Электроника медицинская => Электронная вычислительная машина

Электроника медицинская

Электроника медицинская - область техники, связанная с разработкой, конструированием и производством медицинских электронных приборов и аппаратов.

Электронная вычислительная машина

Электронная вычислительная машина - автоматическое устройство для обработки информации с помощью электронных схем.

Предшественниками современных электронных вычислительных машин (ЭВМ) являются известные уже в средневековье музыкальные и антропоидные автоматы — механические устройства, осуществлявшие перевод предварительно закодированной информации в строго определенную последовательность действий. Первые попытки применения подобных устройств для автоматизации вычислений известны с середины 17 в. Они связаны с изобретательской деятельностью выдающегося французского математика, философа и мыслителя Паскаля (В. Pascal), сконструировавшего в 1641—1642 гг. суммирующую машину, и немецкого математика, юриста и биолога Лейбница (О.W. Leibniz), создавшего в 1673—1674 гг. универсальную арифметическую машину. В начале 19 в. (1808 г.) французский изобретатель Жаккар (J.М. Jacquard) предложил устройство для задания ткацкому станку различных наборов команд в виде комбинаций дырочек на картонной карточке (перфокарте), которыми кодировался тот или иной тип рисунка ткани. Впоследствии этот подход воплотился в один из распространенных методов ввода-вывода информации в устройствах вычислительной техники, лег в основу программного управления самыми разнообразными станками, а идея реализовалась в современное программирование. Принципы устройства часового механизма, идеи Паскаля, Лейбница и Жаккара в 30-е гг. 19 в. были обобщены и развиты английским математиком Беббиджем (Ch. Babbage), предложившим проект «аналитической машины». Замысел настолько опередил время, что его удалось реализовать в целом только почти полтора века спустя — в виде современных ЭВМ. Приоритет Беббиджа косвенно закрепился в названии большой группы электромеханических устройств для вычислений — счетно-аналитических машин, используемых с начала 20 в. по наши дни в учетно-бухгалтерской и т.п. практике.

Исходные принципы структурной организации, работы и управления современными ЭВМ были сформулированы уже во второй половине 40-х гг. американским математиком Нейманом (J. Neumann) и в главном сохранились до нашего времени («ЭВМ состоит из процессора, памяти и внешних устройств»), так же как и способы внутреннего представления информации в ЭВМ (в виде двоичного кода) и методы ее переработки с помощью электронных схем. Первые ЭВМ создавались исключительно для расчетов в области техники, однако их потенциальное значение для науки и практики, взаимосвязь с другими аспектами общественной жизни проявились очень быстро. Выдающийся американский математик Винер (N. Wiener), в годы второй мировой войны занимавшийся созданием систем автоматического наведения зенитных орудий, а в 1945—1947 гг. работавший в кардиологическом институте в Мехико, обратил внимание на общность процессов управления в биологических и технических системах (обратная связь) и возможность описания процессов хранения и переработки информации, управления и контроля в рамках единой науки — кибернетики, идеи которой оказали огромное влияние как на создание новых технических устройств (в т.ч. ЭВМ), так и на эволюцию отношения человека к результатам технического прогресса («мыслящие» машины, «бунт» машин, моральная ответственность за использование достижений науки в военных целях и др.). Многие считавшиеся ранее высокими абстракциями успехи математики— теория информации Шеннона (С. Shannon) и его разработки в области кибернетики, труды Эшби (W.R. Ashby) («черепаха Эшби»), относящиеся к 20-м гг., обоснования поиска алгоритмов на основе анализа действий человека (машина Тьюринга) наряду с достижениями в области физики твердого тела стали фундаментом для создания совершенно новых ЭВМ. Радикальные изменения в характеристиках машин происходили скачкообразно, но мере создания и промышленного освоения новых электронных устройств (радиоламп, полупроводниковых диодов и транзисторов, интегральных схем, сверхбольших интегральных схем). При этом быстродействие, объем оперативной и внешней памяти, энергопотребление, габариты и стоимость ЭВМ, остававшиеся относительно стабильными в течение некоторого периода времени (так называемые поколения ЭВМ), претерпевали затем резкие изменения. В соответствии с изменениями технических и потребительских качеств ЭВМ, их массовым производством и распространенностью, сложившиеся системы классификации (по поколениям — этапам развития элементной базы, целям применения — управляющие, вычислительные и др.) устарели. Более того, дальнейшее развитие, часто определяемое как переход от четвертого поколения ЭВМ к пятому, основывается не на радикальных изменениях в элементной базе, а на реализации новых конструктивных и структурных принципов электронной информации оригинальных (так называемых интеллектуальных) типов периферических устройств, способных к самопрограммированию, на накоплении опыта использования больших объемов данных из различных областей знания в формализованном виде на машинных носителях. В настоящее время принята комплексная схема классификации ЭВМ, учитывающая особенности их использования (встроенные, автономные), производительность (средние, высокопроизводительные и супер-ЭВМ), условия применения, «интеллектуальные» возможности и др.

