). Punctul se fixeaza apoi ca al treilea vârf al unui triunghi cu o latură și două unghiuri cunoscute. Principiul triangulației este utilizat la realizarea măsuratorilor precise folosind senzori de triangulație laser. Procedeul de funcționare se bazează pe ipoteza că raza emisă, raza reflectată și distanța între emițătorul laser și detector formează un triunghi. 2
Principiul de funcționare Senzorii de triangulație cu laser includ un detector CMOS și o sursă de lumină cu lumină solidă. Acestea funcționează pe baza principiului în care un fascicul laser este proiectat pe ținta unde se va măsura și o parte din acest fascicul este apoi reflectat pe un detector. Odată cu mișcarea țintei, fasciculul laser se deplasează pe detector (Figura 1). Figura 1. Functionarea senzorului de triangulație cu laser Detectorul trimite un semnal care este utilizat pentru a măsura distanța relativă față de obiect sau țintă. Aceste date sunt de obicei disponibile printr-o interfață digitală (binară), o ieșire analogică sau un afișaj digital pentru procesare. 3
Caracteristici ale senzorilor cu laser: Distanța de oprire - În acest punct de operare, raza reflectată se află în mijlocul detectorului, iar laserul se găsește la punctul său central de focalizare; Non-contact - pot măsura cu precizie deplasarea sau poziția unui obiect fara a-l atinge; Sensibilitatea - raportul de deplasare care are loc pe unitatea de măsură și este de obicei exprimat în micron; Rezoluția - cea mai mică cantitate de schimbare de distanță care poate fi ușor determinată; Linearitatea - într-o condiție adecvată, ieșirea senzorului ar fi complet liniară și nu s-ar abate de la o linie dreaptă în nici o situație. Cu toate acestea, vor exista mici abateri de la această linie care definesc liniaritatea sistemului. Aplicație a senzorului de triangulație cu laser O posibilă aplicație în care se folosește metoda triangulației cu laser este cea în care se măsoară pulsația arterială prin detectarea vibrațiilor de pe suprafața pielii. Sistemul constă dintr-o diodă laser și un sensor de imagine CMOS. Triangulația laser și metoda centroidă sunt combinate cu Transformata Fourier Rapidă (FFT). Forma și frecvența pulsației arteriale pot fi detectate rapid utilizând acest sistem. Variația relativă a pulsului obținută la diferite măsuratori în jurul încheieturii mâinii este folosită ca un pronostic în medicina chineză tradițională. Din rezultatele experimentelor, amplitudinea pulsului și frecvența acestuia preluate de la mâna stângă arată o creștere după alimentație. În acest caz, amplitudinea vârf la vârf și frecvența pulsului arterial pot fi în intervale de la 38 la 48 μm, respectiv de la 1.27 la 1.35 Hz. Pulsația arterială preluată de pe o suprafață din jurul încheieturii mâinii poate fi estimată cu o rezoluție de 4 μm. Forma de undă a pulsației arteriale este considerată un indicator important în diagnosticarea bolilor cardiovasculare. Anormalitățile acestei forme de undă reprezintă o dereglare cardiovasculară. Astfel, citirea formelor de undă a pulsului arterial fără distorsiuni a devenit o chestiune foarte importantă în procesarea semnalelor biomedicale. În acest proiect se descrie sistemul de măsurare al pulsului arterial și se prezintă rezultatele testelor făcute pentru a vedea acuratețea măsurătorilor. Rata pulsațiilor a fost derivată din spectrul de frecvență a vibrațiilor spotului laserului și au arătat o mare precizie prin comparație cu datele preluate de la un difuzor a cărui membrană vibrează la o anumită frevență dată de un generator. Validarea frecvenței pulsului s-a mai facut și prin măsurători efectuate cu un monitor standard pentru tensiune arterială. 4
