11.2. Измерительные преобразователи для биомедицинских измерений
При проведении биомедицинских исследований необходимо измерять большое количество неэлектрических величин - медико-биологических показателей, которые отражают различные свойства биообъектов. Исходные параметры должны преобразовываться с помощью измерительных преобразователей преобразуются в свои электрические эквиваленты. Отметим ряд преимуществ электрических методов измерения неэлектрических величин.
1. Исключительная простота измерения параметров электрических сигналов при высокой чувствительности и широком динамическом диапазоне измерений,
2. Возможность создания универсальных приборов для обработки измерительной информации различного происхождения.
3. Малая инерционность электрической аппаратуры и, следовательно, широкий частотный диапазон регистрируемых сигналов.
4. Возможность измерения на расстоянии, в недоступных для других методов местах.
5. Возможность передачи результатов измерений на большие расстояния, их математической обработки и использования для целей управления.
В общепринятом представлении измерительный преобразователь (или датчик) - составной элемент измерительного прибора, содержащий группу преобразователей, приближенных к объекту исследования и предназначенных для преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал.
При изучении конструкций различных измерительных преобразователей необходимо различать первичный преобразователь - первый из преобразователей, непосредственно контактирующий с объектом и реагирующий на порождающее поле, и вторичные преобразователи, осуществляющие модификации порождающего поля в соответствии с принципом действия всего измерительного преобразователя. В измерительном преобразователе происходит главное преобразование, качество которого в основном определяет достоверность сведений, получаемых от измерительного прибора, занимает при проведении медико-биологических исследований особое место.
При исследовании биообъекта измерительный преобразователь следует рассматривать как устройство для выделения непосредственно от объекта определенного вида энергии, содержащей полезную информацию о состоянии этого объекта в форме биофизического показателя, параметра или процесса. Формы энергии обычно сводятся к типу порождающего поля, генерируемого при проведении исследований самим биообъектом или внешним излучателем: механической, акустической, тепловой, электрической, магнитной, электромагнитной, химической. К ним можно отнести не все известные формы, а лишь те, которые могут быть изучены и измерены.
Физический принцип работы измерительного преобразователя - это физическое явление, на котором основан его принцип действия. Он может не совпадать с физической природой изучаемого процесса, так как может рассчитываться, на регистрацию какого-то побочного проявления этого процесса. Например, такой медико-биологический показатель, как кровенаполнение артерии, характеризуется по пульсациям стенки артерии. Однако измерительный преобразователь может быть построен не только с расчетом на механические проявления в пульсации артерии, как при использовании тензорезистора. Кровенаполнение артерии приводит к изменению оптической плотности, поэтому можно предложить измерительный преобразователь оптического типа, или электрического сопротивления ткани, поэтому возможно использование электродов. Таким образом, для этого показателя, кроме чисто механических измерений пульсаций артерии, можно применить фотометрический или импедансный метод измерения. Каждый метод позволяет получить количественную оценку кровенаполнения, но эти оценки будут несколько различаться, так как для каждого из них существенными оказываются разных ошибки. Список примеров подобного типа легко продолжить.
В измерительных преобразователях для исследования биообъектов нашли применение различные физические явления - пьезокристаллический эффект, электромагнитная индукция, фотоэлектрический и термоэлектрический эффекты, люминесценция, электрохимические явления и т.д. [8].
Иногда цепь преобразований от реакции на порождающее поле до формирования электрического сигнала может быть достаточно продолжительной, многоэтапной. Например, для измерительного преобразователя при регистрации изменений артериального давления плетизмографическим методом (рис. 11.4) цепь преобразований выглядит следующим образом:
,
где V - изменение объема участка органа БО при пульсации артерии под воронкой В; P - колебания давления в резиновой трубке РТ; l - величина деформации пъезокристалла ПК; q - изменение заряда на гранях кристалла; u - изменение выходного напряжения.
Каждый из этапов преобразований имеет свои особенности и свои источники ошибок. Часто аналитические описания подобных этапов носят приближенный характер, а получение аналитических зависимостей для расчета характеристик измерительного преобразователя в целом становится проблематичным.
Измерительные преобразователи медицинских приборов весьма специфичны по принципам построения, так как они взаимодействуют с живым организмом, который, будучи очень сложной системой регуляции, довольно чутко реагирует на отбор энергии, необходимой для измерения. При грубом вмешательстве организм изменяет свой энергетический баланс так, что информация, получаемая с помощью измерительного преобразователя, дает представление не об измеряемой величине, а с другой, полученной в результате нарушенного режима работы живой система (см. раздел 5). Эта величина имеет уже несравненно меньшую диагностическую ценность.
Так, для рассмотренной цепи преобразований (см. рис. 11.4) можно легко убедиться, что колебания просвета в артерии могут быть обусловлены не только большим или меньшим притоком крови, но и работой мощных мышц, которые отвечают сокращением или расслаблением на внешние раздражители и тем самым искажают плетизмограмму.
Другим примером может служить измерение температуры тела в подмышечной впадине с помощью термисторного преобразователя. Было обнаружено, что в зависимости от силы прижатия предплечья к грудной клетке температура у одного и того де человека может изменяться на 0,2-0,4о С. Это объясняется тем, что термистор при прохождении через него тока нагревается, а выделенное тепло удаляется с большей или меньшей легкостью в зависимости от теплопроводности среды, окружающей чувствительный элемент.
Подобных примеров в медико-биологической практике также много. Читатель может привести и свои примеры подобного влияния. Все они доказывают, что прибор даже самого высокого класса точности при соприкосновении с биообъектом может показывать ошибочный результат, зависящий от анатомо-физиологических особенностей отдельного участка или всего организма. Следовательно, для обеспечения высоких метрологических характеристик измерительных преобразователей при выполнении медико-биологических исследований одним из главных требований является требование минимального вмешательства в жизнедеятельность той или иной системы, и в связи с этим оперирование с очень малыми уровнями отбираемой от биообъекта энергии.
Другое требование также обусловлено контактом с биообъектом и касается выбора таких геометрических форм, габаритов, веса и материала, которые должны не травмировать организм и не вызывать токсической реакции.
Важнейшим для исключения ошибок диагностики требованием является высокая надежность измерительного преобразователя. Некоторые функциональные отказы могут исказить измеряемую величину и привести к неправильным решениям по выбору методов лечения. В экстремальных случаях отказ измерительного преобразователя может быть опасен для жизни пациента.
Отметим и такие требования к измерительным преобразователям, как простота в обращении, так как эксплуатирует их технически слабо подготовленный персонал, а также экономичность и взаимозаменяемость, что способствует общей надежности системы измерения показателей.
Особую группу измерительных преобразователей составляют электроды, которые используются для получения измерительной информации в случаях, когда порождающее поле представлено электрической формой. Это конструктивно самый простой класс преобразователей, однако требования к ним аналогичны требованиям к другим группам. Описание конструкций электродов выходит за рамки данного издания. Более подробно об электродах, используемых при регистрации биопотенциалов и в импедансных методах, можно узнать из [16], а об электродах, нашедших применение в клинико-химических и другом лабораторном оборудовании, можно узнать в [1, 11].