 |
Аппаратура обработки сигналов
|
|
|
|
Ф КГМУ 4/3-04/04
ИП №6 от 14 июня 2007 г.
КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра медицинской биофизики и информатики
Лекция
Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации.
Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ
Дисциплина ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»
Специальность 130100 «Общая медицина»
Курс – 1
Время (продолжительность) 1ч.
Караганда 20015 г.
Обсуждена и утверждена на заседании кафедры
"____"__________200___г. Протокол №_____
Заведующий кафедрой проф. ______________ Б.К. Койчубеков
Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ.
Подтема: Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации
Цель: Ознакомить студентов с назначением и классификацией медицинских приборов. Дать представление о физических основах построения медицинской техники.
План лекции:
1. Технические средства в системе взаимодействия врач-пациент
2. Обобщенная схема проведения медико-биологического исследования
3. Роль измерительного преобразователя в схеме проведения медико-биологического исследования
4. Особенности и проблемы проведения медико-биологического исследования
5. Формы энергии, которые преобразуются в измерительном преобразователе
6. Физические основы построения измерительного преобразователя
7. Классификация медицинских приборов и технических средств медицинского назначения.
Тезисы лекции:
Термин инструмент имеет несколько значений, основное из которых - это орудие, инструмент, прибор. Приборы для измерения длины, массы, давления или какой-либо иной физической величины также являются инструментами
|
|
|
Термин оборудование или аппаратура означает группу приборов или инструментов, применяемых для выполнения специальных действий или функций.
В учреждениях здравоохранения для диагностики и лечения заболеваний пользуются широким набором разнообразных инструментов и приборов. Во многих приборах используются электрические явления. Все вместе они образуют совокупность, получившую название медицинской аппаратуры. В широком смысле медицинская аппаратура включает в себя все типы инструментов и приборов, используемых для различных аспектов клинической медицины и медицинских исследований.
Основной задачей медицинской аппаратуры является измерение физиологических переменных или параметров. Переменная есть некоторая величина, значения которой изменяются в течение времени. Переменная, связанная с физиологическими процессами в организме, называется физиологической. Примерами физиологических показателей является температура тела, электрическая активность сердца, определяемая ЭКГ, артериальное давление, параметры дыхательной активности. Измерение физиологических показателей необходимо и при диагностике заболеваний, и при наблюдении за процессом лечения. В любом случае измеренные значения сравнивают с так называемыми нормальными, полученными при тех же самых измерениях у большого числа здоровых людей.
Чтобы физиологический показатель был полезен при диагностике данного заболевания, его значение должно значительно отличаться от нормального. Важно, чтобы этот показатель можно было легко измерить, метод его измерения должен создавать пациенту минимально возможные неудобства. Одни физиологические показатели, такие как температура тела и пульс, удовлетворяют обоим требованиям и уже давно используются для диагностики, другие, обеспечивающие важную информацию, труднее поддаются измерению и для их изучения необходима сложная электронная аппаратура.
|
|
|
Одни физиологические показатели, такие как масса и температура тела, изменяются относительно медленно, следовательно, их можно измерять не так уж часто. Другие непрерывно и достаточно быстро меняются, и для их измерения и регистрации необходимы приборы, которые достаточно быстро реагируют на эти изменения. Мгновенное значение физиологических показателей, например напряжение электрокардиосигнала, несет мало информации. Чтобы показатель был полезным, его следует регистрировать в течение определенного временного интервала. Запись ЭКГ необходимо производить в течение по крайней мере одного цикла работы сердца. В некоторых случаях клинически важная информация появляется при регистрации весьма редко и физиологический показатель следует регистрировать длительное время, чтобы определить наличие существенных явлений.
Иногда важную для диагностики информацию можно получить только при измерении физиологического показателя с использованием определенной стимуляции. Стимуляция предполагает создание определенных условий или использование специальных средств, таких, например, как глюкоза при проверке восприимчивости пациента к ней, или определенной программы упражнений при записи ЭКГ пациента под нагрузкой. Изменения физиологических показателей при стимуляции пациента являются откликом на стимуляцию.
КОМПОНЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ
Независимо от сложности каждый медицинский прибор для измерения физиологических показателей может быть разделен на три основные части: преобразователь, аппаратура для обработки сигнала и устройство отображения информации или дисплей. Некоторые приборы, кроме того, содержат блоки для формирования и применения стимулирующих воздействий. В некоторых прибоpax эти компоненты выделить легко, в других - функции различных блоков разделить трудно. В последующих разделах мы рассмотрим каждый из этих компонентов и объясним принцип их работы.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Преобразователь - это часть прибора, которая способна «чувствовать» или воспринимать измеряемый физиологический показатель. В преобразователе измеряемая информация преобразуется в электрический сигнал, который изменяется точно так же, как и измеряемый показатель. Если, например, измеряется артериальное давление, то создаваемое преобразователем напряжение увеличивается при возрастании давления и уменьшается при снижении, причем изменение напряжения точно повторяет изменение давления. Даже те физиологические показатели, которые имеют по существу электрическую природу, такие как ЭКГ и электроэнцефалограмма, требуют при измерении использования преобразователей, называемых электродами, которые преобразуют ионное напряжение в электрический сигнал.
|
|
|
Так как преобразователь в большинстве случаев должен быть прикреплен к телу пациента или даже введен в некоторый орган, то его часто выделяют из прибора. Крепление преобразователя к телу часто определяет возможность правильного функционирования прибора.
Таким образом информация преобразуется в преобразователе в электрический сигнал, следовательно, для понимания принципов работы и использования медицинской аппаратуры необходимо знать основы электротехники.
АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В большинстве приборов электрический сигнал, поступающий от преобразователя, должен пройти обработку, прежде чем он примет форму, удобную для дальнейшего его использования в устройстве отображения. Такая модификация или обработка сигнала выполняется в специальных блоках прибора - блоках обработки сигналов.
Электрический сигнал, получаемый от большинства преобразователей, мал, поэтому его следует усилить. Усиление осуществляется с помощью электронных приборов, т. е. приборов, в которых осуществляется управление электронными потоками. Блок обработки сигналов в приборе может состоять только из одного простого усилителя, а может включать и много устройств, которые модифицируют или обрабатывают сигнал различными способами. Обычно блоки обработки сигналов встраивают в основной корпус прибора или в стойку системы. В большинстве случаев ручки органов управления прибором находятся на передней панели, что позволяет оператору настраивать или отлаживать определенные характеристики прибора.
|
|
|
ДИСПЛЕИ (устройства отображения информации)
Если результаты измерений имеют важное значение, то они должны быть представлены в такой форме, чтобы человек мог воспринимать их. Та часть прибора, которая преобразует модифицированный электрический сигнал, появляющийся на выходе блоков обработки сигнала, в форму, удобную для восприятия, называется дисплеем или устройством считывания результатов. Дисплей может иметь вид какой-либо индикаторной лампы, стрелочного прибора, зуммера сигнала тревоги, устройства записи на бумажную ленту, экрана осциллографа (на основе электронно-лучевой трубки, аналогичной той, которая используются в телевизорах) и т. д.
Иногда в одном и том же приборе могут использоваться несколько различных дисплеев. Например, монитор состояния пациента может отображать ЭКГ на экране осциллографа, частоту сокращения сердца на стрелочном приборе и подавать сигнал о наступлении опасного состояния -с помощью зуммера.
СТИМУЛЯЦИЯ
В состав некоторых приборов входят средства для формирования, подачи к пациенту и управления сигналами стимуляции. При измерении, например, времени нервной проводимости необходима электрическая стимуляция (легкий удар током). Отклик на стимуляцию (мускульная реакция или активность другой части нервной системы) измеряется соответствующим преобразователем и результаты отображаются на экране осциллографа.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА
|
|
|
|
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА
ДИАПАЗОН
Диапазон прибора - полный набор значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор в нормальном режиме функционирования. Для прибора, измеряющего физиологические показатели, диапазон простирается от наименьшего значения показателя, которое прибор способен точно измерить, до наибольшего. Например, для монитора ритма сердца диапазон от 0 до 250 ударов в минуту. При этом можно ожидать, что такой прибор будет правильно измерять и указывать любое значение ритма сердца между этими двумя пределами.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Существует два толкования термина чувствительность, которые используются для описания медицинских приборов. Прежде всего, это способность прибора измерять и обнаруживать малые изменения измеряемых показателей. Более чувствительный прибор способен обнаруживать и отображать меньшие изменения показателя, чем менее чувствительный. Чувствительность прибора частично зависит от разрешения дисплея. Разрешение - это способность индицировать наименьшие изменения, которые могут быть считаны с дисплея. Например, если в качестве дисплея используется стрелочный прибор, то прибор, имеющий большую шкалу с хорошо различимыми рисками между цифрами, позволяет производить отсчеты значительно точнее, чем прибор с небольшим стрелочным индикатором, и следовательно, имеет более высокое разрешение.