Sistemul pentru măsurarea pulsației arteriale (MPA) combină Transformata Fourier Rapidă (FFT), medoda centroidă și metoda triangulației optice. Spectrul frecvențelor pentru forma de undă a pulsului arterial măsurat într-un punct specific este obținut prin metoda FFT. Metoda triangulației cu laser are o structură simplă, făcând posibilă măsurarea pulsului fără a lua contact cu suprafața pielii. Datele experimentale arată ca schimbările în forma de undă a pulsului arterial pot fi detectate analizând mișcările centroide ale spotului laserului. Schimbările centroide ale spotului laserului pot fi transformate în magnitudinea unei înălțimi relative cauzate de vibrații ale pielii. Principiul de bază al sistemului propus este descris în următoarele rânduri. Pentru a putea măsura pulsul neatingând suprafața pielii, sunt folosite o diodă laser, un driver laser și un senzor de imagine CMOS. Dioda laser emite lumina laser pe suprafața pielii unde se măsoara pulsul și variația spotului este capturată de senzorul de imagine CMOS și apoi proiectată printr-o împrăștiere de puncte ce reprezintă pulsația arterială. Aceste puncte sunt procesate prin metoda FFT pentru a determina amplitudinea și frecvența pulsului. Sistemul MPA în formă geometrică este reprezentat în Figura 3, unde X reprezintă distanța dintre punctul unde se măsoară pulsul și lentilele diodei laser, iar δx sunt fluctuațiile mici ale suprafeței pielii datorate pulsației. Figura 3. Schema geometrică a sistemului MPA 5
După experimentele făcute în acest studiu, cea mai mică amplitudine care poate fi citită este d = 0.8 μm. După calibrare, această valoare corespunde la o rezoluție de 9.5 μm. Această rezoluție este suficientă pentru a detecta vibrațiile pulsului unui om. Implementarea fizică a dispozitivului se regăsește în Figura 4. Amplitudinea și frecvența pulsului arterial pot fi obținute prin analizarea poziției spotului. Figura 4. Implementarea fizică a dispozitivului MPA Pentru a detecta spotul de lumină al laserului cu o acuratețe ridicată și stabilitate, s-a folosit un senzor de imagine CMOS (HV7131D), cu o arie activă de 5.3 x 3.8 mm 2. Senzorul are o dimensiune de 648 x 488 pixeli și fiecare pixel prezintă o mare sensibilitate. Poate converti energia fotonică într-un semnal analogic (tensiune) cu o rezoluție de 8 μm. Senzorul CMOS conține 3 chipuri de 8 biți pentru conversia digital-analogică (DAC) și 648 de comparatoare pentru a codifica ieșirea în pixeli. Puterea de ieșire a diodei laser alese (QL63d5sA) este de 1.3 mw, lungimea de undă este de 650 nm iar lățimea spectrală aproximativ 20 nm. Diametrul spotului laserului pe suprafața pielii este aproximativ 1 mm, transmițând un spot de zeci de pixeli către senzorul CMOS. La incidența normală a luminii laser, apare o reflectare a puterii de 4 ~ 7% datorită diferențelor dintre indicii de refracție ai straturilor de piele. Lumina împrăștiată de pe suprafața pielii este cel mai important semnal pentru măsurarea pulsului. Cu toate acestea, fotonii care penetrează straturile de piele sunt de asemenea împrăștiați, oferind reflexii difuze. Timpul de expunere (TE, echivalent cu nivelul de câștig) al senzorului CMOS poate fi ajustat la diferite 6
niveluri pentru diferite situații. Aceasta înseamnă că raportul semnal-zgomot (SNR) poate fi îmbunătățit prin setarea nivelului de câștig. Calibrare și validare Datele au fost înregistrate de un senzor de imagine CMOS și transmise pe un computer pentru analize suplimentare. Imaginile au fost salvate în format bitmap pentru prelucrarea ulterioară a imaginilor și analiza spectrului de frecvențe. Cincisprezece cadre pe secundă au fost capturate de către senzorul de imagine CMOS. Imaginile capturate de senzorul de imagine CMOS au durat 10 sau 20 de secunde în fiecare măsurătoare. Figura 5. Calibrarea sistemului MPA Calibrarea amplitudinii sistemului MPA este destul de simplă (Figura 5). Peste translator a fost plasată o foaie albă ca panou de referință, apoi se poate calibra deplasarea laserului ajustând elevația translatorului pas cu pas. 7
