Датчики параметров сердечно-сосудистой системы

Ф КГМУ 4/3-07/04

ПП КГМУ 4/04

 

Карагандинский государственный медицинский университет

Кафедра медицинской биофизики и информатики

 

Методические рекомендации для самостоятельной работы студентов

Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ.

Подтема: Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики

Дисциплина: OODO12 МВ 1112 медицинская биофизика

Специальность: 051301 «Общая медицина»

Курс: I

Составитель: Коршуков И.В., Мхитарян К.Э.

Время: 3 часа

 

 

Караганда 2015

 

Обсуждены и утверждены на заседании кафедры

Протокол № __ от «__» ______200_

зав. кафедрой _______________ Койчубеков Б.К.

 

Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ.

Подтема: Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики.

Цель: Уметь описывать первичные звенья получения медико-биологической информации, такие как датчики и электроды. Обосновывать их применение на основе представлений о принципах работы, возможных конструкциях, области применения и ограничениях, проблемах возникающих в ходе регистрации как электрических, так и неэлектрических величин.

Задание:

Описать 5 наиболее важных в медицине датчиков по схеме:

1. Входная величина
2. Физическое явление, лежащее в основе преобразования
3. Выходная величина
4. Область применения
5. Аргументировать выбор датчика

Форма проведения: метод малых групп

Требования к выполнению задания: в работе на бумаге формата А4 должна быть представлена информация о 5 наиболее важных в медицине датчиках с указанием входной измеряемой величины, описанием физического явления, лежащее в основе преобразования, указанием выходной величины, и описанием области применения данного датчика. Аргументировать выбор датчика.

Сроки сдачи: перед началом следующей темы (проверить учебный план).

Критерии оценки: работа должна содержать полную информацию о датчике по всем требуемым пунктам описания.

Литература:

1. Датчики http://www.electrolibrary.info/subscribe/sub_16_datchiki.htm

2. Медицинские датчики http://medbookaide.ru/books/fold1002/book1007/p24.php

3. Датчики https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA

4. Датчики http://vmede.org/sait/?page=28&id=Medbiofizika_remizov_2012&menu=Medbiofizika_remizov_2012

5. Преобразователи, датчики, сенсоры. http://sensorse.com/

6. Антонов В. Ф. Физика и биофизика [Текст]: учебник / В. Ф. Антонов, Е. К. Козлова, А. М. Черныш. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 472 с.: ил. – 10 экз.

7. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика [Текст]: учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2011. – 102 экз.

8. В. Н. Федоров Медицинская и биологическая физика [Текст]: курс лекций с задачами: Учеб.

9. Антонов В. Ф. Физика и биофизика [Электронный ресурс]: электр. учебник / В. Ф. Антонов, Е. К. Козлова, А. М. Черныш. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – 5 экз

10. Антонов В. Ф. Физика и биофизика [Текст]: руководство к практ. занятиям: учеб. пособие / В. Ф. Антонов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 336 с. – 1 экз.

11. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика [Текст]: учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2011. - 558 с.: ил. – 102 экз.

12. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика [Электронный ресурс]: электр. учебник / А. Н. Ремизов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM). - (Электронные учебники). – 5 экз.

Контроль: контрольные вопросы по теме занятия

1. Общая схема получения биомедицинского информации.
2. Электроды. Определение, классификация.
3. Погрешности при регистрации биосигнала.
4. Основные методы регистрации биопотенциалов
5. Схемы наложения электродов применяемые в ЭКГ.
6. Схемы наложения электродов применяемые в ЭЭГ.
7. Электрическая регистрация неэлектрических величин.
8. Датчики. Определение, классификация.

Обратная связь:

		1 совершенно несогласен	2 несогласен	3 не знаю	4 согласен	5 совершенно согласен
	Это занятие развило мои навыки по решению проблем.
	Для успешного прохождения этого занятия от меня требовалась только хорошая память.
	Это занятие развило моё умение работать в команде.
	Данное занятие улучшило мои аналитические способности.
	Данное занятие улучшило мои навыки изложения письменного материала.
	На занятии требовалось глубокое понимание материала.
	Преподаватель был более заинтересован в проверке того что я запомнил, чем того что я понял.

