 |
Датчики медико-биологической информации
|
|
|
|
Многие медико-биологические характеристики нельзя снять электродами, так как они не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим
сигналом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической величине (например, пульс). В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи).
Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.
В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.
Использование электрического сигнала предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.
Генераторные - это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Типы этих датчиков и явления, на которых они основаны:
1) пьезоэлектрические, пьезоэлектрический эффект;
2) термоэлектрические, термоэлектричество;
3) индукционные, электромагнитная индукция;
4) фотоэлектрические, фотоэффект.
Параметрические - это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр. Типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр:
1) емкостные, емкость;
2) реостатные, омическое сопротивление;
3) индуктивные, индуктивность.
В зависимости от энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.
|
|
|
Пример работы датчика - датчик частоты дыхания - реостатный (резистивный).
Этот датчик выполнен в виде резиновой трубки 1, которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов трубки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника 4.
Если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе - сокращается. При этом изменяется электрический контакт между частицами угольного порошка и соответственно изменяется сопротивление датчика. Сила тока в цепи будет изменяться, что можно зафиксировать, используя соответствующую измерительную схему.
Физические основы электрокардиографии.
Электрокардиография – регистрация электрических процессов (биопотенциалов)в сердечной мышце, возникающих при ее возбуждении.
Задача электрокардиографии заключается в том, чтобы оценить работу сердца (электрические процессы в сердце) по биопотенциалам, регистрируемым с поверхности тела человека.
В основе лежит теория Эйнтховена (1903 – 1915 гг.), в которой сердце рассматривается как электрический диполь в однородной проводящей среде. Каждая клетка сердечной мышцы (кардиомиоцит) создаёт электрическое поле. Электрическое поле сердца в целом образуется наложением электрических полей отдельных клеток. Изменения электрического поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца. Эти изменения создают изменения разности потенциалов между различными точками поверхности тела.
Снаружи клетки между еще невозбужденной поверхностью мембраны и поверхностью уже возбужденной возникает разность потенциалов при этом минус притягивается к плюсу. А значит возникает вектор электродвижущей силы – ЭДС. Вектор выражает величину которую можно измерить. Это делают с помощью электрокардиографа.
|
|
|
Его положительный электрод устанавливается на плюсе, а отрицательный на минусе. Если вектор ЭДС направлен к положительному электроду, то линия ЭКГ будет идти вверх (формирует положительный зубец)
Сердце состоит из множества кардиомиоцитов каждый из которых при возбуждении создает свою ЭДС. Эти ЭДС суммируются друг с другом и образуют один вектор называемый результирующим.
Поскольку тело человека является электропроводящей средой, внутри которой расположен источник биопотенциалов – сердечная мышца, то разность потенциалов будет возникать не только непосредственно на сердце, но и на поверхности тела.
Теория Эйнтховена
Эйнтховена теория (W.Einthoven) - теория формирования электрокардиограммы, согласно которой сердце рассматривается как диполь, расположенный в центре треугольника Эйнтховена и непрерывно меняющий величину и направление вектора электродвижущей силы; проекции вектора на каждую из сторон треугольника определяют форму электрокардиограммы в трех стандартных отведениях.
Электрический диполь – система из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных электрических зарядов (+q и – q), расположенных на некотором расстоянии друг от друга, называемом плечом диполя l. Например, молекула воды. У неё избыток отрицательного заряда около кислородного атома и положительного - около водородных атомов.
Характеристика диполя: дипольный момент (Р) – вектор от “–” до “+”, определяется по
формуле: P = q ⋅ l, [Р] = Кл. м.
Разность потенциалов, регистрируемая между двумя точками на поверхности тела, в физиологии называется отведением. В настоящее время приняты три основные стандартные отведения, предложенные в начале ХХ века Эйнтховеном. В. Эйнтховен в 1912 году, рассматривая сердце как источник биотоков в объемном проводнике, предложил концепцию равностороннего треугольника, углы которого образуют три конечности: правая рука, левая рука и левая нога.
Вдоль этих отведений регистрируются наибольшие разности потенциалов.
При регистрации биопотенциалов сердца записывается кривая, получившая название электрокардиограммы, которая состоит из пяти основных зубцов P, Q, R, S и Т.
|
|
|
|
|
|
