 |
Диагностические электронные системы.
|
|
|
|
Устройства съема медицинской информации (УСМИ) - это уст-ройства, обеспечивающие получение сигналов, связанных с явле-ниями и процессами, происходящими в живых организмах.
Классификация УСМИ представлена на рис. 1. 3. 2.
Основные требования, предъявляемые к УСМИ.
1. Минимум искажения полезного сигнала.
2. Максимальная помехозащитность.
3. Удобство размещения в необходимом для измерения месте.
4. Отсутствие раздражающего действия.
5. Возможность многократного использования и стерилизации без изменения характеристик. Электроды как устройства съема различаются:
1. По виду регистрируемого сигнала (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, ЭГГ, ЭОГ и др. ).
2. По материалу (металлические, угольные, стеклянные). Стеклян-ные правильно называть электролитическими, т. к. проводником является раствор электролита (KCl и др. ), который заключен в стеклянную канюлю.
3. По конструкции (плоские, игольчатые, многоточечные).
4. По площади (чем меньше площадь, тем более локально отводят-ся биопотенциалы).
5. По назначению: одноразовые - используются в кабинете функ-циональной диагностики; длительного наблюдения - в палатах реанима-ции; динамического наблюдения - в физиологии труда и спорта; экстрен-ного применения - скорая помощь.
6. По месту расположения (поверхностные и вкалывающие). По-верхностные электроды должны иметь контактное сопротивление 10 - 15 кОм, поэтому их накладывают через токопроводящие пасты и прокладки.
Очень часто приходится регистрировать изменение характиристик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлектрические величины, обусловленные жизненными функциями, к ним относятся:
|
|
|
1. Механические (перемещение, скорость, ускорение, акустические параметры, давление, вибрации и др. ).
2. Физические (тепловые: температура, энергия, количество тепло-ты; электрические: характеристики электрического (Е,, ), магнитного поля (B,, ), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядерные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излучения, дозы и др. ).
3. Химические (химический состав, концентрация, pH).
4. Физиологические (кровенаполнение, пульс и др. ).
Для измерения этих величин используются датчики (преобразова-тели).
ДАТЧИКИ - это УСМИ, которые своим чувствительным элемен-том реагируют на воздействие измеряемой величины и осуще-ствляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в электрические сигналы)
В энергетических датчиках создается немодулированный (с неме-няющимися параметрами) поток энергии. Измеряемый параметр изменяет этот поток (модулирует), эти изменения регистрируются чувствитель-ным элементом. Таким образом, общую схему измерения энергетическими датчиками можно представить так: источник энергии - объект
Электроды - это проводники специальной формы для съема электрических сигналов реально существующих в организме.
Электроды как устройства съема различаются:
1. По виду регистрируемого сигнала (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, ЭГГ, ЭОГ и др. ).
2. По материалу (металлические, угольные, стеклянные). Стеклян-ные правильно называть электролитическими, т. к. проводником является раствор электролита (KCl и др. ), который заключен в стеклянную канюлю.
3. По конструкции (плоские, игольчатые, многоточечные).
4. По площади (чем меньше площадь, тем более локально отводят-ся биопотенциалы).
5. По назначению: одноразовые - используются в кабинете функ-циональной диагностики; длительного наблюдения - в палатах реанима-ции; динамического наблюдения - в физиологии труда и спорта; экстрен-ного применения - скорая помощь.
|
|
|
6. По месту расположения (поверхностные и вкалывающие). По-верхностные электроды должны иметь контактное сопротивление 10 - 15 кОм, поэтому их накладывают через токопроводящие пасты и прокладки.
Очень часто приходится регистрировать изменение характиристик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлектрические величины, обусловленные жизненными функциями, к ним относятся:
1. Механические (перемещение, скорость, ускорение, акустические параметры, давление, вибрации и др. ).
2. Физические (тепловые: температура, энергия, количество тепло-ты; электрические: характеристики электрического (Е,, ), магнитного поля (B,, ), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядерные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излучения, дозы и др. ).
3. Химические (химический состав, концентрация, pH).