 

Если в ходе занятия вы не смогли выполнить задание или получили неудовлетворительную оценку ответьте на следующий вопрос:

Каковы причины невыполнения задания?

А) недостаточная активность участников малой группы

Б) отсутствие или недостаточное количество учебной литературы

В) недостаток базовых(школьных) знаний по физике

Г) недостаточно усилий приложено для выполнения задания

Д) чрезмерная сложность задания

Е) недостаток времени

 

 

ДАТЧИКИ

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 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 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.

Ниже будут рассмотрены датчики температуры, параметров системы дыхания, сердечно-сосудистой системы и некоторые другие. Подобное изложение материала хотя и не соответствует приведенной здесь классификации, представляется предпочтительным для облегчения понимания рассматриваемой проблемы. Это объясняется утвердившимся в классической физиологии и клинической медицине делением организма на отдельные анатомические функциональные системы: система кровообращения, система дыхания, пищеварения и т. д., соответственно которым удобно разделять устройства съема информации об их состоянии. Что же касается электродов, то описание этих устройств съема информации не нуждается в подразделении по отдельным анатомическим системам организма.

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

Различают температуру ядра или сердцевины тела и температуру поверхности кожи тела человека. Температура поверхности зависит от условий окружающей среды: температуры и влажности воздуха, одежды, развития волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т. д. Температура ядра тела является более достоверным показателем системы терморегуляции организма. В медицинской практике производят измерения обоих величин.

Для оценки температуры ядра измеряют температуру в мышцах и отдельных органах, ректальную температуру, температуру в полости рта, подмышечной впадине, паховой области и пупочной ямке. При измерении температуры поверхности для диагностики важны симметричные температурные поля, которые дают возможность оценить интенсивность кровоснабжения какой-либо части или сегмента человеческого тела.

Для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков используются проволочные и полупроводниковые терморезисторы, а также термоэлементы. В основу работы проволочных и полупроводниковых резисторных датчиков положено их свойство изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение сопротивления оценивается величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТКС может быть либо положительным, либо отрицательным. Положительный ТКС говорит о том, что при увеличении температуры величина сопротивления датчика возрастает. При отрицательной ТКС это соотношение будет обратным. Такие датчики можно отнести к классу пассивных (параметрических) биоуправляемых датчиков. Величина ТКС характеризует чувствительность датчика. Высокие ТКС имеют полупроводниковые терморезисторы.

В основу работы термоэлектрических датчиков (термоэлементов) положен принцип работы термоэлектрогенератора. Суть его сводится к следующему: если соединить с одной стороны концы двух металлических пластинок, изготовленных из разных металлов, например из железа и константана, и нагревать место соединения, то между свободными концами пластинок можно зарегистрировать появление электродвижущей силы (э. д. с), которая получила название термоэдс. Величина этой термоэдс зависит от температуры места соединения пластинок и, следовательно, с ее помощью можно судить о температуре. Такие датчики относятся к активным (генераторным) биоуправляемым датчикам.

Среди характеристик, определяющих качество датчиков температуры, необходимо выделить:

а) линейность зависимости сопротивления R или термоэдс от температуры.