В медицине, здравоохранении и медико-биологических исследованиях находят применение все типы и классы ЭВМ, за исключением супер-ЭВМ, число которых во всем мире пока составляет лишь несколько сотен. Современные встроенные ЭВМ представляют собой стандартные микропроцессоры и другие электронные блоки, конструктивно включенные в схему прибора и различающиеся в зависимости от типа прибора характером обрабатываемых электрических сигналов и программ их обработки, записанных в памяти в соответствии с целевым назначением устройства. В медицине этот тип ЭВМ широко используется в системах получения диагностической информации (например, в компьютерной томографии), для автоматической обработки и контроля параметров функционального состояния организма, проведения леченых мероприятий, для управления системами жизнеобеспечения и др. Комплексируемые ЭВМ предназначены для объединения в сети, в которых пользователи могут согласованно обмениваться информацией по специальным каналам. Этот класс ЭВМ используется в здравоохранении для создания автоматизированных систем управления (АСУ-поликлиника, АСУ скорой помощи, АСУ-аптека), различных информационно-поисковых систем, автоматизированного рабочего места врача (АРМ врача) и экспертных систем. В состав сети комплексируемых ЭВМ: локальной (если она предназначена для обслуживания специалистов одного учреждения), региональной (для обслуживания удаленных пользователей определенными типами услуг) или глобальной (если она объединяет любых пользователей независимо от их географического положения) в зависимости от задач могут входить машины, различающиеся по быстродействию, объему памяти, оснащенности, внешним устройствам.

Автономные ЭВМ делят на микро-ЭВМ (часто называемые ПЭВМ — персональными ЭВМ), мини-ЭВМ, средние, высокопроизводительные и супер-ЭВМ. Границы между ПЭВМ и мини-ЭВМ в настоящее время размываются: оба типа компьютеров не требуют для своей работы особых условий, незначительно различаются по габаритам, энергопотреблению и стоимости, а по простоте «общения» с ними и обслуживания приближаются к устройствам современной бытовой радио- и телевизионной аппаратуры. Устанавливаемые на рабочем месте пользователя в качестве средства улучшения его основной деятельности, ПЭВМ пригодны для решения многих типовых задач, в т.ч. и медико-биологических: обработка клинических и экспериментальных данных, ведение истории болезни, создание информационных систем и т.д. Для этого они обладают всеми необходимыми качествами: техническими характеристиками (производительностью и объемом памяти), возможностями и удобствами, представляемыми внешними устройствами (ввод информации через клавиатуру или телевизионную камеру, вывод — на цветной дисплей, алфавитно-цифровое печатающее устройство, графопостроитель, синтезатор речи), наличием «дружественного интерфейса» — комплекса программного обеспечения, представляющего пользователю возможность адекватного общения с ЭВМ без посредников (профессионалов — аналитиков, прикладных математиков и программистов). Автономные ЭВМ типа средних, высокопроизводительных и супер-ЭВМ, как правило, не предназначены для непосредственного общения с пользователем. Задачи, решаемые с помощью этих ЭВМ, связаны, как правило, с разработкой гигантских проектов, накоплением и обработкой глобальной информации (космической, экологической, метеорологической). Специально оборудованные вычислительные центры или комплексы, где сосредотачиваются подобные ЭВМ, во многом сохранили традиционные, сложившиеся в период становления вычислительной техники принципы работы (пакетные — т.е. совместные или последовательные режимы решения однотипных задач, резервирования за пользователем ограниченного времени для выхода на машину и пр.). Однако четкую границу между автономными и комплексируемыми ЭВМ в настоящее время выделить невозможно. В некоторых сферах информационной деятельности (например, основанных на использовании уникальных баз данных) работа современных «больших» ЭВМ в целях максимального использования их быстродействия и практически неограниченных объемов памяти организуется по сетевому принципу: к одной из ЭВМ или их комплексу через систему коммуникаций (телефонные или специальные каналы связи) подключаются ПЭВМ, через которые осуществляется обмен данными с центральными ЭВМ или их внешними устройствами.

