Медицинские датчики

метки: Датчик, Медицинский, Электрод, Сигнал, Например, Давление, Биоэлектрический, Электро

110kb.

04.12.2011 13:06

---

• Смотрите также:
• [ реферат ]
• [ документ ]
• [ лекция ]
• [ реферат ]
• [ документ ]
• [ документ ]
• [ лекция ]
• [ документ ]
• [ реферат ]
• [ документ ]
• [ лабораторная работа ]
• [ документ ]

Система получения медико-биологической информации

Сдала:Карпунина Елена 111-1П

Принял:

Любое медико-биологическое исследование связано с полу­чением и регистрацией соответствующей информации. Не­смотря на разнообразие устройств и методов, употребляе­мых для этой цели, можно указать их общие схемы и принци­пы действия.

Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о со­стоянии и параметрах медико-биологической системы, необходи­мо иметь целую совокупность устройств.

устройством съема, —

Устройство съёма (электрод или датчик)

Выходной измерительный

(регистрирующий прибор)

усилитель

передатчик

непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от меди­ко-биологической системы, в некоторых случаях части измери­тельной системы могут быть даже отнесены на значительные рас­стояния от объекта измерений.

Структурная схема измерительной цепи изображена на рис.. Эта схема является общей и отражает всевозможные реаль­ные системы, применяемые в медицине для диагностики и иссле­дования. В устройствах медицинской электроники чувствитель­ный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо из­меняет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию меди­ко-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике использу­ются два вида устройств съема: электроды и .

средство измерений,

Во многих случаях между устройством съема и средством из­мерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал и передающие его на расстояние.

^

Электроды для съема биоэлектрического сигнала, Электроды для съема биоэлектрического сигнала

При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнит­ного воздействия, например в реографии. В ме­дицине электроды используются также для ока­зания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не

создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т. п. Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротив­лении электрод — кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электро­ды, изображена на рис. 17.2 (£ _6п — ЭДС источника биопотенциа­лов; г — сопротивление внутренних тканей биологической систе­мы; R — сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; R_Bx — входное сопротивление усилителя биопотенциалов).

Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках кон­тура одинакова, имеем

Е бп = Ir+IR + IR_SX = IR_t + IR_BX , где Д. = г + R. (17.1)

_6п

Для уменьшения переходного сопротивления электрод — кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и ко­жей, используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод — кожа, т. е. увеличив размер электрода, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей и истинная картина электрического поля будет искажена.

По назначению электроды для съема биоэлектрического сигна­ла подразделяют на следующие группы: 1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, напри­мер для разового снятия электрокардиограммы; 2) для длитель­ного использования, например при постоянном наблюдении за тя­желобольными в условиях палат интенсивной терапии; 3) для ис­пользования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4) для экстренного применения, на­пример в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях про­явится своя специфика применения электродов: физиологиче­ский раствор может высохнуть и сопротивление изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессоз­нательном состоянии пациента надежнее использовать игольча­тые электроды и т. п.

При пользовании электродами в электрофизиологических ис­следованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них— возникновение гальванической ЭДС при контакте электро­дов с биологической тканью. Другая — электролитическая поля­ризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возника­ет встречная по отношению к основной ЭДС.

В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приемы относятся к электрохимии и в этом курсе не рассматриваются.

В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов. Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды — металлические пластинки с клеммами 1 , в которые вставляют и за­крепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электро­ды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2. Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет клемму для штыря кабеля отведений.

В
микроэлектродной практике используют стеклянные микро­электроды. Профиль такого электрода изображен на рис., кон­чик его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изоля­тором, внутри находится проводник в виде электролита. Изготовле­ние микроэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности, однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки и проводить внутриклеточные исследования.

^

Многие медико-биологические характеристики нельзя непо­средственно «снять» электродами, так как эти характеристики не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, темпе­ратура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях меди­ко-биологическая информация связана с электрическим сигна­лом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической вели­чине (например, пульс).

В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи).

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которо­му подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи, называется первичным.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контроли­руемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

генераторные

^

Параметрические датчики

механические, акустические

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величи­не; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тен-зодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д.

функцией преобразования

Таблица 26

Датчик	Механический	Акусти­ческий	Оптиче­ский	Температурный
Пьезоэлектрический	АД	ФКГ	—	—
Термоэлектрический	—	—	—	Т
Индукционный	БКГ	ФКГ	—	—
Фотоэлектрический	—	—	огг	—
Емкостной	ФКГ	—	—	—
Реостатный	АД, БКГ	—	—	т
Индуктивный	ДЖ	—	—	—

Обозначения: АД — артериальное давление крови, БКГ — баллистокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ — давление в желудочно-кишечном тракте.

^

z =∆ у/∆х.

омах на миллиметр

Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновен­но, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особен­ность приводит к зависимости чувствительности датчика от ско­рости изменения входной величины dx/dt или от частоты при из­менении х по гармоническому закону.

При работе с датчиками следует учитывать возможные, специ­фические для них, погрешности. Причинами погрешностей могут

быть следующие факторы: 1) температурная зависимость функции преобразования; 2) гистерезис — запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции пре­образования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биоло­гическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерци­онность датчика (пренебрежение его временными характеристика­ми) и др. Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма раз­нообразна: от простейших (типа термопары) до сложных доплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный).

Этот датчик выполнен в виде резиновой трубки 1, которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов труб­ки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника 4.