4. Физиологические (кровенаполнение, пульс и др. ).
Для измерения этих величин используются датчики (преобразова-тели).
ДАТЧИКИ - это УСМИ, которые своим чувствительным элемен-том реагируют на воздействие измеряемой величины и осуще-ствляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в электрические сигналы)
В энергетических датчиках создается немодулированный (с неме-няющимися параметрами) поток энергии. Измеряемый параметр изменяет этот поток (модулирует), эти изменения регистрируются чувствитель-ным элементом. Таким образом, общую схему измерения энергетическими датчиками можно представить так: источник энергии - объект исследования - чувствительный элемент. В качестве примера рассмотрим три вида энергетических датчиков, представленных на рис. 1. 3. 3.
В фотоэлектрическом датчике (1) создается световой поток Ф0. При прохождении через ткани организма поток меняется, в качестве реги- стрирующего устройства может использоваться фоторезистор, фотоэле- мент, фотопластинка.
В рентгеновских датчиках(аппаратах) (2) в качестве излучения используются рентгеновские лучи, а в качестве чувствительного элемента - фотопластинка, люминесцентный экран, рентгеночувстительный экран.
|
|
|
При ультразвуковом исследовании - (УЗИ) (3) используется по- ток УЗ-волн, а для регистрации, как правило, пьезодатчики.
В биоуправляемых активных(генераторных) датчиках под воз- действием измеряемой величины генерируются пропорциональные ей электрические сигналы. Наиболее часто употребляемые датчики: термо- пары (1), тензодатчики (2), индукционные (3), полупроводниковые вен- тильные фотоэлементы (4). Их схемы представлены на рис. 1. 3. 4.
В термопарах имеются два спая, в которых соединяются два раз- личных проводника или полупроводника. В каждом из спаев создаются контактные разности потенциалов. Суммарная разность потенциалов оп- ределяет ЭДС термопары. ЭДС пропорциональна разности температур спаев = к (T1 -T2), где к зависит от типа соединяемых проводников или полупроводников.
В тензодатчиках используется прямой пьезоэлектрический эф- фект - при воздействии на некоторые кристаллы (кварца, титанат бария и других) внешней силой, в результате структурной поляризации, на поверх- ности этих кристаллов появляется разность потенциалов, пропорциональ- ная приложенной силе.
В индукционных датчиках, при перемещении постоянного магнита относительно катушки, возникает ЭДС индукции, которая определяется по закону Фарадея = - Ф/ t. В конечном итоге ЭДС пропорциональна скорости перемещения постоянного магнита.
В полупроводниковых вентильных фотоэлементах используются кристаллы селена. изготовления создается запирающий слой, который не пропускает основных носителей заряда. При освещении фотоэлемента в верхнем слое возникают пары электрон-дырка. За счет запирающего слоя они разделяются и образуется фото ЭДС, пропорциональная световому потоку.
Биоуправляемые пассивные (параметрические) датчики пред- ставляют собой замкнутую электрическую цепь (рис. 1. 3. 5), в состав кото- рой входят: источник постоянного или переменного напряжения, измери- тельный прибор (амперметр) и сопротивление R, величина которого меня- ется пропорционально изменению измеряемого неэлектрического сигнала организма. По закону Ома пропорционально изменяется и ток в цепи, по- этому шкала измерительного прибора градуируется в единицах измеряе- мой неэлектрической величины. По виду сопротивления параметриче- ские датчики подразделяются на: резистивные, емкостные, индуктивные и контактные.
|
|
|
В резистивных датчиках используются: активное переменное со- противление, движок которого перемещается пропорционально механиче- скому перемещению органов тела человека; терморезистор, величина ко- торого меняется пропорционально температуре измеряемого объекта; фоторезистор, его сопротивление меняется при изменении светового по- тока; в качестве сопротивления можно подключать непосредственно ткани организма. В этом случае измеряется импеданс (общее сопротивле- ние ткани переменному току).
