 |
Аппаратура обработки сигналов
|
|
|
|
Приложение
Дидактически блок
КОМПОНЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ... 6
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.. 6
АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.. 6
ДИСПЛЕИ (устройства отображения информации) 6
СТИМУЛЯЦИЯ.. 7
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА.. 7
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА.. 7
ДИАПАЗОН.. 7
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ.. 7
ТОЧНОСТЬ.. 8
ЛЕГКОСТЬ КАЛИБРОВКИ.. 8
СТАБИЛЬНОСТЬ.. 8
ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН.. 8
ОТСУТСТВИЕ ШУМОВ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ПОМЕХ, АРТЕФАКТОВ) 8
УДОБСТВА ДЛЯ ПАЦИЕНТА И ЕГО БЕЗОПАСНОСТЬ.. 9
МЕДИЦИНСКИЕ ПАРАМЕТРЫ... 9
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.. 11
ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СНЯТИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ.. 13
ЭЛЕКТРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТВЕДЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ.. 16
ОТВЕДЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ.. 17
ДАТЧИКИ.. 19
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА.. 19
ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ.. 20
ПОГРЕШНОСТИ УСТРОЙСТВ СЪЕМА ИНФОРМАЦИИ.. 25
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.
Электроды - это проводники специальной формы, с помощью которых часть электрической цепи, составленная из проводов, соединяется с другой частью этой цепи неметаллического типа проводимости (например, с той или иной частью тела, органом, поверхностью кожи и т. д). Электроды чаще всего используются для съема электрического сигнала реально существующего в исследуемом организме. Они просто выполняют роль контакта в электрической цепи, осуществляя отведение электрического сигнала с той или иной степенью потерь, зависящей от качества контакта между электродом и той частью организма, с которой он соприкасается.
Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. Два электрода приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют меняющуюся во времени разность потенциалов. Временная зависимость изменения этой разности потенциалов Δφ(t) называется электрограммой.
В зависимости от вида тканей (или органов), биоэлектрическая активность которых исследуется, различают:
- электрокардиографию (ЭКГ) - исследование электрической активности сердца;
- электроэнцефалографию (ЭЭГ) - исследование биоэлектрической активности мозга,
- электромиографию (ЭМГ) - анализ электрической активности мышц,
Регистрация ЭМГ осуществляется с использованием:
o введённых в мышцу игольчатых электродов, при этом улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном.
o накожных электродов. Отражает процесс возбуждения мышцы как целого.
o стимуляционной электромиографии - при искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную деятельность, определить скорость проведения возбуждения по нерву.
- электроокулографию (ЭОГ) - исследование изменений потенциала, обусловленного движением глазного яблока;
- электрогастрографию (ЭГГ) - анализ вариации электрических сигналов, вызванных моторной деятельностью желудка.
Это наименование объединяет группу электрофизиологических методов, основанные на взаимосвязи электрической и сократительной активности ЖКТ. Они включают в себя либо регистрацию биопотенциалов с фиксированных на стенках органов электродов, так называемая прямая электрогастроэнтерография, либо регистрацию биопотенцилов с накожных электродов, закреплённых на животе или конечностях – непрямая или периферическая электрогастроэнтерография. Периферическая электрогастроэнтерография, будучи неинвазивной, т.е. не требуя никакого вторжения в организм человека, хорошо переносится всеми больными.
В принципе указанный перечень методов исследования биоэлектрической активности тех или иных органов может быть расширен.
В электрографии существуют две фундаментальные задачи:
1) прямая задача – расчет распределения электрического потенциала на заданной поверхности тела по заданным характеристикам эквивалентного генератора
2) обратная задача – определение характеристик эквивалентного генератора (изучаемого органа) по измеренным потенциалам на поверхности тела.
В некоторых случаях электроды могут использоваться не для съема электрических потенциалов, реально имеющихся в живом организме, а для подведения к организму некоторого внешнего электрического воздействия.