При растяжении трубки увеличивается длина / и уменьшается площадь S сечения столбика угля и согласно формуле увеличи­вается сопротивление R

R = pl/S,

где р — удельное сопротивление угольного порошка.

Таким образом, если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе — сокращается. Сила тока в цепи будет изменяться с частотой дыхания, что можно зафиксировать, используя соот­ветствующую измерительную схему.

В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.

^

Снятый и усиленный электрический сигнал необходимо пере­дать к регистрирующему (измерительному) прибору.

Во многих случаях электроды или датчики, усилитель и регист­рирующий прибор конструктивно оформлены как единое устройст­во. В этом случае передача информации не является сложной про­блемой. Однако измерительная часть может находиться и на рас-

телеметрии

Радиотелеметрия применяется также для эндорадиозондирования пищеварительного тракта. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Миниатюрная капсула с радиопередатчиком (эндорадио-зонд)

заглатывается больным. По изменению

частоты передатчика приемником, расположенным вблизи пациента, можно измерять

давление, сте­пень кислотности или щелочности, температуру и другие параметры в месте расположения капсулы.

На рис показана схема эндорадиозонда для определения активности пищеварительных ферментов. Он состоит из трех основных частей: 1 — источник напряжения, размещаемый в съем­ной торцовой насадке; 2 — диск, спрессованный из ‘ ферромагнитного порошка и частиц, растворяю­щихся ферментом; 3 — транзистор и другие дета­ли радиосхемы. Диск расположен в съемной на­садке и так же, как источник напряжения, после однократного употребления может быть заменен другим. Диск прижимается к катушке индуктив­ности 4 и образует с ней замкнутый магнитопровод. По мере растворения диска пищеварительны­ми ферментами уменьшается индуктивность L цепи и [см. (14.9)] увели­чивается частота генератора. Таким образом, по воспринимаемой частоте можно судить об активности ферментов.

^

Конечным элементом технической схемы, изображенной на рис. 17.1, является измерительное (контролирующее) устройство, отображающее или регистрирующее медико-биологическую ин­формацию.

устройством отображения

регистрирующие приборы,

аналоговые

самопишу­щими приборами

В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие способы регистрации информации на носителе: а) нане­сение слоя вещества (красителя): чернильно-перьевая и струеписная системы; б) изменение состояния вещества носителя: фоторегистрация, электрохимическая, электрофотографическая (ксерогра­фия) и магнитная запись; в) снятие слоя вещества с носителя: закопченная поверхность, тепловая запись.

Простейшим самописцем, находящим и сегодня применение в физиологическом эксперименте, является кимограф , работающий от заведенной пружины, или электрокимограф, рав­номерное вращение барабана которого осуществляется электро­двигателем.

Идея кимографа — равномерное вращение или перемещение поверхности носителя — сохраняется в подавляющем большинст­ве современных аналоговых регистрирующих приборов, фикси­рующих временную зависимость исследуемой величины. Смеще­ние у писчика или светового пятна, пропорциональное регистри­руемой величине, является ординатой полученного графика. Равномерное перемещение носителя (бумага, фотопленка) означает, что абсцисса прямо пропорциональна времени t. В ре­зультате полученная кривая отражает зависимость у = f(t).

Самопишущие приборы, используемые в медицинской аппара­туре, преобразуют электрический сигнал в механическое переме­щение. Физически они являются гальванометрами — высокочув­ствительными электроизмерительными приборами, реагирующи­ми на достаточно малую силу тока. В этих приборах ток, проходящий по катушкам, проволочной рамке или по петле, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В ре­зультате этого взаимодействия подвижная часть (магнит, прово­лочная рамка или части петли) отклоняется пропорционально си­ле тока, т. е. пропорционально электрическому сигналу.

С подвижной частью соединен пишущий элемент, оставляю­щий след на движущемся носителе записи: специальное капил­лярное перо, либо стеклянный капилляр с соплом в струйном са­мописце, либо зеркальце, отражающее луч света, или что-то дру­гое.

Направление перемещения бумаги (носителя)

^

Важной характеристикой самописца является диапазон частот колебаний, которые они успевают регистрировать. Чем больше инерция подвижной части самописца, тем больше запаздывание регистрации относительно истинного изменения регистрируемой величины и тем хуже характеристика прибора.

В самопишущих устройствах наряду с обычными погрешнос­тями измерительных приборов возникают также погрешности, обусловленные записью.

Причинами погрешности записи могут быть неточность работы механизма перемещения бумаги или фотопленки, запаздывание, вызванное инерцией пишущей системы прибора, изменение раз­меров бумаги под влиянием влажности воздуха, неточность от­метки времени и др.

Кроме однокоординатных самописцев, фиксирующих времен­ную зависимость, в исследовательской практике получили распро­странение двухкоординатные самописцы. На рис. 17.11 показан внешний вид такого самописца. При регистрации поперечная рей­ка перемещается поступательно, ее смещение пропорционально одному из подаваемых сигналов — параметров х. Вдоль рейки про­порционально изменению второго параметра у перемещается ка­ретка с писчиком. В результате писчик совершает сложное движе­ние и оставляет на бумаге график функции у = f(x).

электронно-лучевые трубки

вектор-кардиоскопе

Электронно-лучевая трубка относится к группе комбинирован­ных устройств, так как может отображать (при дополнительном фотографировании — регистрировать) выходную информацию не только в аналоговой, но и в дискретной форме (цифры, буквы).

---

---