Другое определение чувствительности связывает значение измеряемого физиологического показателя с размерами бумажной ленты самописца или с высотой регистрируемой кривой на. экране осциллографа. Дисплей монитора, например, может иметь чувствительность 1 мВ напряжения на каждый сантиметр высоты кривой ЭКГ на экране. Зная чувствительность, легко определить, что кривая, имеющая на экране высоту зубца R 3 см, отображает ЭКГ, в которой максимальная высота зубца R 3 мВ. Часто предусматривается регулировка чувствительности (с соответствующим обозначением на ручке «Чувствительность»), позволяющая подстраивать чувствительность прибора.
ТОЧНОСТЬ
Точность прибора - это его способность точно указывать истинное значение измеряемого показателя. Точность означает также отсутствие ошибок, хотя она иногда выражается через максимальную ошибку, которую может допустить прибор. Ошибка (погрешность) определяется отклонением значения, указываемого прибором, от истинного значения измеряемого показателя. Точность не надо смешивать с разрешением. Возможность считывать с цифрового дисплея отсчеты с четырьмя цифрами еще не гарантирует, что точность прибора будет высока.
Рис.2 ЭКГ со стандартным калибровочным импульсом
ЛЕГКОСТЬ КАЛИБРОВКИ
Калибровкой называется процедура, с помощью которой прибор настраивают так, чтобы его показания как можно точнее соответствовали истинным измеряемым значениям. Иногда калибровка выполняется с помощью измерения величин, истинные значения которых известны точно, и соответствующей регулировки прибора. Приборы другого типа калибруют, сравнивая показания прибора с показаниями другого вочным импульсом прибора, который служит образцом, эталоном или стандартом. Калибровка одних приборов производится легко, а для калибровки других необходимо выполнить, трудные и длительные процедуры. Соответствующая калибровка прибора значительно повышает его точность. На рисунке 2 показана ЭКГ с калибровочным стандартным прямоугольным импульсом амплитудой 1 мВ. Напряжение в любой точке можно - точно определить, сравнив его с напряжением калибровочного импульса. Однако для этого прибор должен быть отрегулирован так, чтобы вершина калибровочного импульса с амплитудой 1 мВ на графике соответствовала определенному уровню.
СТАБИЛЬНОСТЬ
Однажды откалиброванный прибор будет сохранять точность лишь такой период времени, в течение которого не происходит отклонений от условий калибровки. Постепенное ухудшение точности после калибровки называется дрейфом прибора. Стабильность прибора - это его способность сохранять точность в течение заданного времени после калибровки. Стабильный инструмент редко требует повторной калибровки, а прибор с плохой стабильностью необходимо калибровать часто.
ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН
Одни физиологические показатели изменяют свои значения быстро, а другие медленно. Многие показатели, такие как ЭКГ, отражают и быстрые, и медленные изменения. Поэтому медицинский прибор должен отслеживать быстрые и медленные изменения. Сложный колебателный процесс можно охарактеризовать диапазоном или полосой частот. Частота выражается в циклах в секунду или герцах (Гц). Полоса частот, в котором прибор способен отслеживать изменения измеряемой величины, составляет его частотный диапазон. Таким образом, частотный диапазон прибора должен соответствовать полосе частот, в которую попадают все изменения измеряемой величины. Это основное условие адекватного представления показателя.
ОТСУТСТВИЕ ШУМОВ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ПОМЕХ, АРТЕФАКТОВ)
Сигнал, поступающий от преобразователя - изменения напряжения, соответствующие измеряемой -информации. Однако наряду с сигналом в этом напряжении часто присутствуют и другие изменения. Эти нежелательные изменения, обычно называемые шумом, интерференцией, помехами или артефактами, также участвуют в формировании результирующего сигнала, появляющегося на дисплее.
Артефакт представляет собой любое искусственное изменение измеряемого показателя, такое, например, которое возникает на ЭКГ при движении пациента. Если в качестве дисплея используется экран монитора, то помехи могут проявиться в виде высокочастотных изменений, наложенных на кривую, что придает изображению «пушистый» вид. В стрелочных приборах или в некоторых других типах дисплеев интерференция может привести к ошибочным измерениям.
Могут существовать различные источники шумов и интерференции. При измерении ЭКГ, электроэнцефалограммы (ЭЭГ) или других биоэлектрических потенциалов тело пациента может действовать в качестве антенны и улавливать энергию с частотой 50 Гц от электроламп, электропроводки или от другого электрооборудования. Эта энергия с частотой 50 Гц может также улавливаться длинными входными кабелями прибора.
Шумы могут появляться из-за воздействия линий питания аппаратуры или генерироваться внутри самой аппаратуры. Преобразователь наряду с измеряемым показателем может улавливать и другие нежелательные при данном измерении показатели. Если, например, электрод ЭКГ размещен над мышцей, то активация этой мышцы может вызвать наложение нежелательного сигнала электромиограммы (ЭМГ) на ЭКГ.
В некоторых приборах предусмотрены специальные меры для устранения или ослабления воздействия определенных видов шумов или интерференции. Во многих случаях хорошее знание прибора позволяет оператору принять определенные меры для уменьшения интерференции.
УДОБСТВА ДЛЯ ПАЦИЕНТА И ЕГО БЕЗОПАСНОСТЬ
При измерении физиологических показателей часто бывает необходимо ввести или подсоединить преобразователь к такой точке организма, где эти показатели можно измерить. Многие физиологические показатели можно измерять, размещая преобразователь вне тела или на поверхности кожи. Измерения такого типа называют неинвазивными (невторгающимися). Некоторые измерения требуют инвазивных (вторгающихся) методов - преобразователь или катетер размещают внутри тела. Например, при прямом измерении артериального давления катетер с преобразователем следует ввести внутрь артерии. Введение преобразователя в тело обычно связано с определенным риском для пациента, поэтому этот метод рассматривают как дискомфортный. Следовательно, если это возможно, предпочтительнее проводить измерения с помощью неинвазивных методов. Если, однако, неинвазивные методы применить нельзя, нужно использовать инвазивные.
Прибор, предназначенный для выполнения исследований с введением преобразователя внутрь тела, должен удовлетворять определенным требованиям. Он должен выдерживать стерилизацию, по возможности минимизировать травмы и дискомфорт пациента. При введении в сердечно-сосудистую систему та часть прибора, которая вводится в поток крови, должна быть нетромбогенной (не способствовать образованию сгустков или тромбов) и непирогенной (не выделять тепло).
Можно отметить, что развитие техники и технологии сделало возможным замену некоторых старых инвазивных клинических методов новыми неивазивными, которые позволяют получить аналогичную информацию. Например, эхокардиографию, при которой для получения функциональной информации о сердце используется ультразвуковая энергия, в настоящее время часто применяют вместо некоторых клинических диагностических методов, которые требовали катетеризации.
Даже использование неинвазивных приборов может создать определенный дискомфорт для пациента. Например, долговременное наложение ЭКГ электродов может вызвать раздражение кожи. Степень дискомфорта в значительной мере зависит от длительности процедуры. Поэтому лечащий персонал должен быть подготовлен быстро выполнять дискомфортные процедуры.
Здесь следует упомянуть и другую опасность для пациента, возникшую при использовании медицинской аппаратуры. Когда для обследования или лечения пациента используется аппаратура, получающая питание от силовых электрических линий, существует опасность поражения пациента электрическим током. Она значительно возрастает в тех случаях, когда пациент подсоединяется к прибору (например, электрокардиографу или монитору ЭКГ) или когда возникают электропроводящие пути между внешними и внутренними участками тела (особенно пути, ведущие к сердцу).
МЕДИЦИНСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Все медицинские параметры, подлежащие измерению и регистрации, можно разделить на две группы: измеряемые непосредственно; измеряемые опосредованно.
К первой группе относятся, например, движения, связанные с сердечными сокращениями, температура тела, биоэлектрические потенциалы. Съем этих величин осуществляется с помощью соответствующих устройств, которые непосредственно воспринимают от исследуемого организма изменения тех или иных параметров: механического перемещения, температуры, электрического потенциала.
Ко второй группе параметров относятся такие, которые сами по себе не могут быть измерены, либо проведение подобных замеров затруднено, но изменения которых приводят к изменениям других показателей, более удобных для измерения. Иными словами, интересующие врача те или иные стороны жизнедеятельности организма оцениваются косвенным путем измерения некоторых вспомогательных величин. Так, например, электрическое сопротивление некоторого участка тела может интересовать врача как определенная характеристика кровенаполнения этого участка; изменения степени поглощения света тканями могут быть связаны с изменениями объема органа или части тела. Очевидно, что для параметров, измеряемых опосредованно, требуется обратить особое внимание на установление первоначальных зависимостей между параметрами, интересующими врача, и фактически измеряемыми косвенными показателями.
Устройства съема медицинской информации обеспечивают получение сигналов, связанных с теми или иными явлениями, происходящими в живом организме. Устройства съема - переходное звено между исследуемым организмом и последующими устройствами усиления сигналов, их отображения, регистрации, передачи по каналу связи, обработки и т.д. В дальнейшем будут рассматриваться устройства съема, выходным сигналом которых является электрический сигнал.
Независимо от особенностей конкретных технических реализаций к устройствам съема можно предъявить ряд общих требований. Они должны обеспечивать:
· получение устойчивого информативного сигнала;
· минимальное искажение полезного сигнала;
· максимальную помехозащищенность;
· удобство размещения в необходимом для измерения месте;
· отсутствие побочного - раздражающего или другого действия на организм;
· возможность стерилизации (без изменения характеристик) и многократного использования.
Всю совокупность различных устройств съема медицинской информации целесообразно подразделить на две большие группы (рис. 3): электроды и датчики (преобразователи).
Рисунок 3. Классификация устройств съема медицинской информации.
Электрические методы измерения механических величин дают возможность определить вес и линейные размеры, моменты вращения, сосредоточенные силы и давление, вращение и деформацию. Имеется большое число различных по физическим свойствам и конструкции преобразователей, которые выполняют прямое преобразование механических величин в электрические.
Датчик - (преобразователь медицинской информации) - устройство съема информации, реагирующий своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющий преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т. д.
Тип и конструкция датчика зависят от вида необходимого преобразования, т е. определяются конкретными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика
Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, давление, частота колебаний), физические (температура, освещенность, влажность), химические (концентрация вещества, состав), непосредственно физиологические (наполнение ткани кровью). Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление (импеданс), частота (или фаза) переменного тока или импульсных сигналов.
Датчики медико-биологической информации можно разделить на две группы: биоуправляемые и энергетические.
Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).
В активных (генераторных) датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т.е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы.
Пассивные (параметрические) датчики под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие от активных (генераторных) датчиков пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.
Энергетические датчики в отличие от биоуправляемых активно воздействуют на органы и ткани. Они создают в исследуемом органе так называемый немодулированный энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра. Энергетические информационные преобразователи нуждаются в источнике дополнительной энергии для воздействия на объект и создания немодулированного энергетического потока. Из датчиков такого типа можно указать, к примеру, фотоэлектрические и ультразвуковые.
Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:
1) 
чувствительность - минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;
2) динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех;
3) погрешность - максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами;
4) время реакции - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.
По принципу действия все датчики можно разделить на две группы:
1) генераторные, в которых вследствие механических воздействий возбуждается разность потенциалов. Это в основном пьезоэлектрический и индукционный датчики;
2) параметрические, в которых под влиянием регистрируемых механических усилий или перемещений изменяются электрические параметры датчика: сопротивление (резистивные датчики), индуктивность (индуктивные датчики) или емкость (емкостные датчики). Эти датчики требуют отельного источника питания.
|
|
|
12 |