Deviația standard a fost aproximativ echivalentă cu 3.8 μm. Aceasta demonstrează ca sistemul MPA are o stabilitate ridicată în efectuarea măsurătorilor. Calibrarea frecvenței a fost efectuată prin măsurători experimentale ale vibrațiilor membranei unui difuzor determinate de un generator de mare precizie cu o frecvență specifică (LFG-1300, Leader, Inc.). Astfel, această frecvență poate fi considerată ca și frecvență de referință pentru calibrarea frecvenței sistemului MPA. Schema pentru calibrarea frecvenței se găsește în Figura 6. Figura 6. Calibrarea frecvenței sistemului MPA Rezultatele calibrării de la 0.6 la 2.0 Hz sunt în Tabelul 1. Eroarea maximă poate ajunge la 2.5%, ceea ce ar însemna cam 1.8 bătăi/minut. 8
Tabelul 1. Pentru o încredințare și mai mare că acest dispozitiv este foarte apropiat de realitate, precizia frecvenței măsurate de sistemul MPA a fost validată și prin comparație cu rezultatele obținute de la un monitor standard pentru tensiune arterială (Model No.: OS-512, OSIM, Inc.). La studiu au participat 10 voluntari. Rezultatele experimentale se află în Tabelul 2. Diferența dintre rezultatele măsurătorilor obținute cu sistemul MPA și cu monitorul standard pentru tensiune arterială nu a fost mai mare de 2.8 %, adica 2 bătăi pe minut. Tabelul 2. Variațiile poziției spotului laserului măsurate în domeniul timp sunt ilustrate în Figura 7 cu linie subțire. Aceste variații ale formei de undă conțin informații despre: frecvența și amplitudinea pulsației arteriale, respirație, mișcări ale mâinii, tremur involuntar al corpului. În general, pulsul uman are o frecvență între 0.7 si 2 Hz. Datele măsurate au fost filtrate cu un filtru trece bandă și sunt reprezentate în Figura 7 prin linia îngroșată. În Figura 7 valoarea vârf la vârf medie a formei de undă îngroșată este de aproximativ 0.6 pixeli, ceea ce înseamnă că amplitudinea pulsului este aproximativ egală cu 57 μm. 9
Figura 7. Semnalul spotului laser în domeniul timp Spectrul de frecvență pentru forma de undă din Figura 7, după aplicarea filtrului trece bandă este ilustrat în Figura 8. Figura 8. Analiza spectrului după aplicarea filtrului trece bandă 10
Concluzii Bazată pe teoria triangulației cu laser, în acest studiu este dezvoltată o metodă non-invazivă și non-contact care măsoară pulsația arterială prin detectarea micro-vibrațiilor de pe suprafața pielii. Sistemul MPA este alcătuit dintr-o diodă laser și un senzor CMOS, iar costul de implementare a acestuia este mic. Formele de undă ale pulsului pot fi detectate ușor cu acest sistem. Rezoluția măsurătorilor este de ordinul micrometrilor. Testele care s-au efectuat arată ca performanțele sistemului sunt destul de bune. Dacă s-ar folosi un senzor CMOS mai rapid, care ar prelua 200 de cadre pe secundă și dacă am putea folosi o mărime a pixelului mai mica, forma de undă obținută ar fi mai precisă. (Efectul de pistrui al laserului ar putea fi redus daca s-ar putea alege o lumină necoerentă. Aceasta ar reduce și zgomotul cauzat de lumina emisă de către laser.) Chiar dacă demonstrațiile făcute nu sunt suficiente pentru ca acest sistem să fie folosit în clinici, ele folosesc la testarea și evaluarea metodei. În viitor, acest sistem ar putea fi îmbunătățit prin utilizarea a 3 surse de lumină care să verifice pulsul simultan în 3 puncte diferite ale încheieturii mâinii. Referințe: https://ro.wikipedia.org/wiki/triangula%c8%9bie https://www.azosensors.com/article.aspx?articleid=523 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc3841900/ 11