В индуктивных датчиках используется катушка с ферромагнитным сердечником. Ее индук- тивность (L) зависит от магнитной проницаемости сердечника ( ), числа витков катушки (n), размеров катушки (d, l). Величина индуктивного сопротивления определяется формулой RL = L.
В контактных датчиках вместо сопротивления используются два контакта, которые замыкают- ся или размыкаются при периодическом движении, например, при измене- нии размеров грудной клетки при вдохе и выдохе.
Для правильного использования датчиков необходимо знать их метрологические характеристики. Датчики должны периодически проверяться метрологическими службами. К метрологическим характеристикам относятся:
1. Чувствительность - это изменение выходного сигнала при изме- нении входного сигнала на единицу. Например, чувствительность термо- пары определяется формулой. k t
2. Предел чувствительности - минимальное значение изменения входного сигнала, которое можно зарегистрировать с помощью датчика.
3. Динамический диапазон - диапазон входных неэлектрических ве- личин от предела чувствительности до максимального значения, регист- рируемого датчиком без искажения.
4. Погрешность - разность между измеренным и действительным значением величины.
5. Время реакции (инерционность) показывает, на сколько величина выходного сигнала датчика отстает по времени (по фазе) от входного.
В качестве примеров использования датчиков рассмотрим измере- ние температуры, параметров системы дыхания и сердечно-сосудистой системы.
Различают температуру поверхности и температуру ядра тела. Темпера- тура поверхности тела зависит не только от состояния организма, но и от внешней среды: температуры и давления воздуха, его влажности. Поэто- му, как правило, температуру поверхности измеряют с точки зрения сим- метричности температурных полей левой и правой области тела человека. Температура ядра является более стабильным показателем и она опре- деляется в основном состоянием внутренней среды организма. Измеряют температуру ядра непосредственным помещением датчика в мышцу и от- дельные органы, ректальную температуру, в полости рта, в подмышечной впадине, паховой области, пупочной ямке. Для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков используются: полупроводнико-вые термосопротивления (термисторы), и термоэлементы (термопары).
|
|
|
Основными параметрами, измеряемыми в системе дыхания, явля-ются частота дыхания и глубина дыхания. Измерение этих параметров производится по механическому перемещению грудной клетки и по проти-воположно направленным потокам воздуха при вдохе и выдохе, имеющи-ми разную температуру и влажность. Механические перемещения грудной клетки оценивают контактными и резистивными (с активным сопротивле-нием) датчиками. Потоки воздуха измеряют емкостными датчиками, тер-мисторами, термопарой.
Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы использу-ются неэлектрические параметры: частота пульса, параметры пульсовой волны, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, механические перемещения органов и тканей, связанные с одномоментым выбрасыванием ударного объема крови из левого желудочка и др. Частоту пульса и пульсовые волны (сфигмография) измеряют тензодатчиками. Механические перемещения грудной клетки в области верхушечного толч-ка (сейсмография) оценивают индукционными датчиками. Тоны и шумы сердца (фонокардиография) измеряют с помощью микрофонов, которые по сути представляют также датчики индукционной системы. Для измере-ния давления используют тензодатчики, основанные на пьезоэффекте. Эти датчики вносят в крупные кровеносные сосуды и в полости сердца. Исследование кровенаполнения и оценка тонуса кровеносных сосудов (плетизмография) производится импедансометрическими датчиками, энергетическими, фотоэлектрическими и тензодатчиками. Определение скорости кровотока производится энергетическими ультразвуковыми дат-чиками, метод измерения основан на эффекте Допплера.
Электрические сигналы на выходе УСМИ, как правило, имеют ма-лую величину (амплитуду). Для регистрации их необходимо усилить. Для этих целей используются устройства усиления (УУ).
Устройства усиления напряжения, тока, мощности электриче-ских колебаний за счет энергии постороннего источника называ-ются усилителем колебаний.
Принципиальные схемы простейшего усилителя напряжения пред-ставлены на рис. 1. 3. 6a и 1. 3. 6б.
Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или по-лупроводнковый (транзистор). Не вдаваясь в подробности работы усили-теля, рассмотрим общие принципы усилителя напряжения.