Датчик считается линейным, если любое изменение температуры на величину Δt° дает всегда строго пропорциональное изменение параметра датчика (сопротивления R или э.д.с.), т е. выполняется условие - Δt°/ΔR=const или Δt°/Δe=const вне зависимости от начальной температуры. Высокой линейностью отличаются проволочные и термоэлектрические датчики;

б) время реакции τ Время реакции характеризует динамические свойства датчика. Оно равно промежутку времени, необходимому для изменения сопротивления R или э.д.с. ее одного установившегося значения, соответствующего определенной температуре t₁°, до другого установившегося значения, соответствующего иной температуре t₂^o, если изменение температуры с t₁° до t2° осуществляется скачкообразно. Время реакции зависит от типа датчика, от его конструктивного выполнения, теплопроводности его оболочек, массы, температурной разницы и т. д. Минимальное время реакции имеют термисторы, на основе которых выполнено большинство датчиков для одномоментного измерения температуры;

в) стабильность параметров (R или е) во времени

ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ

При объективном исследовании системы дыхания врача интересуют как количественные характеристики дыхания (частота дыхания, объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и др.), так и качественные характеристики процесса внешнего и тканевого дыхания (содержание газов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, парциальные давления кислорода и углекислоты в крови, процент насыщения крови кислородом и т. д.). Частота дыхания - один из важнейших параметров, характеризующих функциональную активность системы дыхания. Каждый акт дыхания проявляется движением грудной клетки (изменением длины ее окружности) и образованием противоположно направленных потоков воздуха на вдохе и выдохе, имеющими разную температуру. Фиксация моментов периодически повторяющихся движений грудной клетки может быть наиболее просто осуществлена с помощью трех типов пассивных биоуправляемых датчиков: контактных, резистивных и пневматических.

Рассмотрим простейший контактный датчик (рис. 11, а). На основании 1 укреплены две контактные пластины 2 и 3, образующие нормально разомкнутый контакт. В направляющих втулках 4 движется шток 5. Шток и основание датчика имеют кольца для крепления ремня, опоясывающего грудную клетку. При вдохе шток 5 движется влево и своим выступом 6 передвигает нижнюю контактную пластину 2. Цепь замыкается, фиксируя тем самым момент вдоха.

Рисунок 11. Схема датчиков параметров дыхания. а-контактный датчик, 1-основание, 2, 3-контактные пластины, 4-направляющие втулки, 5-шток, 6-выступ штока, б-угольный датчик 1-резиновая трубка, 2-уголный порошок, 3-электроды, 4-отводящие проводники, 5-скобы крепления, в-датчик из проводящей резины 1-проводящая резина, 2-электроды, г-пневматический датчик, д-турбинный датчик, 1-цилиндрический корпус, 2, 3-фланцы крепления, 4-направляющие, 5-ось, 6-подшипники, 7-вращающиеся пластинки, 8-отражательные плоскости, 9-фотодатчик.

Резистивный датчик, частоты дыхания (рис 11, б) представляет собой резиновую эластичную трубку 1, наполненную угольным порошком 2. С торцов трубки вставлены электроды 3 для создания хорошего контакта между отводящими проводниками 4 и угольным порошком 2. К концам трубки с помощью проволочных скоб 5 крепится опоясывающий грудную клетку ремень. При вдохе резиновая трубка растягивается, ее поперечное сечение уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления столба угольного порошка, заключенного в трубке. При изменении сопротивления изменяется ток в цепи. Измерительной схемой эти изменения преобразуются в импульсы тока определенной длительности, частота следования которых равна частоте дыхания.

В другом резистивном датчике (Рис. 11, в) в качестве чувствительного элемента используется специальная токопроводящая резина 1. Контактами служат электроды 2. Растяжение резины при вдохе ведет к увеличению сопротивления, которое, как и ранее, преобразуется в импульсы тока.

Пневматический датчик (рис. 11, г) частоты дыхания представляет гофрированную резиновую трубку, герметично закрытую с торцов. При растяжении объем трубки увеличивается, и давление воздуха внутри нее падает. Изменение давления улавливается с помощью какого-либо преобразователя П давление - электрический сигнал, например, с помощью угольного датчика давления.