Основными показателями, характеризующими ЭВМ, в настоящее время являются:

1. Быстродействие или производительность; основной единицей измерения служит МИПС (англ. аббревиатура million instructions per second) — число миллионов операций в секунду. Первые ЭВМ имели быстродействие порядка 0,1 МИПС, современные супер-ЭВМ — сотни МИПС, быстродействие ЭВМ пятого поколения свыше 1000 МИПС).

2. Емкость памяти; единицей измерения являются байт — количество двоичных цифр, обрабатываемых или запоминаемых как единое целое, и его производные: кбайт — килобайт = 1024 байт или около 1000 байт; Мбайт — мегабайт — 1024 кбайт или около 1 млн. байт; Гбайт — гигабайт — 1024 Мбайт или приблизительно 1 млрд. байт; стандартная страница машинописного текста содержит около 2 кбайт).

3. Время доступа к ячейкам памяти, в соответствии с которым она делится на оперативную (внутреннюю), связанную непосредственно с работой процессора, и долговременную (внешнюю), информация из которой, перед тем как подвергнуться переработке или использоваться в виде комплекса программ, должна быть перенесена в оперативную.

Объемы оперативной памяти изначально детерминируются используемой элементной базой и конструктивными особенностями ЭВМ определенного типа. И хотя емкость оперативной памяти в последние годы существенно возросла благодаря успехам микроэлектроники, она (в отличие от внешней) имеет ограничения и в зависимости от типа ЭВМ может колебаться от 64 кбайт до 1,2 Мбайт в ПЭВМ и нескольких мегабайт у ЭВМ среднего и более высоких классов. Поскольку время доступа к информации, записанной на внешних устройствах, в несколько сот раз больше, чем информации, находящейся в оперативной памяти ЭВМ, процедура поиска данных в больших массивах или их сложная обработка могут оказаться довольно продолжительными, если выбор средств вычислительной техники и программного обеспечения не в полной мере соответствует характеру стоящих перед пользователем задач.

Современные устройства внешней памяти — магнитные ленты, дискеты, оптические диски, на светочувствительный слой которых информация наносится лучом лазера и им же считывается — существенно различаются по объему памяти. Наиболее распространенные гибкие магнитные диски (так называемые флоппи-диски) имеют объем памяти 360 кбайт, по 1,2—1,4 Мбайт каждый, а на основе так называемых винчестерских, или жестких, дисков можно набирать объемы памяти от десятков до сотен мегабайт.

Один оптический диск диаметром 12 см рассчитан на запоминание 0,5 Гбайт информации (весь фонд Российской Государственной библиотеки оценивается приблизительно в 1000 Гбайт).

Современный пользователь имеет возможность получить на своем рабочем месте максимально подходящий и удобный набор внешних устройств (периферию) и готовые программные средства для обработки и придания данным желаемой формы.