Такая ситуация имеет место, например, в электроплетизмографии (реографии), с помощью которой исследуются колебания интенсивности кровотока в органе или кровеносном сосуде. Переменное напряжение достаточно высокой частоты (30-250 кГц) прикладывается с помощью электродов к исследуемому участку тела. Измеряя вариацию полного электрического сопротивления (импеданс) тканей, включающего активную и реактивную компоненту, можно судить о характере изменения кровенаполнения тканей.
К электродам, как элементам съема медико-биологической информации, обычно предъявляются специфические требования:
- они должны быстро фиксироваться и сниматься,
- обладать низкой стоимостью,
- высокой стабильностью электрических параметров,
- эластичностью при достаточной механической прочности,
- не давать артефактов и помех,
- не оказывать раздражающего действия.
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
| Рис. 4. Химические реакции между металлом и электролитом: а-потенциал полуэлемента для серебряного электрода; б-потенциал полуэлемента для медного электрода; в-результирующее напряжение между контактами. |
Простейшие электроды, используемые для измерения биопотенциалов, представляют собой кусочки металла, которые можно размещать на поверхности или внутри тела; при этом жидкости, входящие в состав организма, можно рассматривать как электролиты. В результате электрохимической реакции между металлом и раствором возникает разность потенциалов (напряжение). Химические реакции, которые протекают между металлами и электролитами, влияют на функционирование физиологических электродов. Эти же реакции обусловливают и функционирование обычной батареи или гальванического элемента. Следовательно, химические принципы работы простого гальванического элемента (рис. 4), можно использовать для объяснения основ теории электродов.
На рис. 4а показан серебряный электрод, погруженный в соляной раствор, являющийся электролитом. Так как серебро является хорошим проводником электричества, то оно имеет избыток слабо удерживаемых или относительно свободных валентных электронов. При погружении серебра в электролит некоторые из его валентных электронов переходят в раствор; это приводит к тому, что бывший ранее электрически нейтральным электрод становится заряженным положительно по отношению к электролиту. Возникающая разность потенциалов называется потенциалом полуэлемента; это один из двух потенциалов, ассоциирующихся с гальваническим элементом или батареей. Для погруженного в электролит серебра напряжение полуэлемента составляет примерно 0,8В, при этом электрод положителен по отношению к электролиту. При погружении в электролит медного электрода (рис. 4б) некоторые из его валентных электронов также переходят в раствор, это приводит к тому, что медный электрод становится положительно заряженным по отношению к электролиту. Значение этого потенциала полуэлемента составляет приблизительно 0,3В, при этом медный электрод также является положительным по отношению к электролиту. На рис. 4в показаны оба металла, погруженные в электролит. Так как потенциалы полуэлементов для серебра и меди равны соответственно 0,8 и 0,3В и оба электрода положительны по отношению к электролиту, то разность потенциалов между электродами 0,5В (+0,8В - (+0,3В)=0,5В). Серебряный электрод положителен по отношению к медному электроду. Таким образом, при погружении в один и тот же электролит двух разнородных металлов между их контактами появляется постоянное напряжение. Такие металлы можно использовать для создания батареи. Из предыдущего объяснения должно быть ясно, что два одинаковых металлических образца, погруженные в один и тот же электролит, не должны создавать разности потенциалов.
Рис. 5. Электродный потенциал смещения: а-серебряные электроды, размещенные на поверхности кожи; б-напряжение смещения поступает на вход усилителя.
На рис. 5 показано поперечное сечение двух серебряных пластинок, используемых в качестве электродов для снятия биопотенциалов и контактирующих с поверхностью кожи, которая действует как электролит. Если эти пластинки химически идентичны, то каждая из них порождает один и тот же потенциал полуэлемента и результирующее напряжение между электродами будет равно нулю.
Разность потенциалов между контактами физиологических электродов, контактирующих с телом пациента, называется напряжением смещения электродов. Если электроды, показанные на рис. 5а, химически идентичны (идеальное предположение), то напряжение смещения будет равно нулю. На практике даже специально подобранные (согласованные) электроды имеют некоторые химические различия. Поэтому между контактами используемых физиологических электродов обычно существует некоторое напряжение смещения. При подключении электродов с помощью проводников ко входу усилителя (рис. 5б) последний будет реагировать на постоянное напряжение смещения точно так же, как и на физиологические сигналы, поступающие от организма.
Значения и полярности потенциалов полуэлемента для электродов определяются в большой степени применяемыми материалами. Как показано на рис. 5а, серебряный электрод в контакте с электролитом создает потенциал полуэлемента +0,8В, что приблизительно в 800 раз больше значений ЭКГ, которые можно измерить на поверхности тела. Даже при использовании очень хорошо согласованных электродов возникающее на них постоянное напряжение смещения может все-таки значительно превышать значение измеряемого физиологического показателя. Большое напряжение смещения может помешать проведению измерений или повлиять на их результат и привести к получению нежелательных артефактов.
Эксперименты показали, что происходящие в электродах химические явления могут явиться причиной возникновения флуктуации напряжения (шумов) при отсутствии каиих-либо физиологических сигналов. Такие изменения могут также быть восприняты как артефакты. Как шум, так и потенциал полуэлемента, можно уменьшить, выбрав соответствующий материал электродов или (в некоторых случаях) специально их обработав. Было установлено, что электрод серебро-хлорид серебра (Ag-AgCl) является наиболее стабильным и его электродный потенциал мал. Электрод такого типа изготовляется путем химического покрытия куска почти чистого серебра солью - хлоридом серебра. Обычно покрытие производят, погружая очищенный кусок серебра в раствор хлористого натрия. В этот раствор погружают и второй кусок серебра; оба куска подсоединяют к источнику постоянного напряжения таким образом, чтобы электрод, который покрывается хлоридом серебра, был положителен по отношению к другому. При этом ионы серебра соединяются с ионами хлора из соляного раствора и образуют тонкую пленку нейтральных молекул хлорида серебра, которая покрывает серебряный электрод. При очистке такого электрода после использования необходимо проявлять осторожность, чтобы не повредить покрытие из хлорида серебра. Эти электроды можно очищать мягкой хлопчатобумажной тряпочкой, смоченной изопропиловым спиртом или тепловатой водой.
При накладывании электрода на поверхность кожи на переходе электрод-кожа существует определенное электрическое сопротивление. Для надежной записи физиологических сигналов, свободной от артефактов, необходимо, чтобы электрод имел хороший (с малым сопротивлением) контакт с кожей. Так как верхний слой кожи в значительной мере состоит из мертвых клеток и на нем всегда присутствует некоторое количество жиров и грязи, то естественное электрическое сопротивление кожи высоко по сравнению с сопротивлением жидкостей в организме. Поэтому при размещении электродов на поверхности кожи то место, на которое будет наложен электрод, обычно подготавливают или обрабатывают, чтобы понизить сопротивление. Слой мертвых клеток может быть удален из области наложения электрода спиртом или какими-либо другими подходящими очищающими агентами. Затем между электродом и поверхностью кожи наносят проводящую (электролитическую) пасту. Эта паста образует как бы мост между ионами тела и поверхностью электрода и обеспечивает низкое сопротивление перехода электрод- кожа. Некоторые пасты содержат в электролите очень маленькие абразивные частицы. Эти пасты можно применять и для подготовки места наложения электрода, и для снижения контактного сопротивления.
Размер и тип используемого электрода также играют важную роль при определении его сопротивления. Более крупные электроды обычно имеют меньшее сопротивление. Поверхностные электроды имеют сопротивление 2000...10000 Ом, а маленькие игольчатые - значительно более высокое.
ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СНЯТИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Электроды, применяемые для снятия биоэлектрических потенциалов тела, могут иметь самые различные формы и размеры. Для снятия потенциалов ЭКГ, ЭЭГ или ЭМГ можно использовать любые электроды. Однако более крупные обычно применяют для снятия ЭКГ, так как при этом не так важна локализация измерений. При снятии ЭЭГ и ЭМГ, а также при наблюдении за плодом применяют меньшие электроды.
На ранней стадии измерений биоэлектрических потенциалов использовались погружаемые (иммерсионные) электроды, которые предста
|
|
|
12 |