Датчики частоты дыхания, принцип работы которых основан на фиксации движений грудной клетки, обладают существенным недостатком: они фиксируют любое изменение окружности грудной клетки, как связанное с дыханием, так и просто вследствие движения тела пациента. Поэтому такие датчики чаще применяются при исследовании больного в условиях покоя и необходимого комфорта

Датчик, фиксирующий изменения температуры потока воздуха в верхних дыхательных путях, свободен от этого недостатка. Конструктивно он представляет собой клипсу, которая надевается на крыло носа. В качестве термочувствительного элемента использован термистор. Сопротивление термистора зависит от температуры обдувающего его потока воздуха. Известно, что разница температур вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в нормальных условиях может достигать 4-5°С. Изменение сопротивления приводит к изменению тока через термистор. На выдохе амплитуда тока через термистор возрастает, на вдохе - уменьшается. Каждое изменение тока соответствует одному дыхательному движению. В результате с выхода датчика снимается последовательность импульсов, которая может быть использована для измерения частоты дыхания.

Резистивные, пневматические и термисторные датчики, кроме определения частоты дыхания, позволяют примерно оценить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, так как величина изменения их параметров (сопротивление, объем, температура) связана определенной зависимостью с глубиной дыхания, т. е. с объемом вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Однако эта зависимость подвержена сильным влияниям различных посторонних факторов. Например, данные резистивных и пневматических датчиков об изменении окружности грудной клетки могут не соответствовать объемам вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при размещении датчиков, не соответствующем типу дыхания у данного больного (брюшное или грудное). Показания термисторного датчика сильно зависят от температуры и влажности окружающей среды. Это не позволяет получить точную оценку дыхательных объемов с помощью простых по конструкции резистивных, пневматических и термисторных датчиков.

Рисунок 12. Датчик для фотометрического измерения содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. 1-лампа подсветки, 2-светофильтр. 3-фотосопротивление, 4-исследуемая ткань.

Более точно определить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха позволяет турбинный датчик (рис. 11, д). Он представляет собой полый цилиндр 1, изготовленный из органического стекла с фланцами для крепления к дыхательной маске 2 и к трубке подачи газовой смеси 3. Газовому потоку с помощью направляющих 4 придается вращательное движение. На пути газового потока расположена на оси 5 в подшипниках 6 плоская пластинка 7. К торцам этой пластинки крепятся отражательные плоскости 8. Движение газовой струи вызывает вращение пластинки со скоростью, пропорциональной скорости движения этой струи. Число оборотов фиксируется фотодатчиком 9, -установленным на корпусе в плоскости вращения пластинки (принцип работы фотодатчика рассмотрен ниже). На выходе преобразователя мы будем иметь последовательность электрических импульсов, частота следования которых будет пропорциональна количеству прошедшей через датчик газовой смеси. Подобные датчики применяются при достаточно точных физиологических исследованиях.

Контроль эффективности дыхания можно осуществлять путем фотометрического измерения процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. Метод измерения основан на отличии спектральных характеристик поглощения света восстановленным гемоглобином - Нb и оксигемоглобином - НbО₂. При длине световой волны 620-680 мкм коэффициент поглощения для гемоглобина в несколько раз выше, чем для оксигемоглобина, что может быть использовано для измерения содержания оксигемоглобина. Подробное описание принципа и методики таких измерений имеется в литературе. Датчик для такого измерения конструктивно выполнен в виде клипсы (рис. 12), надевается на мочку уха 4 таким образом, что с одной стороны ее располагается лампочка-осветитель 1 со светофильтром 2 для получения монохроматического света с нужными спектральными качествами (длиной волны), а с другой стороны - фотосопротивление 5. При изменении светового потока, падающего на фотосопротивление, будет изменяться величина этого сопротивления, а следовательно, и ток, протекающий через него. Изменение светового потока с длиной волны порядка 650 ммк может быть вызвано изменением степени поглощения света за счет изменения толщины ткани, вариаций ее кровенаполнения и содержания оксигемоглобина в крови. Вводя в измерительную схему соответствующую компенсацию на толщину ткани и ее кровенаполнение, можно получить в конечном итоге прибор, непосредственно показывающий правильное содержание оксигемоглобина в крови.

ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются такие характеристики, как пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, импеданс тканей, различные показатели циркуляции и др.

Для регистрации частоты периферического пульса получили распространение пьезоэлектрические преобразователи, использующие пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях некоторых кристаллических тел (пьезоэлектриков) при их механических деформациях (растяжении, сжатии, изгибе и т.д.)

Рисунок 13. Схема пьезоэлектрических датчиков артериального пульса. а-пьезоэлемент, работающий на сжатие. б-пьезоэлемент, работающий на изгиб.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают природные материалы (кварц и турмалин) и синтетические вещества (сегнетова соль, дигидрофосфат калия, титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем d, устанавливающим пропорциональную зависимость между величиной возникающего заряда Q и приложенной силой P:Q = dP. Кроме того, пьезоэлектрики характеризуются механической прочностью, зависимостью пъезомодуля от температуры и влажности среды.

Как правило, искусственные пьезоэлектрики имеют пьезомодуль, во много раз превышающий пьезомодуль кварца, но обладают гораздо меньшей механической прочностью, большей зависимостью параметров от температуры и влажности среды.

Рисунок 14. Микрофонные датчики. 1-корпус, 2-эластичная мембрана, 3-цилиндрический каркас катушки, 4-катушка, 5-кольцевой магнитный сердечник, б-пьезоэлектрический микрофон 1-корпус. 2-стойка, 3-мембрана, 4-пьезоэлемент, 5, 6-посеребренные плоскости пьезоэлемента, 7-отводящие проводники.

Датчики, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта, относятся к числу активных (генераторных) биоуправляемых датчиков. Конструктивно они обычно выполняются в виде таблёток диаметром 10-15 мм и высотой 3-5 мм. Внутри этого корпуса расположен пьезоэлемент, работающий на сжатие (рис. 13, а) или на изгиб (рис. 13, б). Датчики такой конструкции, приложенные к стенке артерии дают на выходе импульсный сигнал причём частота следования импульсов совпадает с частотой пульса.

Для измерения частоты пульса применяются также фотодатчики к числу энергетических датчиков. Принцип работы такого датчика основан на использовании эффекта изменения степени поглощения светового потока, проходящего через ткань, в зависимости от кровенаполнения ткани. Датчик может работать в проходящем или в рассеянном свете.

Чувствительным элементом таких датчиков чаще всего является фотосопротивление. Возможно использование фотоэлементов, фототранзисторов, вентильных фотоэлементов и т. д. Величина светового потока, падающего на светочувствительный элемент, определяет значение тока, проходящего через фотодатчик. Поэтому изменение этого значения соответствует изменению количества поглощенного света. Последнее зависит от типа ткани, ее толщины и кровенаполнения.

В процессе исследования тип и толщина ткани остаются постоянными; поэтому выходной сигнал фотодатчика характеризует кровенаполнение исследуемой части тела; поскольку кровенаполнение изменяется в такт с сокращениями сердца, тем самым становится возможным и измерение частоты пульса. Фотодатчики пульса обычно крепятся на мочке уха или на ногтевой фаланге пальца руки.

Для исслeдoвaния тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются электродинамические и пьезоэлектродинамические микрофоны. Микрофоны относятся к числу активных (генераторных) биоуправляемых датчиков. Принцип работы динамического микрофона состоит в следующем. Акустические колебания воздействуют на эластичную мембрану 2 (рис. 14, а), которая по своей окружности крепится к корпусу микрофона 1. На жестком основании - цилиндре 3, закрепленном в центре мембраны, располагаются витки провода катушки 4. Под действием звуковых волн катушка 4 движется в сильном магнитном поле, образованном кольцевым магнитным сердечником 5. В результате такого движения в катушке индуктируется э. д. с. звуковой частоты.