Помимо рассмотренных устройств внешней памяти через интерфейс могут подключаться различные типы датчиков, устройства подготовки данных на промежуточных носителях — перфокартах, перфолентах, дисках и др., а также устройства ввода (для считывания информации непосредственно с первичных документов или промежуточных носителей, через клавиатуру, телефон, телекамеру), устройства вывода (экран дисплея, печать, графопостроитель, синтезатор речи), устройства передачи данных по каналам связи. Типичная конфигурация ПЭВМ включает процессор, внешнюю память на гибких и (или) жестких магнитных дисках, клавиатуру, дисплей, печатающее устройство, а также гнезда для дополнительных плат, подключение которых расширяет возможности машины (например, телевизионный ввод информации, подключение к сети или другим ЭВМ, аудио- и видеосистемам).

Практически для всех видов решаемых с помощью ЭВМ задач имеется готовое и поставляемое за определенную плату программное обеспечение. Каталоги программных продуктов содержат тысячи программ и пакетов программ для всех классов ЭВМ, однако их высокая стоимость иногда вызывает у пользователя желание не покупать программу, а нелегально скопировать ее. Такие акции, являясь противозаконными, еще и опасны для компьютерного «взломщика», поскольку в его ЭВМ может попасть нежелательная информация, и прежде всего так называемые «программы-вирусы». «Компьютерные вирусы» — специальные командные блоки, часто умышленно вносимые в программы обработки данных, которые способны подобно настоящим вирусам самовоспроизводиться в компьютере. Размножение «вируса» приводит к потере информации в памяти ЭВМ Борьба с ним осуществляется путем использования специальных «антивирусных» программ. Проблемы сохранности данных и их защиты от несанкционированного доступа решаются относительно просто: например, введением системы паролей, установкой «электронных замков или других электронных и технических средств. Это препятствует нежелательному проникновению в память ЭВМ и делает недоступной хранящуюся в ней конфиденциальную информацию (например, анамнестические данные пациента, коммерческие сведения и т.п.).

Проблема ликвидации отчуждения или зависимости пользователя от ЭВМ (например, из-за необходимости привлечения программистов) решается в настоящее время специалистами различных стран на пути создания ЭВМ пятого поколения. Задача формулируется так, чтобы комплекс «человек — машина», работая как единое целое и без привлечения каких-либо посредников, был способен решать задачи управления, планирования, проектирования, принимать решения, т.е. осуществлять все виды практической и интеллектуальной деятельности в любой сфере. При этом подразумевается, что любой человек сможет управлять ходом вычислений со скоростью, близкой к скорости мыслительного процесса, получать необходимые результаты в привычных специалисту понятиях и терминах и в удобном для восприятия виде. Иными словами, речь идет о создании ЭВМ, общение с которыми должно быть доступно каждому, кто этого захочет.

Коренным отличием ЭВМ пятого поколения от предшествующих является включение в их состав совместно работающих «интеллектуальных» блоков, сопряженных с супер-ЭВМ («интеллектуальный интерфейс»). Его функция — автоматическое преобразование устного или письменного задания пользователя в программы, которая может быть воспринята и решена ЭВМ на основе находящейся в ее памяти информации (в современных машинах информация, содержащаяся в памяти, включает данные, т.е. цифровой материал, и знания, т.е. Алгоритмы и методы обработки данных).

Отдельные элементы интеллектуальных и технических решений ЭВМ пятого поколения уже воплощены в жизнь. По прогнозам специалистов широкое распространение ЭВМ нового поколения, ожидаемое к концу 20 — началу 21 в., окажет воздействие и на все области и сферы человеческой деятельности. Однако уже и в настоящее время результаты компьютеризации являются критерием состояния экономического и социального развития общества, отдельных направлений науки и техники. ЭВМ в своих многочисленных областях применения позволяет решать проблемы автоматизации умственного и многих видов физического труда, осуществлять безбумажное делопроизводство и оперативный обмен информацией, безнаборные способы печати и пр. От успехов информатики зависят масштабы использования ЭВМ в медицине и здравоохранении в нашей стране, по темпам и объемам которых она отстает от многих развитых стран.

Библиогр.: Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы, М., 1985.

Энциклопедический словарь медицинских терминов М. СЭ-1982-84, ПМП : БРЭ-94 г., ММЭ : МЭ.91-96 г.

Читайте также в Медицинской энциклопедии :