1. Колебания входного напряжения на сетке лампы создают про-порциональные колебания анодного тока (в случае использования транзи-стора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).
2. Изменяющийся анодный ток создает на нагрузочном сопротивле- нии R пульсирующее напряжение, состоящее из постоянной и переменной составляющей.
3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с по- мощью разделительного конденсатора, и является усиленным выходным напряжением.
Из рассмотренного видно, что принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзисторного усилителей идентичны.
Главным параметром усилителя является коэффициент усиления. Он показывает во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше амплитуды входного напряжения.
Приведенные схемы усилителей являются однокаскадными. Для ре- гистрации электрических сигналов одного каскада, как правило, бывает недостаточно. Поэтому используют усилители, состоящие из нескольких каскадов, которые подключаются последовательно друг с другом. Коэф- фициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению ко- эффициентов усиления всех каскадов.
При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения соответствовала форме входного напряжения, го- ворят, чтобы усилитель не искажал усиливаемый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в усилителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разработчи- ками усилителей, согласно представленной информации о параметрах усиливаемых сигналов. Частотные искажения связаны с так называемой полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется частотная характеристика - это зависимость коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частот- ная характеристика представлена в графической форме на рис. 1. 3. 7. По- лоса частот от 1 до 2, в пределах которой коэффициент усиления практически не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не являются гармоническими, однако их можно разложить на сумму гармоник, различающихся по частоте и амплитуде. Если все частоты гармоник входят в полосу пропускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоническая составляющая выходит за пре- делы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаяются по гармоническому спектру, то усилители для одно- го сигнала, например ЭКГ, не могут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др.
Для того, чтобы использовать усилители для усиления электрических потенциалов, возникающих в организме человека и живот- ных, необходимо четко представлять себе биоэлектрическую активность органов челове- ка и их характеристики.
Биоэлектрическая активность характе- ризуется следующими параметрами:
1. Диапазон амплитуд электрических колеба- ний составляет от единиц мкВ до единиц мВ.
2. Диапазон частот охватывает область частот от долей Гц до 10 кГц.
3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто активным и составляет порядка тысяч и десятков тысяч Ом.
Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особенностями:
а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, произво- дится при одновременной записи нескольких сигналов.
б) при регистрации объект находится в поле действия различного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.
Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с одной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистрирующие устройства, с другой стороны, заставляют конструировать усилители с большим коэффициентом усиления (до нескольких миллионов раз).
Малые входные напряжения приводят к тому, что в усилителях при- ходится считаться с собственными шумами входных каскадов, а из-за большого коэффициента усиления со склонностью таких усилителей к са- мовозбуждению.
Необходимость пропускания очень низких частот усложняет питание усилителя от одного общего источника питания. Это делает усилитель очень чувствительным к медленным изменениям напряжения источников питания, а работу усилителя неустойчивой.
В связи с большим сопротивлением ткани входное сопротивление усилителя должно быть большим.
Одновременная регистрация нескольких процессов на одном объ-екте приводит к тому, что входы усилителей оказываются соединенными между собой через сопротивление тканей.
Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и вход-ные элементы усилителей и сами усилители.
Входные каскады усилителей должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.
2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усилителя должно быть большим.
3. Каскад должен быть защищен от механических колебаний.
4. Схема каскада должна давать возможность производить регист-рацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.
1. Тема 9: Геометрическая оптика.
2. Курс: первый семестр: первый
3. Продолжительность лекции: 2 часа
4. Контингент слушателей: студенты
5. Учебная цель: изучение электрические и магнитные свойства тканей и окружающей среды
6. Иллюстративный материал и оснащение: интерактивная доска
7. Подробный план:
1). Геометрическая оптика. Явление полного внутреннего отражения света.
2). Рефрактометрия. Волоконная оптика.
3). Оптическая система глаза.
4). Микроскопия. Специальные приемы микроскопии.
8. Методы контроля знаний и навыков: традиционные методы контроля.
9. Литература: см. в приложении.
|
|
|