Электродинамические микрофоны различаются по чувствительности, частотному и динамическому диапазону. Акустические явления, сопровождающие работу сердца, как известно, являются колебаниями низкочастотными. Поэтому для получения удовлетворительного воспроизведения таких частот применяются динамические микрофоны специальной конструкции. Они отличаются особо эластичной подвеской мембраны, большой массой постоянного магнита и корпуса, в связи с чем микрофон получается очень громоздким. Вследствие, этого применение электродинамических микрофонов для указанных целей связано с рядом методологических трудностей.

Электродинамические микрофоны постепенно вытесняются пьезоэлектрическими, которые по сути дела имеют такую же конструкцию, как и пьезоэлектрические датчики пульса. Разница заключается лишь в их размерах и чувствительности. В конструкции пьезоэлектрического микрофона (рис. 14, б) с открытой стороны цилиндрического корпуса 1крепится упругая металлическая мембрана 3. Колебания мембраны передаются через недеформирующуюся стойку 2 к пьезоэлементу 4. К посеребренным плоскостям 5 и 6 пьезоэлемента припаиваются отводные проводники 7. Такой микрофон имеет диаметр 25-30 мм, высоту 10-15 мм, и масса его составляет всего несколько граммов. Параметры его в диапазоне низких частот не хуже параметров лучших образцов динамических микрофонов.

При регистрации фонокардиограммы в условиях свободного поведения, физической нагрузки и т. д. применение микрофонов описанных выше конструкций затруднено из-за высокого уровня помех. Разработаны специальные датчики, отличающиеся высокой направленностью. Перемещения и вибрации тела, действующие в плоскости, перпендикулярной относительно направления действия полезного фоиокардиографического сигнала, подавляются такими датчиками в 50-100 раз.

Для регистрации механических колебаний грудной клетки, связанных с сокращениями сердца,- сейсмокардиограммы - применяются датчики электромагнитного типа. Внутри неподвижно закрепленных катушек на спиральной пружине укреплена сейсмическая масса - постоянный магнит. Колебания магнита индуцируют в катушках электрический ток. Таким образом, сотрясения грудной клетки, сопровождающие сокращения сердца, преобразуются в электрический сигнал. Размещается такой датчик в области верхушечного толчка.

Для обнаружения пульса и тонов сердца разрабатывают датчики на основе подогревных термисторов и микропроводов. Движение воздуха при экскурсиях грудной клетки за счет сокращения сердца воспринимается с помощью датчиков таких типов.

С помощью таких датчиков были проведены записи пульса с наружной сонной артерии, а также тонов сердца и верхушечного толчка. Проведено сравнение разрабатываемых датчиков с двумя типами стандартных устройств съема. Предварительные испытания показали, что такие компактные датчики с низким импедансом обладают механической прочностью и высокой помехоустойчивостью.

Рис 15. Схемы индуктивного и емкостного датчика для регистрации давления. а-индуктивный датчик: 1-корпус, 2-сердечник, 3-эластичная основа, 4-отверстие, 5-катушка индуктивности. б-емкостной датчик: 1-подвижная пластина, 2-неподвижная пластина, 3-корпус датчика.

Измерения артериального давления могут производиться двумя принципиально различными методами: либо косвенно, например, по методике Рива-Роччи - Короткова, либо непосредственно – катетеризацией артерии и полости сёрдца. В первом случае для автоматизации измерения артериального давления и повышения точности результатов регистрация шумов Короткова при постепенной декомпрессии пережатой артерии производится с помощью микрофонов описанных выше типов с последующей логической обработкой поступающих электрических сигналов. При этом сама методика проведения автоматического процесса измерения давления в принципе здесь не отличается от обычной широко распространенной методики.

В настоящее время существует еще ряд методов непрямого измерения артериального давления крови для систем постоянного наблюдения. Эти методы основаны на применении индуктивных и емкостных датчиков особой конструкции, предназначенных для измерения абсолютного давления. Конструкция индуктивного датчика приведена на рис. 15, а. Корпусом датчика является кольцо 1, внутри которого в эластичной основе 3 расположена катушка индуктивности 5. Одна плоскость кольца имеет отверстие 4, в котором помещается сердечник 2. Если такой датчик прижать к стенке полости (например, кровеносного сосуда или глаза) так, чтобы стенка полости, соприкасающаяся с датчиком, стала плоской, и сердечник всей плоскостью прилегал к этой стенке, то единственной силой, воспринимаемой датчиком, в этом случае будет абсолютная величина давления внутри полости, независимо от жесткости стенки и тургора тканей.

 

В основу работы емкостного преобразователя положено изменение его емкости при воздействии на него измеряемой величины давления. Емкость плоского конденсатора, как известно, определяется соотношением

С=εS/4πd,

где S - действующая площадь обкладок конденсатора, d - толщина диэлектрика, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Для измерения давления чаще пользуются изменением емкости С при изменении расстояния d между пластинами конденсатора (позиции 1 и 2 на рис. 15,6).

Подобные датчики измерения артериального давления не вышли пока за пределы экспериментальных лабораторий, но в будущем, по-видимому, они получат широкое распространение.

Для прямого измерения внутрисосудистого давления крови и давления в полостях сердца в качестве преобразователей используют электрические тензодатчики (тензосопротивления или тензоезисторы).

В основе работы тензорезисторов лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление вследствие их механической деформации. Широкому применению тензорезисторов способствуют их малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков на конце тонкого катетера для внутрисосудистого и внутрисердечного введения. Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Конструктивно проволочные тензорезисторы представляют собой спираль из нескольких петель константановой проволоки, диаметром менее 20-30 мкм, наклеенных на тонкую пленочную основу. Деформация такой основы ведет к изменению длины и поперечного сечения наклеенной проволоки, что вызывает и изменение сопротивления тензорезистора. Параметры тензодатчика выбирают таким образом, чтобы в заданном диапазоне сопротивление такого датчика изменялось прямо пропорционально изменению давления окружающей среды.

В отличие от проволочных фольговые тензорезисторы имеют чувствительный элемент в виде тонких полосок фольги прямоугольного сечения, которые также наносятся на пленочную основу. Принцип работы таких датчиков аналогичен проволочным. Преимущество фольговых тензорезисторов заключается в возможности изготовления тензочувствительных элементов любого рисунка и формы. Тензочувствительность фольговых тензорезисторов примерно соответствует проволочным.

Полупроводниковые тензорезисторы отличаются от проволочных и фольговых значительно более высокой чувствительностью (в 50-60 раз). Изменение сопротивления такого тензопреобразователя при деформации доходит до 50% их номинальной величины. Для тензорезисторов чаще применяют кремниевые и германиевые полупроводники, так как они обладают высокой тензочувствительностью, химически инертны, обладают достаточной температурной стабильностью и позволяют изготовить датчики любой формы.

Для исследования кровенаполнения сосудов и оценки их тонуса применяется метод плетизмографии - регистрации изменений объема органа или части тела.

Способы оценки изменений объема связаны с прямой регистрацией изменений объема (механическая плетизмография), с регистрацией соответствующих изменений электрического импеданса (электроплетизмография), с измерением вариации поглощения тканями света (фотоплетизмография).

Поскольку электроплетизмография была уже описана ранее, а принципы фотоплетизмографии фактически рассматривались при описании фотодатчиков, остановимся здесь только на рассмотрении механической плетизмографии.

Для механической плетизмографии применяются жидкостные или воздушные преобразовательные датчики, представляющие собой сосуд, заполненный водой или воздухом. В сосуд помещается исследуемая часть тела и в нем герметизируется. Изменение объема исследуемой части тела передается воде или воздуху, соответствующие перемещения которых преобразуются в электрический сигнал с помощью индуктивных, емкостных или резистивных преобразователей, принципиально не отличающихся от описанных выше.

Для оценки величины кровотока получили распространение электромагнитные измерители потока индукционного типа. Описаны различные конструкции таких преобразователей: с двумя кату

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: