требования по месту и условиям эксплуатации (применения)

В зависимости от места и условий эксплуатации ЭКГ-приборы могут быть подразделены на классы в соответствии с ГОСТ 19687-74.

Электрокардиографы 1-го класса (кардиоанализаторы, кардиосистемы, кардиокомплексы) служат для точных измерений и регистрации ЭКГ. Эти приборы являются, как правило, стационарными (или встроенными в приборно-компьютерный комплекс) и предназначены для комплексных исследований сердечно-сосудистой системы (ССС).

Они имеют повышенные технические характеристики, в частности:

• возможность одновременной многоканальной регистрации ЭКГ-сигналов с различными типами отведений, как стандартных, так и не стандартных;

• расширенный частотный диапазон регистрируемых ЭКГ-сигналов 0,08-1000Гц;

• расширенный диапазон скоростей записи ЭКГ при регистрации;

• встроенный адаптер для связи с персональной ЭВМ;

• ряд других качественных показателей.

Электрокардиографы 20го класса имеют 1,2 или 3 канала регистрации и предназначены для использования в ходе диагностического процесса в обычных условиях врачебного контроля. Наибольшая частота регистрации ЭКГ-сигналов составляет 70-100Гц.

Электрокардиографы 3-го класса – портативные приборы, предназначенные для использования на дому, машинах скорой помощи и др. наибольшая частота регистрируемых ЭКГ-сигналов составляет 60-70Гц.

Указанное выше разделение является в известной мере условным.

Так, например, современная система суточного мониторирования ЭКГ (Холтеровская система) должна содержать портативный регистратор ЭКГ высокой точности и стационарное устройство воспроизведения, анализа ЭКГ, обработки и интерпретации результатов проведенного исследования.

3. количество каналов ввода и регистрации ЭКГ-сигналов и других показателей жизнедеятельности

Количество каналов – это характеристика ЭКГ-прибора, под которой понимается возможность одновременного ввода и регистрации ЭКГ (или какого-либо другого параметра). Количество каналов синхронного ввода и каналов регистрации могут не совпадать. В этом смысле различают кардиографы с каналами последовательной и синхронной регистрацией ЭКГ, при этом с помощью одного канала могут быть зарегистрированы ЭКГ по 12-ти стандартным отведениям (I, II, III, avL, avF, avR, V₁-V₆), а так же отведения по Нэбу и др. При требовании многоканальной синхронной регистрации ЭКГ-приборы могут быть спроектированы с 3-мя, 6-ю или 12 каналами одновременной регистрации. Увеличение числа каналов позволяет значительно уменьшить время обслуживания пациента и тем самым увеличить пропускную способность электрокардиографического исследования. Естественно, это увеличивает стоимость ЭКГ-прибора.

4. Требования к средствам установки, контроля и регулирования режимов работы

К средствам установки режимов работы ЭКГ-прибора относятся:

• Установка чувствительн6ости регистрации ЭКГ;

• Скорость движения бумаги;

• Ввод калибровочного сигнала;

• Возможность включения – отключения фильтров (сетевого и/или антитриморного);

• Тип клавиатуры (ручек управления), с помощью которой может быть установлен режим;

• Наличие светодиодной индикации режимов;

• Наличие (отсутствие) контроля работы усилителя ЭКГ и качества наложения электродов;

• Определение импульса кардиостимулятора;

• Наличие встроенных часов и календаря;

• Контроль режимов питания – от сети и от аккумулятора (с сигнализацией разряда аккумулятора);

• Наличие тревожной сигнализации при отклонениях каких-либо показателей от нормы;

• Звуковая сигнализация пульса.

5. Требования к способам и средствам отображения и регистрации ЭКГ:

• Ручной и автоматический режим регистрации ЭКГ;

• Встроенный одноканальный или многоканальный термопринтер, при этом он может работать с термобумагой без координатной сетки, нанося сетку на бумагу самостоятельно;

• Наличие памяти для запоминания ЭКГ нескольких пациентов;

• Возможность подключения электрокардиографа к персональному компьютеру (ПК);

• Программное обеспечение для полного отображения ЭКГ на экране ПК;

• Система программ архивации ЭКГ на компьютере, мониторинга ЭКГ в режиме реального времени, хранение, поиск и просмотр ЭКГ и результатов их интерпретации, учета пациентов и др.;

• Возможность печати ЭКГ и результатов анализа на принтере ПК;

• Наличие кроме регистрации, отображения ЭКГ на встроенном малогабаритном ЖК-дисплее, с одновременным отображением других параметров жизнедеятельности,

• Возможность управления функциями ЭКГ – прибора с помощью меню (на дисплее).

6. Специальные медицинские требования

К этой группе требований могут быть отнесены:

• Работа ЭКГ – прибора совместно с дифибрилятором;

• Аппаратно – программное обеспечение автоматического анализа ЭКГ, например, интервалометрического (временного) измерения ЭКГ-сигналов;

• Аппаратно – программное обеспечение анализа ритма сердечных сокращений;

• Аппаратно – программное обеспечение автоматической интерпретации ЭКГ и постановки предварительного диагноза;

• Возможность создания кардиологической базы данных;

• Наличие канала пульсоксиметрии (дополнительно – «ОПЦИОН»).

7. Требования об отсутствии отрицательного побочного эффекта от применения ЭКГ - прибора

Основным требованием является выполнение требований по электробезопасности в соответствии с ГОСТ и стандартами МЭК по медицинской технике [ ], в частности:

• ГОСТ Р 50326-92(МЭК-513-76) «Основные принципы безопасности электрического оборудования, применяемого в медицинской практике»;

• РД 50-717-92(МЭК-930-88) «Руководство по безопасности эксплуатации изделий в лечебных учреждениях»;

• ГОСТ Р 50267,0-92(МЭК-601.1-88). Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности.

2. Формулировка технических требований к разрабатываемому ЭКГ-прибору.

При разработке технического задания на проектирование электрокардиографа разработчик, прежде всего, должен сформулировать требования по составу изделия, а именно:

• Количество и виды электродов и датчиков, предназначенных для совместной работы с ЭКГ-прибором;

• Наличие и тип встраиваемого в ЭКГ–прибор регистратора (самописец, термопринтер и др.);

• Наличие отдельного (или встроенного) блока питания;

• Наличие (при необходимости) встроенного измерительного прибора, например, измерителя частоты пульса, частоты дыхания, температуры.

Наиболее информативной для разработчика является группа показателей функционирования (назначения). Приведем некоторые из наиболее важных показателей:

1. Количество и типы регистрируемых кардиоотведений;

2. Скорость движения бумаги при регистрации (с указанием погрешности поддержания стабильных скоростей);

3. Чувствительность регистрации ЭКГ-сигнала (указанием погрешности);

4. Тип регистратора с указанием разрешения (в точках/мм для термопринтеров) и ресурса принтера в метрах бумажного носителя;

5. Тип и размеры бумаги, а также обжую длину в рулоне (в метрах);

6. Режимы регистрации, например, 1,3 или 6 каналов по 12 отведениям в ручном или автоматическом режиме, 12 каналов синхронной регистрации с персональным компьютером;

7. Данные, выводимые на печать, например:

   • Дата, время и личный код пациента, присваиваемый автоматически;

   • Результат анализов ЭКГ: временные интервалы, амплитуды, электрические оси, усредненные комплексы, кривая ритма;

   • Предварительный диагноз (интерпретация).

8. ЭКГ усилитель, например:

• Количество синхронных каналов (обычно 12);

• Частотный диапазон ЭКГ- сигналов;

• Коэффициент ослабления синфазного сигнала;

• Входной импеданс (полное сопротивление);

• Диапазон входного сигнала.

9. Фильтры, например эффективность подавления помех:

• Сетевым фильтром;

• Антитреморным фильтром;

• Возможность раздельного включения фильтров.

10. Контроль работы усилителя и качества наложения электродов.

11. Сигналы «вход – выход», например:

• Аналоговый вход/ аналоговый выход;

• Аналоговый вход/ цифровой выход;

• Аналоговый вход/ стандартный интерфейсный выход на персональный компьютер;

• Аналоговый вход/ дистанционная передача данных.

12. Устройство отображения информации:

• На основе электронно-лучевой трубки;

• ЖК-дисплей (графический с размерами длинаширина).

13. Органы управления функциями, тип клавиатуры (кнопочная, пленочная и др.):

• По системе «одна кнопка – одна функция»;

• По системе «одна кнопка – несколько функций»;

• По системе несколько меню на дисплее;

• По системе выбора функции на дисплее с помощью курсора (указателя);

• С помощью вращающейся ручки – переключателя (манипулятора).

14. Данные, выводимые на дисплей:

    • 1 (2 или3) канала ЭКГ в реальном времени;

    • режим работы ЭКГ – прибора;

    • частота сердечных сокращений.

15. Класс и тип защиты в соответствии со стандартами, например, класс защиты I, тип защиты CF.

16. Защита от дефибриляции.

17. Память ЭКГ – прибора, например, внутренняя память записи ЭКГ нескольких (10 – 15) пациентов, архивация данных кардиоисследований.

Весьма важной характеристикой ЭКГ – прибора является характеристика энергопитания. По этому показателю ЭКГ – приборы могут быть реализованы по схемам:

• С сетевым питанием 220В, 50/60 Гц;

• С автономным (аккумуляторным) питанием (тип аккумулятора, его емкость);

• Комбинированное питание;

• Время работы аккумулятора в различных режимах (мониторинга ЭКГ и печати).

При включение в требования МТО показателей сопряжения ЭКГ прибора должны быть указаны:

• Вид интерфейса сопряжения с персональным компьютером (RS-232С или USB и др.);

• Максимальное расстояние между подключаемой к ЭКГ – прибору аппаратуры;

• Вид и назначение дистанционной связи с каналами дистанционного управления или (и) дистанционной передачи данных (кабельная электрическая, оптоволоконная, оптическая, связь радиоканалы).

В перечень сервисных показателей включаются следующие:

• Автоматическая или ручная калибровка ЭКГ – прибора путем подачи образцового тестового сигнала;

• Введение в состав структуры ЭКГ – прибора сигнализации о превышении (снижении) частоты ЭКГ нормального уровня;

• Сигнализация о снижении питающего напряжения аккумулятора ниже определенного уровня и необходимости его подзарядки;

• Введение в структуру электронных часов и календаря.

В состав требований по условиям эксплуатации должны быть указаны:

• Требования к окружающей среде – рабочая температура, температура хранения;

• Требования по механической прочности и виброустойчивости;

• Требования по габаритам и массе прибора.

В таблице приведены основные технические требования, регламентируемые ГОСТ 20790 – 82 и ГОСТ 19687 – 89.

Основные параметры электрокардиографов в соответствии с требованиями ГОСТ 19687 – 89

Таблица 1

При разработке МТО проектируемого электрокардиографа, в перечень требований должны быть включены не только обязательные согласно табл. 1, но и ряд других требований, приведенных выше.

Для конкретизации этих требований приведем технические характеристики двух типов электрокардиографов.

Сравнительные технические характеристики электрокардиографов отечественного и зарубежного производства.

Таблица 2

2. Пример формулирования технических требований к электрокардиографу на стадии проектирования

1. Назначение. Электрокардиограф предназначен для измерения и графической регистрации биоэлектрических потенциалов сердца в медицинских учреждениях и в условиях «скорой помощи».

Электрокардиограф может быть использован для регистрации ЭКГ и ее анализа с помощью ПК.

ЭКГ должен быть переносным — группа 2 по ГОСТ 20790-82.

ЭКГ должен изготавливаться в двух модификациях:

• С комбинированным питанием – питание от сети 220В, частотой 50 или 60Гц или от входящего в комплект аккумуляторного блока питания;

• С сетевым питанием – питание от сети переменного тока 220В, частотой 50 или 60Гц.

2. Технические требования. Электрокардиограф должен обеспечивать регистрацию по одному каналу сигналов отведений: I, II, III, aVR, aVL, aVF и V.

Чувствительность – 5, 10, 20 мм/мВ.

Диапазон регистрируемых сигналов – от 0,03 до 5мВ.

Относительная погрешность измерения напряжения в диапазонах:

от 0,1 до 0,5мВ – не более ±15%;

от 0,5 до 5мВ – не более ±10%.

Входной импеданс – не менее 5МОм.

Остальные технические характеристики должны соответствовать требованиям ГОСТ 16687-89.

4. Медицинские требования.

1. Функциональные задачи:

• Проектируемый ЭКГ должен быть малогабаритным переносным прибором, обеспечивающим регистрацию 12 стандартных кардио отведений;

• Прибор должен эксплуатироваться в клинических условиях и машинах «скорой помощи» совместно с дефибриллятором;

• Для кардиоисследований в условиях стационара ЭКГ-прибор должен иметь стандартное интерфейсное сопряжение с ПК;

• Требование об отсутствии медицинских последствий нарушения функционирования изделия во время его применения должны регламентироваться стандартами Р50.267.0.295(МЭК 601.-1-2-93).

2. Медико-биологический эффект (явление), на котором основан принцип действия прибора.

Принцип действия ЭКГ-прибора основан на съеме, преобразовании и регистрации биопотенциалов на теле человека, возникающих при работе сердца. Электрические явления в сердце объясняет мембранная теория возникновения биопотенциалов [ ].

Согласно этой теории клетка является элементарной электрохимической ячейкой и в невозбужденном состоянии имеет в норме трансмембранный потенциал покоя равный -60…-100мВ. Значения потенциалов покоя клеток различных органов отличаются друг от друга. Например, потенциал покоя типичной клетки сократительной системы сердца равен примерно -75мВ, а потенциал покоя клеток желудка или предсердия – приблизительно -90мВ.

При возбуждении клетки (электрическим током или внешней энергией в какой – либо другой форме) мембрана редко изменяет свою проницаемость (для ионов натрия) и это приводит к быстрому изменению трансмембранного потенциала: от -90 до +30мВ – потенциал действия. Эта фаза процесса называется деполяризацией. По истечению некоторого времени после прекращения импульса возбуждения наступает фаза реполяризации, сначала медленной, затем быстрой, во время которой клетка снова приобретает потенциал покоя. Все эти процессы распространяются (переходят от клетки к клетке) в клетках миокарда предсердий и желудочка.

Работающее сердце представляет собой биоэлектрический генератор импульсов, работающий автоматически под влиянием центральной и вегетативной нервной системе благодаря ряду функций, которыми обладают его клетки:

• Автоматизма;

• Проводимости;

• Возбудимости;

• Рефракторности;

• Сократимости.

Функция сократимости – это способность сердечной мышцы сокращаться в ответ на возбуждение. Этой функцией обладает в основном сократительный миокард, осуществляющий насосную функцию сердца.

Процесс распространения волны возбуждения по сердцу находит отражение в форме электрокардиограммы (ЭКГ) – сигнала, который регистрируется при отведении биопотенциалов с поверхности тела. ЭКГ представляет собой запись с помощью накладных электродов биопотенциалов (разностей биопотенциалов), возникающих на поверхности тела, при распространении волны возбуждения по сердцу. Поскольку электроды располагаются на поверхности тела на значительном расстоянии от клеток миокарда то амплитудные и временные параметры ЭКГ отражают автоматическую смену периодов деполяризации и реполяризации совокупности клеток, включая как клетки миокарда, так и клетки других органов.

На рисунке 5 приведен один цикл нормальной ЭКГ с принятыми обозначениями элементов сигнала и фаз электрических процессов в сердце.

Рис. 5 Интервалы и сегменты ЭКГ, и рефрактерные периоды

Деполяризация предсердий регистрируется на ЭКГ в виде зубца Р, а деполяризация желудочков – в виде комплекса QRS, состоящего из зубцов Q, R, S. В период полного охвата возбуждением желудочков разность потенциалов отсутствует и на ЭКГ регистрируется изоэлектрическая линия – сегмент ST.

Процесс быстрой реполяризации желудочков соответствует на ЭКГ зубцу Т. возбудимость сердечной клетки изменяется в отдельные периоды сердечного цикла. В течение абсолютного рефракторного периода (АРП) сердце не может вторично сокращаться независимо от силы входного импульса возбуждения. В относительном рефрактерном периоде (ОРП) сердце способно активироваться при раздражении более сильном, чем обычное. На участке ОРП существует короткий период наибольшей уязвимости, когда даже при слабом раздражении возможно сокращение сердца. Иногда это может привести к опасным для жизни нарушениям ритма.

Форма, амплитуда и длительность интервалов и сегментов сигналов зависят от многих факторов: места расположения электродов, положения сердца, возраст, функциональных изменений и органических поражений сердца. Диапазон значений для типичных параметров элементов ЭКГ в норме приведены в таблице 3.

Параметры элементов ЭКГ

Таблица 3

Наибольшее распространение при регистрации ЭКГ получили 12 способ отведения, основанных на концепции треугольника Эйнтховена. Если обозначить потенциалы в вершинах треугольника через ₁, ₂, _3, то легко убедиться, что для треугольника Эйнтховена выполняется условие:

₁ + ₂ + ₃ =0

Р

Рис. 6 Система отведе-ний электрокардиосиг-нала по Эйнтховену

1. три классических двухполюсных отведений – I, II, III;

2. три усиленных однополюсных отведений по Гольдбергеру: aVR, aVL, aVF;

3. шесть униполярных грудных отведений по Вильсону V₁÷V_6.

2. Анализ современного состояния разработки и производства электрокардиографов.

Современное состояние приборного оснащения электрокардиографических исследований характеризуется интенсивным развитием как схемотехники, ЭКГ-приборов использованием при проектировании новой элементной базы, микропроцессорных и микрокомпьютерных средств и др., так и значительного усложнения их структуры для получения нового диагностического ???.

Это объясняется тем, что болезни сердца и сосудов значительно превышают другие заболевания по количеству случаев со смертельными исходами. В частности по имеющимся данным в России количество больных умерших в 1993г. Превысило 1,1 млн. человек, что примерно в 3,5 раза больше умерших от онкологических заболеваний. В последующие годы наблюдалось увеличение числа случаев смерти из-за болезни сердца и сосудов на 10-15% в год [ ].

В зарубежной практике развитию средств электрокардиографии уделяется большое внимание. Оно осуществляется рядом фирм мирового уровня, в том числе: «Siemens», «Hellige», «Bioset» (Германия), «Hewlett Packard», «Schiller» (Швейцария), «Fucuola Densi», «Nihon Kohden» (Япония), «Biomedica» (Италия) и др.

Новые модели электрокардиографов обладают значительно более высокими функциональными возможностями и параметрами [ ]:

• Увеличение объемов выдачи диагностической информации при малых массах и габаритах приборов и возможности длительной работы от автономного источника питания;

• Усовершенствование существующих регистрирующих средств и применение современных устройств визуального контроля ЭКГ (графических дисплеев);

• Повышение уровня оснащения приборов компактными средствами вычислительной техники для повышения скорости и полноты обработки электрокардиограмм и организации архива, данных большого объема;

• Повышение уровня автоматизации процессов диагностики с применением современных медицинских методик и алгоритмов обработки информации;

• Использование возможности комплексирования данных электрокардиографии с результатами других методов диагностики, таких как измерение артериального давления, параметров дыхания, реография, фонокардиография и др.

В качестве примера электрокардиографа с расширенными функциональными возможностями может служить электрокардиограф «Мегакарт В» фирмы «Siemens», в котором имеются: расширенная система отведений, в том числе по Франку, большой объем памяти – до 1 Гбайта, программа устранения влияния дрейфа линии регистрации, предусмотрена возможность проводить синдромальную диагностику, в том числе анализ аритмии, фонокардиографию.

Из числа электрокардиографов отечественного производства можно выделить следующие:

• 1-канальный электрокардиограф ЭК1ТЦ-02, имеющий современные функциональные возможности и малую стоимость;

• 3-канальный цифровой электрокардиограф ЭКЗЭ-12-01 «Геолинк», позволяющий вводить 12 стандартных отведений, осуществлять компьютерную интерпретацию ЭКГ и обработку ЭКГ при велоэргометрии;

• 6-канальный электрокардиограф «Personal-120», предназначенный для измерения и регистрации ЭКГ одновременно по 6 каналам при вводе сигналов по 12 отведениям и позволяющий автоматически измерять параметры ЭКГ-сигнала и диагностировать заболевание;

• комплекс электрокардиографов семейства «KARDI»: компьютерный «KARDI», стационарный «KARDI-Deck» и портативный «KARDI-Note», с цифровой обработкой сигналов, автоматическим анализом и мониторингом ЭКГ;

• 3/6-канальный электрокардиограф ЭКЗТ-01 «БИОС» с анализом и интерпретацией кардиограммы, имеющей встроенный интерфейс RS-232 для подключения к ПК;

• комплекс электрокардиографов семейства «Heart», в частности, «Heart Mirror 80G», имеющий 12 каналов синхронного ввода ЭКГ, с отображением 1 канала на ЖК-дисплее, с встроенным 3-канальным термопринтером с встроенным интерфейсом RS-232 для подключения к ПК и программой анализа, постановки диагноза и анализа ритма.

В настоящее время в стране выпускается около 30 типов ЭКГ-приборов с различными функциональными возможностями. В последние годы расширились работы в области выпуска кардиоанализаторов и кардиокомплексов. Создано и изготавливается более 10 типов изделий в том числе:

• кардиокомплекс «Кардис -???», отображающий динамику изменения кардиосигналов при различной физической нагрузке на пациента, создаваемой велоэргометром и выдает обобщающее заключение;

• «Кардиокомплекс-05», осуществляющий, кроме контроля состояния, также восстановление нарушенного ритма сердца;

• кардиокомплексы семейства «Polysistem», предназначенный для полного исследования сердца, включая снятие ЭКГ по 12 отведениям, снятие фонокардиограмм, сфигмограмм, показателей дыхания, анализ желудочковых потенциалов и вариабельности RR-интервалов и др.;

• кардиокомплекс «КАД-03» с модульным построением и широкими функциональными возможностями, в том числе основной модуль, позволяющий осуществить ЭКГ в 12 стандартных отведениях и 3 отведениях по Нэбу с синдромальной диагностикой, модуль кардиоинтервалометрии с возможностями длительной (до суток) регистрации RR-интервалов, модуль для поверхностного картирования «Предикат», использующий до 90 отведений с передней и задней поверхности грудной клетки, модуль «Велоэргометрия» для проведения нагрузочных проб, аппаратно-прграммный комплекс для съема ЭКГ со средствами для беспроводной и телепередачи информации «ТКАРД»

Из кардиокомплексов суточного мониторирования разработаны и выпускаются ряд моделей:

• комплекс «Holtersystem-2f» с записью электрокардиограммы по 3 каналам на магнитную ленту, с проведением стандартных и специальных анализов;

• комплекс MTCG-1 с 3 режимами регистрации и разными видами передачи данных по телефону;

• комплекс «Кардиотехника 400АД», с помощью которого осуществляется суточная запись данных по 3 отведениям ЭКГ, анализ аритмии, ишемических изменений, артериального давления, частоты пульса, а так же формируется диагноз.

Подробное освещение вопроса о состоянии производства электрокардиографов в стране приведено в [ ].

2. Разработка и обоснование структурной схемы электрокардиографа.

Определение основных технических требований.

При разработке структурной схемы любого технического средства – прибора, аппарата, информационно-измерительной системы, следует исходить из его назначения – целевых функций. Четкое определение таких функций позволяет получить представление о том, какие преобразования, в каком объеме, и в какой последовательности необходимо выполнить в данном техническом средстве, чтобы удовлетворить заданным целевым функциям с требуемым качеством.

Объективными показателями качества могут быть, например, надежность и точность регистрации ЭКГ.

Целевыми функциями для ЭКГ-приборов в зависимости от их функционального назначения могут быть:

1. Регистрация и/или отображение с требуемой точностью ЭКГ по заданному количеству отведений;

2. Измерение и регистрация амплитудных и временных параметров ЭКГ;

3. Измерение, регистрация, анализ ЭКГ и постановка предварительного диагноза.

Эти функции можно выразить в словесной форме или записать в виде условной схемы параллельно-последовательных преобразований информации [ ].

Определение целевой функции осуществляется путем анализа исходных требований, в частности данных о назначении и условиях эксплуатации электрокардиографа. Если обратиться к исходным требованиям, то в результате анализа можно сделать заключение о том, что проектируемый прибор должен быть регистрирующим (п.1), переносным, с автономным питанием, с возможностью совместной работы с дефибриллятором.

При дальнейшем анализе определяется и уточняется перечень решаемых задач и функций в соответствии с заранее определенным показателем качества.

Повышение надежности и точности регистрации может быть достигнуто с помощью оптимального сочетания структурных и параметрических способов. В качестве структурных способов можно использовать следующие:

1. применение для упрощения реализации одноканальной схемы регистрации ЭКГ по 12 отведениям с последовательным преобразованием ЭКГ-отведений;

2. введение в структуру прибора схемы защиты прибора и пациента от импульсов дефибриллятора, а так же выполнение структуры прибора с входным устройством по схеме с «плавающей землей»;

3. введение в функции прибора выявление и определение момента появления QRS-комплекса со звуковой и световой сигнализацией, а также выдача QRS-сигнала на выход;

4. введение в структуру специальных фильтров для эффективного подавления сетевой помехи и помехи мышечных сокращений;

5. введение в структуру прибора блоков, выполняющих функции:

– контроля работы усилителя и качества наложения электродов;

– упреждающий контроль (со световой и звуковой сигнализацией) снижения уровня питания от аккумулятора ниже определенного уровня.

6. введение в структуру прибора адаптера для подключения к ПК по интерфейсу RS-232.

Заметим, что функции 5, 6 могут реализоваться ЭКГ-прибором дополнительно, в качестве опции.

В качестве параметрических способов достижения требуемого качества регистрации ЭКГ можно применить следующие:

1. эффективное подавление сетевых помех и помех мышечных сокращений;

2. более высокие значения (до 120÷140дб) коэффициента подавления синфазных сигналов;

3. снижение уровня собственных шумов усилителя биосигналов – менее 20мкВ.

На основе анализа исходных данных и определения перечня функций разработчик должен далее сформулировать основные технические требования, на основе которых будет разработана структурная схема ЭКГ-прибора.

Основные технические требования.

1. количество каналов регистрации – 1;

2. регистрируемые отведения – I, II, III, aVR, aVL, aVF, V₁÷V₆;

3. чувствительность – 5, 10, 20 мм/мВ;

4. относительная погрешность измерения напряжения в диапазоне 0,1÷5мВ – не более ±10%;

5. относительная погрешность измерения интервалов времени в диапазоне 0,1÷1,0 с – не более ±10%;

6. скорость движения носителя записи – 25 и 50 мм/с;

7. относительная погрешность скорости движения носителя – не более ±5%;

8. входной импеданс – не менее 5 МОм;

9. коэффициент ослабления синфазных помех – не менее 100дб;

10. уровень внутренних шумов, приведенных к входу – не более 15мкВ;

11. мощность, потребляемая от аккумуляторного блока, не более 10Вт.

Выбор и обоснование структурной схемы электрокардиографа.

При выборе структуры построения электрокардиографа разработчик должен удовлетворить двум в известной степени противоречивым требованиям, а именно:

• максимальная простота реализации при использовании ЭКГ-прибора в машине «скорой помощи»;

• достаточно широкие функциональные возможности при использовании ЭКГ-прибора в стационаре.

Первое требование объясняется тем, что для условий машин «скорой помощи» необходима малогабаритная ЭКГ-аппаратура, работающая совместно с дефибриллятором в режиме индикации электрокардиосигнала, в частности наличия QRS-комплекса в ЭКГ. С другой стороны «более высокими потребительскими свойствами» будет обладать ЭКГ-прибор с расширенными функциональными возможностями, например с автоматическим измерением амплитудных и временных интервалов, с анализом RR-интервалов, с постановкой диагноза. Реализовать эти функции можно с помощью встроенных микрокомпьютерных средств. Однако это значительно увеличит стоимость электрокардиографа. Поэтому рациональным следует принятие в качестве критерия выбора структуры оптимальное соотношение «цена-качество» и максимальные функциональные возможности.

Рекомендуемая структурная схема электрокардиографа, удовлетворяющая этим критериям, приведена на рисунке 7.

Режимы работы электрокардиографа определяет блок управления с помощью псевдосенсорных кнопок, светодиодных индикаторов режимов и цифровой схемы управления исполнительными элементами.

Биоэлектрические сигналы, снимаемые ЭКГ-электродами с тела пациента через кабель отведений с элементами защиты (балластные резисторы) от воздействия импульсов дефибриллятора поступают на вход многоканального усилителя биопотенциалов (УБП). В УБП осуществляется усиление кардиосигналов и формирование кардиографических отведений (КГП). В УБП происходит так же формирование амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), подавление синфазных сигналов, сетевых помех и помех мышечных сокращений, а также калибровочного сигнала 1 мВ. С выхода УБП биоэлектрические сигналы поступают на вход усилителя регистратора (УР). В УР происходит дальнейшее усиление кардиосигналов и согласование с регистрирующим элементом – поляризованный электромагнитный преобразователь ПЭП (гальванометром) с укрепленным на его оси тепловым пишущим пером. ПЭП осуществляет преобразование значения кардиосигнала, поданного на его вход от УР, в угол поворота α вала ротора. В УР происходит так же ограничение кардиосигнала по величине и скорости для исключения биения теплового пера по механическим упорам, уменьшения величины выброса, формирование необходимой частотной характеристики и чувствительности такта, а также ускоренное успокоение переходных процессов (при нажатии на отдельную кнопку успокоения или автоматически при переключении отведений).

На оси ротора ПЭП, кроме теплового пера, установлен емкостный датчик угла поворота α ротора, который с помощью электронного преобразователя (фазочувствительного элемента), осуществляет преобразование угла поворота α в постоянное напряжение на выходе датчика положения. Датчик положения применен для охвата части УР и ПЭП отрицательной обратной связью (ООС) по положению (углу поворота) ротора ПЭП, позволяющей свести к минимуму сигнал ошибки (разность между кардиосигналом и сигналом датчика положения), обеспечить минимальное значение гистерезиса записи.

Лентопротяжный механизм (ЛПМ) приводится в движение коллекторным электродвигателем постоянного тока через редуктор. Двигатель управляется импульсным стабилизатором скорости (ИСС). Скорость вращения вала электродвигателя определяется частотой импульсов задающего генератора ИСС. Измерение скорости вращения вала электродвигателя осуществляется с помощью оптоэлектронного датчика скорости, расположенного на валу электродвигателя. Стабильность скорости вращения обеспечивается путем охвата двигателя и ИСС ООС по скорости двигателя. Это достигается путем автоматического регулирования длительности импульсов управления электродвигателем, определенной сдвигом во времени между импульсами задающего генератора и оптоэлектронного датчика скорости.

Блок питания электрокардиографа должен обеспечить в обычном и автоматическом режимах питание следующих узлов и устройств:

• источника накала теплового пера записи сигнала;

• стабилизатора скорости ЛПМ;

• светодиодных индикаторов блока управления;

• усилителей блока управления и датчиков скорости и положения.

2. Разработка и обоснование функциональной схемы электрокардиографа.

При разработке функциональной схемы электрокардиографа неизбежно встает вопрос о способах аппаратной или программной реализации той совокупности функций, которая должна быть выполнена прибором. Разработка функциональной схемы электрокардиографа начинается с анализа его входной части, в которую, как правило, включаются электроды и усилители. При этом должен быть решен вопрос о количестве каналов синхронного ввода биопотенциалов. Учитывая требование универсальности использования (в машине «скорой помощи» и стационаре), целесообразным является синхронный ввод информации с 10 кардиоэлектродов и организация 12 кардиоотведений. При этом в режиме автономного использования следует предусмотреть последовательный ввод на регистрацию по одному каналу всех 12 отведений с помощью коммутационного преобразования. В режиме стационарного использования необходимо предусмотреть синхронный ввод всех 12 отведений на адаптер интерфейсной связи с ПК.

Учитывая, что многоканальные адаптеры содержат в своем составе аналого-цифровые преобразователи (АЦП), и, как правило, являются стандартным (выпускаемым серийно) устройством, целесообразно входное устройство выполнять в виде аналогового устройства по схеме с «плавающей землей», с гальваническими развязками и подавлением помех (рисунок 8).

Рассмотрим функциональные схемы отдельных блоков электрокардиографа.

4.2.7.1 Выбор и обоснование электродов для съема биопотенциалов сердца

Задача качественного съема электрокардиосигнала (ЭКС) при длительном контроле решается по нескольким направлениям []

• П оиск материалов для электродов с ма-лой разностью потенциалов системы «эле-ктрод – проводящая часть – электрод»;

• Разработка составов проводящих паст, уменьшающих электродные потенциалы и сохраняющих свои свойства длительное время;

• Совершенствование конструкции элек-тродов и методов их крепления на теле больного.

Наибольшее распространение в медицинской практике получили хлорсеребряные электроды, состоящие из серебра и хлорида серебра (Ag – AgCl). В качестве электролита в проводящей пасте используют ионы хлорида, чаще – натрия и калия.

При выборе электродов по времени эксплуатации (одноразового и многоразового использования) следует учесть, что многоразовые ЭКГ-электроды позволяют более оперативно осуществлять съем биосигналов, что увеличивает пропускную способность при кардиоисследованиях. Возможность многократного использования электродов также уменьшает стоимость ЭКГ-прибора.

Учитывая эти обстоятельства, можно рекомендовать для съема биопотенциалов конечностей прижимные электрокардиографические электроды типа ЭКГЭП-01 с креплением резиновой лентой. Для съема биопотенциалов с околосердечной поверхности тела целесообразно использование вакуумных (присасывающихсы) электродов типа ЭКГЭВ-01. ниже приведены основные технические характеристики этих электродов.

Рис. 10 Электроды ЭКГЭП-01 (а) и ЭКГЭВ-01 (б)

1-корпус; 2-чаша; 3-токосъемник; 4-штырь с отверстием (токоотвод); 5-гнездо токоотвода; 6-баллон (груша).

Электроды имеют унифицированный токосъемник 3, выполненный из керамики с воженным слоем серебра и хлористого серебра. Диаметр токосъемной поверхности составляет 12,1 мм. Токосъемная поверхность электрически соединена с токоотводом. Гнездо токоотвода предназначено для соединения электрода с кабелем отведения электрокардиографа.

Электрод ЭКГЭВ-01 состоит из чашки 2, баллона (груши) 6 и гнезда 5 токоотвода. Токосъемник 3 расположен в чашке 2 электрода. Этот тип электрода рекомендуется использовать для съема электрокардиопотенциалов с груди взрослого пациента.

Электрод ЭКГЭП-01 состоит из корпуса 1, имеющего штырь 4 с отверстием, который является токоотводом. Токосъемник 3 расположен в корпусе 1, который крепится на коже пациента резиновыми лентами с отверстиями. Штырь 4 вставляется в отверстие ленты. Данный тип электрода рекомендуется использовать для съема электрокардиопотенциалов с конечностей.

При установке электродов поверхности кожи и поверхности токосъемников необходимо смазать электродным контактным веществом, например электродной пастой ПЭ-2 по ТУ 64-7-629-85 или водным раствором хлористого калия или хлористого натрия с концентрацией хлоридов в растворе 0,8÷2%.

Проверка технического состояния электродов осуществляется по следующим характеристикам:

1. сопротивление между токосъемной поверхностью и токоотводом не должно превышать 10 Ом

2. разность электродных потенциалов измеряется милливольтметром, имеющим входное сопротивление не менее 500КОм. Электроды приводятся в соприкосновение друг с другом токосъемными поверхностями, разделенными несколькими слоями марли, пропитанными электродным контактным веществом. Напряжение между электродами не должно превышать 100 мВ

3. смещение изоэлектрической линии ЭКГ на электрокардиографе, вызываемое нестабильностью электродных потенциалов электродов, осуществляется при нижней граничной частоте электрокардиографа 0,05 Гц при минимальной скорости протяжки 20 мм/мВ. Смещение изоэлектрической линии, измеренное через 10 мин после вхождения токосъемных поверхностей электродов в контакт, должна быть не более 5 мм

Разработка принципиальной электрической схемы входного аналогового устройства электрокардиографа.

При разработке входного аналогового устройства (ВАУ) необходимо определить, исходя из анализа требований, основные и дополнительные параметры, которым должно удовлетворять проектируемое устройство.

К таким параметрам относятся:

1. частотный диапазон регистрируемых кардиосигналов f_н и f_в:

– 0,5÷80 Гц – для регистрации на бумажном носителе

– 0,5÷800 Гц – для вывода сигналов во внешние цепи (на ПК)

2. максимальная амплитуда выходных кардиосигналов U_вых.max:

–не менее ±2В для регистрации с помощью самописца

– не менее ±5В для вывода во внешние цепи

3. общий коэффициент усиления ВАУ кардиографа К_ВАУ

Коэффициент усиления К_ВАУ рассчитывается по формуле

К_ВАУ = U_вых.max/U_вх.max, где

U_вх.max – максимальное значение входного кардиосигнала

Для U_вх.max = 5мВ коэффициент К_ВАУ равен

– для цепи регистрации К_ВАУ = 2/5*10^-3 = 400

– для цепи связи с ПК К_ВАУ = 5/5*10^-3 = 1000

4. Выбираем коэффициенты усиления отдельных звеньев канала усиления, исходя из соотношения

При этом желательно распределить значения коэффициентов усиления равномерно по звеньям:

1. для цепи регистрации

б) для цепи канала связи с ЭВМ выбираются те же коэффициенты усиления всех звеньев, за исключением . Значения для этой цепи увеличиваются в 2,5 раза т. е.

Произведение выбранных значений коэффициентов усиления не должно менее рассчитанных выше значений общего коэффициента усиления .

Расчет входной цепи усилителя биопотенциалов

Основными блоками любого усилительного канала ЭКГ-прибора является пассивная резистивная цепь, буферные (электродные) усилители и дифференциальные каскады.

Эквивалентная схема входной цепи дифференциальной измерительной схемы.

Входную цепь усилителя биопотенциалов можно представить в виде эквивалентной схемы [].

На эквивалентной схеме:

U^, U- источник биопотенциалов (датчики-электроды).

R_c, R_с-сопротивление, равное сумме отдельных сопротивлений: сопротивление биотканей, электродов и покоя.

Сопротивления R_c, R_с под воздействием ряда факторов (изменение крови наполнения, сопротивление системы «кожа-электрод» и др.) может существенно меняться в процессе исследований и лежит, как правило, в пределах 10³ - 10⁶ Ом.

Основным дезинформативным параметром, снижающим точность регистрации, является разновременные изменения R_c, R_с. Разность сопротивлений  R_c= R_c - R_с может достигать десятков и сотен килоом, что обуславливает довольно жесткие требования ко входной цепи усилителя.

Изменение сопротивления R_c на величину R_c вызывает изменение входного напряжения среднего уровня U^_{вх у} на величину U^_{вх у} . Это изменение снижает помехоустойчивость усилителя относительно синфазных сигналов.

Основные параметры ДИС.

С целью определения необходимых параметров, например z, z, необходимо определить основные характеристики дифференциальной измерительной схемы ДИС (четырехполюсника).

Для дифференциальной измерительной схемы (например, дифференциального усилителя) следует различать:

• сигнал среднего уровня (будем обозначать его индексом «у»)

• Разностный сигнал (будем обозначать его «р»)

Сигнал среднего уровня – синфазный сигнал в электрокардиографии является помехой (источником, который являются наводки от питающей сети), которая по величине во много раз может превышать ??? разностный (дифференциальный) сигнал. Поэтому в качестве меры подавления (ослабления) синфазного сигнала применяют дифференциальный способ построения входной измерительной схемы.

В общем случае на входы 1,2 ДИС подаются сигналы U^_вх, U_вх, которые содержат составляющие среднего уровня U_{вх у} (синфазную составляющую) и разностную составляющую U_{вх р}

При этом

Аналогично определяется составляющая выходного сигнала

При ассиметрии входных цепей (1,2) ДИС сигнал U_{вых у} может быть вызван сигналом среднего уровня U_{вх у}, так входным разностным сигналом U_{вх р}. В первом случае обозначим его через U_вых.у.у, во втором - U_{вых.у.р.}

Аналогично, выходной разностный сигнал U_вых.р вызванный входным разностным сигналом обозначим U_вых.р.р, а вызванный входным сигналом среднего уровня - U_вых.р.у.

Подавление синфазных помех дифференциальной схемой определяется отличием коэффициента передачи разностного и синфазного сигналов. Для дифференциальных схем различают четыре вида коэффициента передачи (усиления):

– отношение разностного выходного сигнала U_вых.р к разностному входному сигналу;

– отношение выходного сигнала среднего уровня U_вых.у.р к разностному входному сигналу U_вх.р;

– отношение выходного сигнала среднего уровня U_вых.у.у к входному сигналу среднего уровня U_вх.у;

– отношение разностного выходного сигнала U_вых.р.у к входному сигналу среднего уровня U_вх.у.

Необходимость введения «перекрестных» коэффициентов К_у.р и К_р.у объясняется тем, что, с одной стороны, при чисто синфазном сигнале на входе чисто синфазный сигнал на выходе будет иметь только идеально симметричная ДИС, с другой стороны, полученный в результате несимметрии разностный сигнал помехи не подавляется, а усиливается так же , как и полезный разностный сигнал.

Для характеристики подавления синфазных помех ДИС удобно пользоваться коэффициентами режекции Н и дискриминации F, которые выражаются через коэффициенты К_р.у, К_у.у и К_р.р

Коэффициент режекции Н характеризует симметрию схемы к синфазному сигналу по отношению к усилению полезного разностного сигнала. При идеальной симметрии входов ДИС Н=. Коэффициент дискриминации

Добрать

Тема 5. Проектирование реографов.

Реография, или электроплетизмография, ­– один из самых распространенных методов исследования гемодинамики – движения крови в сосудах. Реографы предназначены для исследования кровообращения в различных органах и тканях человека или животных в клинических и экспериментальных условиях. Они позволяют получить ценную информацию: о величине кровотока в исследуемой области; провести качественную оценку динамических характеристик кровообращения в тканях; оценить сосудистый тонус и определить скорость распространения реографической волны. Одним из существенных преимуществ реографов является возможность реализации многоканального съема и обработки биомедицинской информации. Проведение одновременных реографических измерений в различных сосудистых областях позволяет изучать закономерности общей гемодинамики в условиях длительных исследований при возлействии различных функциональных и фармакологических тестов.

5.1. Внешнее проектирование.

В процессе внешнего проектирования разработчик должен конкретно сформулировать и обосновать:

– назначение проектируемого реографа;

– цель проектирования;

– исходные данные для проектирования с учетом назначения и условий эксплуатации.

Рассмотрим кратко эти вопросы на примере проектирования 4-х канального реографа.

Целью проектирования является модернизация существующего 4-х канального реографа типа Р4-02 в направлении повышения показателей качества:

1. более высокой информативности и повышения точности оценки реографических показателей (РП);

2. повышения степени и уровня автоматизации расчетов РП.

Указанные выше показатели функционального назначения можно обеспечить:

– включением в структуру разрабатываемого реографа, наряду с каналом электрокардиографии, дополнительного канала фонокардиографии;

– возможностью интерфейсного сопряжения всех каналов реографа с персональным компьютером.

Результатом первого этапа внешнего проектирования реографа является разработка медико-технических требований (медицинских и технических), а также требований по метрологическому обеспечению.

5.1.1. Формулировка медицинских требований к разрабатываемому реографу

В состав медицинских требований к проектируемому реографу включаются следующие:

1. Для расширения объема функциональных задач в лечебно-диагностическом процессе необходимо предусмотреть:

– режим регистрации и (или) отображения реограммы на дисплее персонального компьютера (вариант – специализированный микро ЭВМ)

– режим компьютерного анализа реограмм и автоматизированного расчета основных показателей (по известным методам);

– возможность (при разработке соответствующего программного обеспечения) получения компьютерного заключения при исследовании центральной гемодинамики методом тетрапорярной грудной реографии (по Кубичеку).

2. Требования по месту и условиям эксплуатации.

Проектируемый реограф предназначен для работы в стационарных условиях кабинетов (отделений) функциональной диагностики поликлиник, многопрофильных больниц, различных специолизированных лечебных учреждений в условиях экспериментальных лабораторий и диагностических центров.

3. Количество каналов ввода и регистрации реограмм, а также каналов ввода других показателей жизнедеятельности. Реограф должен обеспечить:

– регистрацию и анализ реограмм по 4-м каналам;

– регистрацию электрокардиограммы по 1-ому каналу;

– регистрацию фонокардиограммы (синхронно с реограммой и электрокардиограммой);

– одновременную аналоговую регистрацию реограммы (РГ) электрокардиограмму (ФКГ) с помощью многоканального регистратора;

– одновременную цифровую регистрацию РГ, ФКГ и ЭКГ с помощью компьютера.

– возможность автоматизированного расчета амплитудных и временных параметров РГ, а также ? (расчет) показателей гемодинамики;

4. Требования к средствам установки, контроля и регулирования режимов работы. К числу этих требований относятся:

– цифровая регистрация базового импеданса;

– возможность реализации как биполярного так и тетраполярного способа измерения реограммы;

– исключение необходимости в балансировке прибора;

– обеспечение возможности автоматической калибровке прибора

5. Требования к способам и средствам отображения и регистрации РГ. Прибор должен обеспечить:

– цифровое отображение значения базового импеданса;

– вывод аналоговой информации об изменении импеданса (реограммы) внешним регистратором электрокардиографа

– возможность интерфейсного сопряжения реографических каналов с персональным компьютером

6. Требования об отсутствии отрицательного побочного эффекта от принятия решения реографа.

Одним из основных требований является выполнение требований по электробезопасности в соответствии с ГОСТ и стандартами ИСО, МЭК по медицинской технике, а также оценка биологического действия реографа как медицинского изделия на здоровье пациентов.

5.1.2. Формулировка технических требований к проектируемому реографу.

Требования по составу изделия:

– реограф должен работать в комплекте с электрокардиографом и (или) с персональным компьютером для регистрации и обработки реограммы.

– реограф должен содержать 4 канала регистрации изменений импеданса;

– канал вычисления производная реограммы;

– канал усиления и регистрации кардиограммы (по одному отведению)

Основные технические требования

1. Коэффициент преобразования.

2. Диапазон измеряемого импеданса – от 10 до 250 Ом (200–700 Ом).

3. Предел допустимой погрешности измерения базового импеданса и его переменной составляющей – ±10%.

4. Граничные частоты каналов реограммы:

– верхняя – не менее 30 Гц,

– нижняя – не менее 0,3 Гц.

5. Величина зондирующего тока прямоугольной формы через биообъект – (1,6–2,0) мА.

6. Частоты зондирующих токов для различных реографических каналов

I канал – (40 ± 4) кГц

II канал – (50 ± 5) кГц

III канал – (70 ± 7) кГц

IV канал – (100 ± 10) кГц

7. Размах калибровочного сигнала – 0,1 Ом ± 5%.

8. Полоса пропускания частот усилителя кардиосигнала – (0,3–30) Гц.

9. Коэффициент подавления синфазного сигнала усилителя кардиосигнала – не менее 70 дБ.

10. Питание прибора – сеть переменного тока (220 ± 10%) В частотой 50 Гц.

11. Время установления рабочего режима прибора после включения – не более 5 мин.

12. Время непрерывной работы прибора – не менее 8 часов с последующим перерывом в течение 1 ч.

13. По электробезопасности прибор удовлетворяет требованиям II класса, тип защиты ?

14. Условия эксплуатации прибора:

– температура окружающей среды – от +10° до +35° С;

– относительная влажность ? (20 ± 5)° С – (60 ± 15)%

– атмосферное давление – (760 ± 30) мм рт. ст.

15. По ремонтопригодности конструкция прибора должна обеспечивать быструю разборку и сборку, а также легкий доступ к деталям и сборочным узлам.

При проектировании разработчик должен основательно изучить метод реографии, особенности реализации реографической аппаратуры, а также органные метедики реализации.

P.S. При дипломном проектировании студент обязан включить в раздел «Медико-техническое обоснование разработки» подробное изложение следующих вопросов:

1) сущность реографического метода исследования сердечно-сосудистой системы

2) техника и методика реографии

3) общие принципы анализа реограмм

4) принципы и техника грудной реографии по Кубичеку

См [ ]

1. Гуревич М.И., Соловьев А.И., Литовченко Л.П., Докоман Л.Б. Импедансная реоплетизмография. Киев: «Наукова думка», 1982.

2. Осколкова М.К., Красина Г.А. Реография в педиатрии. Москва: «Медицина», 1980.

3. Клиническая реография / Под ред. В.Г. Шершнева. Киев: «Здоровье», 1977.

4. Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реоплетизмографии. Москва: 1983

5. Реография. Импедансная плетизмография / Под ред. Г.И. Сидоренко. Минск: 1978

6. Старшов А.М., Смирнов И.В. Реография для профессионалов. Методы исследования сосудистой системы. Москва: «Познавательная книга пресс», 2003, 80 стр.

5.2. Внутреннее проектирование

5.2.1. Разработка и обоснование структурной схемы реографа

Структурная схема РГ-прибора состоит их 4-х каналов реограммы, одного канала, электрокардиограммы (усилителя кардиосигнала), блока сопряжения с ЭВМ и блока питания.

Рисунок – Структурная схема реографического канала

Рисунок

Структурная схема канала реографии состоит из датчиков-электродов 2, которые в режиме рабочего измерения с помощью переключателя 4, могут быть подключены или к пациенту 1 или (при работе в режиме калибровки) к калибровочному устройству.

Рабочий режим может быть реализован или по схеме биполярной либо по схеме тетраполярной реографии.

Рисунок – Биполярная (а) и тетраполярная (б) схемы реографии

Часть падения напряжения, создаваемого при прохождении зондирующего тока высокой частоты через пациента, с помощью электродов ? входное усилительное устройство 5. Выходной сигнал с этого устройства подается на вход синхронного демодулятора 6. Сигнал после демодуляции на подканал измерения реограммы ΔZ, подканал измерения базового импеданса Z и подканал формирования производной реограммы. Подканал измерения базового импеданса состоит из усилителя постоянного тока 7 и цифро-аналогового устройства 8.

Рисунок

Объем кровенаполнения v+Δv увеличивается при каждом сокращении сердца. При этом импедансе, ему соответствующий z+Δz, периодически подает при каждом сокращении сердца. Поэтому характеристика реограммы имеет инверсный (неинверсный) вид по сравнению с характеристикой кровенаполнения v+Δv=f(t).

Поэтому при использовании реографов нужно четко определиться какую характеристику выдает прибор на свои выходы. Подканал реографии включает в себя: усилители низких частот 9 и 11, фильтр низких частот 10, схему автоматического успокоения 12 и дифференциатор 13.

Подканал дифференцирования реограммы представляет собой активное дифференцирующее звено 13 для вычисления производной реографического сигнала d(ΔR)/dt. Этот сигнал используется для вычисления амплитудных и фазовых характеристик реосигнала при расшифровке РГ, а также для вычисления скорости сосудистого кровотока.

,

При ,

,

.

Рисунок – Характеристики кровенаполнения

и реограммы: а – реограмма кровенаполнения,

б – дифференциальная реограмма, в – общая

реограмма z=f(t).

v – общий объем кровенаполнения, Δv – изменение кровенаполнения, z – базовый импеданс, Δz – реографический сигнал (ΔU ≡ Δz). Так как измерение ведется на переменном токе, то общей реографический сигнал z=f(t) представляет переменный электрический сигнал, состоящей из суммы 2-х составляющих z и Δz, где z – базовый импеданс, Δz – реографический импеданс.

Соответственно, выходной сигнал с реографических электродов будет иметь вид синусоидальной кривой, промодулированной по амплитуде реографическим сигналом Δz=f(t).

Рисунок – Выходной электрический сигнал реограммы

З адачей дальнейшего преобразования амплитудно-модулированного сигнала заключается в подавлении синусоидальной составляющей частоты модуляции и выделении низкочастотной огибающей. Эта операция осуществляется путем синхронной демодуляции входного сигнала с помощью различного рода амплитудных детекторов (демодуляторов), известных в радиотехнике.

5.1.2. Разработка и обоснование функциональной схемы реографа

В соответствии с техническими требованиями реограф должен обеспечить излучение по 4-м каналам, отличающихся частотой зондирующих сигналов:

I к – (40 ± 4) кГц; II к – (50 ± 5) кГц; III к – (70 ± 7) кГц; IVк – (100 ± 10) кГц.

Эти каналы идентичны по своим структурным и функциональным схемам. Поэтому в дальнейшем будет вести разработку только одного канала.

Рисунок – Функциональная схема канала реографии

Схема реографического канала состоит из:

– генератора зондирующего тока высокой частоты;

– блока автоматической калибровки;

– реле выбора режима «работа-калибровка»;

– входить устройства восприятия реосигнала;

– синхронного демодулятора с RC-фильтром на выходе;

– блока активного фильтра НЧ и усилителей НЧ для формирования реосигнала ΔR;

– усилителя постоянного тока;

– АЦП для преобразования и отображения информации о базовом импедансе R;

– дифференциатора для получения сигнала производной реосигнала d(ΔR)/dt.

Г енератор выполнен в виде мультивибратора, делителя частоты и генератора тока, нагруженного на первичную обмотку трансформатора Т1 через конденсатор С1 и С2 подключаются к генераторным электродам (I₁, I₂) исследуемого органа на теле пациента. Падение напряжения на биообъекте (выводы U₁, U₂) пропорционально комплексному сопротивлению Z биообъекта.

где I₃ – зондирующий ток, Z₀ – базовый импеданс, ΔZ – изменение базового импеданса.

Напряжение U₂ через конденсаторы С3, С4 подается на разделяющий трансформатор Т2. Со вторичной обмотки трансформатора сигнал инвертируется и усиливается с помощью 2-х тактной схемы на 2-х операционных усилителях. После инвертирования и усилении подается на один из входов синхронного демодулятора (детектора). На другой вход демодулятора подается опорный синхронный сигнал с выхода генератора. Демодулятор осуществляет операцию умножения двух переменных сигналов с фильтрацией огибающей. Далее сигнал усиливается по низкой частоте (с сохранением постоянной составляющей импеданса) и после фильтрации разделяется на 2 составляющие: переменную (ΔZ) и постоянную (Z). Переменная составляющая после усиления по низкой частоте и масштабирования усилителем НЧ подается на выход для регистрации реосигнала.

Рисунок – Функциональная схема усилителя кардиосигнала

Постоянная составляющая после усиления и масштабирования усилителем постоянного тока подается на вход АЦП (КР572ПВ2 или КР572ПВ5). Для получения производной реосигнала d(ΔZ)/dt используется активное дифференцирующее звено на 2-х операционных усилителях. Выходной сигнал дифференцирующего звена после усиления масштабным усилителем подается на выход для регистрации.

Схема автоматического успокоения обеспечивает с помощью аналоговых электронных ключей более быструю разрядку конденсаторов связи после подачи больших сигналов.

Схема кардиографического канала состоит из:

– блока пациента;

– блока выходного преобразователя;

– блока питания, обеспечивающего гальваническую развязку блока пациента от остальной схемы канала.

Блок пациента предназначен для усиления и преобразования кардиосигнала. Блок пациента не должен иметь гальванической связи в корпусом прибора и обеспечивать развязку по информационному сигналу и по питанию. Входной кардиосигнал подается на буферный операционный усилитель, выход которого связан через фильтр высокой частоты с неинвертирующим усилителем. Фильтр ВЧ обеспечивает нижнюю граничную частоту на уровне 0,3 Гц. После фильтрации сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя по амплитуде. Усиленный кардиосигнал (U_КС) подается на блок широко-импульсной модуляции (ШИМ) для обеспечения гальванической развязки блока пациента от остальной части прибора. Блок ШИМ выполняется в виде компаратора (на основе ОУ или на основе специализированной микросхеме) и генератора пилообразного напряжения (ГПН).

Рисунок – Схема широтно-импульсной модуляции кардиосигнала: а – структурная схема, б – временная диаграмма ШИМ

Он выполняет функцию линейного преобразователя напряжения U_КС в дискретную последовательность импульсов Т_i, при этом U_КС = к Т_i = f (t).

Выходной сигнал компаратора в виде прямоугольных импульсов со скважностью, пропорциональной входному низкочастотному кардиосигналу подается на первичную обмотку трансформатора. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку блока пациента от остальных узлов схемы. Импульсный сигнал с вторичной обмотки трансформатора подается в блок выходного преобразователя, конкретно на ОУ с положительной ОС для обеспечения высокой стабильности амплитудно-временных параметров импульсов. С выхода ОУ сигнал подается на пассивный 3-х диапазонный делитель напряжения, обеспечивающий регулировку чувствительности регистрации кардиосигнала и затем на демодулятор импульсных сигналов. Демодулятор может быть выполнен на основе активного фильтра нижних частот и осуществляет преобразование импульсного сигнала в постоянное напряжение, которое поступает на выход прибора для регистрации.

Для того чтобы обеспечить гальваническую развязку блока пациента по питанию, функциональной схеме необходимо предусмотреть отдельный источник питания для блока пациента. Такой источник может быть выполнен по схеме с генератором импульсов и трансформаторным ключевым каскадом усиления по мощности.

Рисунок – Схема источника питания блока пациента

При использовании трансформатора с выходной обмоткой, имеющей среднюю точку можно получить двухполярное питающее напряжение ±U_п (2 источника, соединение последовательное). Такой источник необходим для питания операционных усилителей.

Вопросы разработки и расчета основных узлов реографа.

I. Генератор зондирующего тока (зт)

Расчет диапазонов измерения реосигналов.

П рибор предназначен для раздельного измерения:

а) импеданса Z;

б) переменной составляющей ΔZ (реограммы).

Согласно требованиям технического задания диапазон измеряемого импеданса составляет Z = (10–250) Ом, а переменной составляющей ΔZ = (0,05–0,5) Ом. Зададимся максимальной величиной зондирующего тока, равным 2,0 мА (действующее значение).

P.S. Периодический сигнал может характеризоваться:

а) мгновенным значением U(f);

б) средним значением ;

в) средневыпрямленным значением ;

г) среднеквадратическим значением ;

д) максимальным значением (амплитудным) , .

Соотношения между характеристиками

1. Коэффициент формирования К_ф = U/U_ср,

2. Коэффициент амплитуды К_а = U_m/ U,

3. Коэффициент усреднения К_у = U_m/ U_ср,

Справедливо неравенство В частности: а) для прямоугольных импульсов (меандр) , ; б) для синусоидального напряжения ; ; .

Тогда пределы измерения определяются значениями:

; ; .

1) для базового импеданса нижний предел:

мВ;

2) для базового импеданса верхний предел:

мВ = 0,5 В;

3) для переменной составляющей нижний предел:

мВ;

4) для переменной составляющей верхний предел:

мВ;

Расчет амплитуды напряжения источника зондирующего тока uu

П ри тетраполярном методе схема реосигналов в измерительную схему входят сопротивления Z’_К-Э и Z”_К-Э, каждое из которых включает переходные сопротивления «ткань-кожа-электрод» и импеданс Z’_НИ неизмеряемого участка объекта. Значения этих сопротивлений составляет порядка 1 кОм (Z⁰ = 1 кОм). Поэтому амплитуды питающего напряжения определяются значением В; В.

Источник питания представляет собой генератор прямоугольных импульсов с амплитудой не менее U_U = 2,5 В и частотой кГц.

Разработка принципиальной электрической схемы генератора зт

Генератор ЗТ состоит из задающего мультивибратора, делителя частоты на 2 и генератор тока, работающего на трансформатор Т1.

Рисунок – Структурная схема генератора ЗТ

Принципиальная электрическая схема генератор ЗТ приведена на следующем рисунке.

Рисунок – Принципиальная электрическая схема генератор ЗТ

Расчет параметров задающего мультивибратора по схеме, указанной выше ведем по формуле

где – сумма сопротивлений резистора R₁ и входного сопротивления микросхемы К561ЛА7.

В качестве исходных данных для расчета емкости конденсатора С1 задаемся следующими параметрами:

1. Сопротивление резистора R₁ ≈ 22 кОм.

2. Входное сопротивление микросхемы К561ЛА7 (она выполнена по КМОП-схеме, составляет несколько десятков МОм)

3. Частота задающего мультивибратора выбираем из условия последующего деления частоты на 2 с помощью триггера, т. е. кГц.

Для указанных исходных данных определим емкость

пФ.

Данное значение емкости подлежит корректировке в процессе настройки генератора.

Распределение коэффициентов усиления по каналу усиления

Для подкласса регистрации базового импеданса Z определим выходной максимальный сигнал U_вх = 2 В тогда для верхнего предела базового импеданса

где U₂^B – верхний предел базового импеданса

Задаем коэффициент преобразования входной части и синхронного детектора. Тогда коэффициент усиления усилителя постоянного тока будет равен (с возможностью регулирования)

Для подкласса регистрации реограммы ΔZ зададим максимальный выходной сигнал равный 2 В. Тогда общий коэффициент усиления равен:

Для регулировки коэффициентов усиления последний усилитель НЧ выполняется с возможностью регулировки.

Канал дифференцирования реосигнала

Рисунок – Схема канала дифференцирования реосигнала

Для обеспечения высокой помехоустойчивости операции дифференцирования необходимо перед дифференциатором включить п олосовой фильтр. Он состоит из последовательно включенных активных фильтров (низких и верхних частот). Фильтры выполняются по схеме Солена и Кея. Полосу частот пропускания сигналов реограммы перед дифференцированием рекомендуется уменьшить. Если полоса частот реограммы составляет 0,3-30 Гц, то фильтры НЧ и ВЧ перед дифференцированием необходимо настраивать на полосы 1,6-16 Гц. Это позволяет увеличить помехозащищенность при регистрации дифференциальной реограммы. Выходной сигнал после дифференцирования и усиления определяется выражением:

где К = R1/R2 – коэффициент усиления второго операционного усилителя.

Зададимся максимальными значениями входного и выходного сигналов дифференциатора U_вх.д. = 0,2 В; U_вых.д. = 2 В. Тогда требуемый коэффициент усиления дифференциатора будет равен:

Так как общий коэффициент усиления равен:

Определим требуемое значение К_ОУ.

сек.

Примем значение С равное 0,1 мкФ ± 0,5%. Тогда для обеспечения значения RC = 0,2 с необходимо значение сопротивления резистора R

Мом.

Для обеспечения коэффициента усиления ОУ К_ОУ = 40, необходимо выбрать значение сопротивления резисторов R1 и R2.

Задавшись значением R2 = 0,5 кОм, определим значение R1:

кОм.

Резисторы выбираются из ряда с погрешностью ± 1%.

Генератор зондирующего тока с трансформаторным выходом

П оскольку эффективное значение тока через транзистор невелико (до 1-10 мА), то выберем в качестве ключевого элемента транзистор КТ315Г.

Предельные допустимые данные:

– ток коллектора – 100 мА,

– напряжение коллектора-эмиттера – 25 В,

– коэффициент усиления – 50-350

Исходя из выходной характеристики, для обеспечения полного открытия транзистора при напряжении U_К-Э = 10 В и I_К = 10 мА необходим I_б = 0,2 мА.

При U_вх = 9 В и пренебрежении сопротивления база-эмиттер

кОм.

Увеличим значение тока I_б в 5 раз для более гарантированного открытия транзистора. Тогда

кОм.

кОм, тогда кОм

Распределим это сопротивление на 2 резистора, из которых одно сделаем переменным R1 = 1 кОм, R3 = 3 кОм.

мА,

кОм,

кОм,

кОм.

Методики анализа реограмм и их компьютерная реализация

Известны и применяются следующие органные методики реографии:

1. реоэнцефалография – изучение мозгового кровообращения;

2. реовазография – анализ кровотока в сосудах конечностей;

3. реогенатография и реонефрография – исследование сосудов печени и почек соответственно;

4. реография аорты и легочной артерии;

5. тетраполярная грудная реография по Кубичеку;

6. общая (интегральная) реография по Тищенко.

Для реализации реоэнцефалографии к реографу придаются концентрические двухэлементные электроды, предназначенные для тетраполярных реографических исследований суммарного кровенаполнения сосудов больших полушарий.

Рисунок – Типы двухэлементных электродов при реографических измерениях: а – ленточные, б – пластинчатые, в – концентрические

При этом обычно используют лобно-сосцевидные (фронтомастоидальные) и затылочно-сосцевидные (окципито-мастоидальные) отведения. Частота зондирующего тока реоканала выбирается не ниже 70 кГц. Особенности реографических исследований других органов достаточно подробно изложен в литературе.

Метод тетраполярной грудной реографии, приложенной Кубичеком в 1968 г. для обследования астронавтов на орбите, представляет большой практический интерес как неинвазивный метод оценки сократительной функции сердца и гемодинамики. Он несложен для выполнения, отличается достаточно хорошей воспроизводимостью реограмм, специфичностью их изменений при основных клинически значимых гемодинамических расстройствах.

Для грудной тетраполяной реографии (РГ) используются 4 гибких циркулярных металлических электрода. Два из них размещаются на шее, а два – в верхней части живота. Как правило, для зондирования выбирается каналы с частотами 40-100 кГц. Известны также ряд модификаций схем наложения электродов.

Рисунок – Схема наложения электродов при грудной интегральной РГ

Для оценки некоторых показателей, в частности определение ударного объема можно использовать метод интегральной реографии по М.И. Тищенко.

Рисунок – Метод интегральной реографии по М. И. Тищенко: а – схема наложения электродов, б – интегральная реограмма по М. И. Тищенко

Схема наложения электродов по этому методу является биполярной. При этом требуются реографы с диапазоном измерения базового импеданса 200-700 Ом. При реографических исследованиях измеряются следующие показатели объемной реограммы:

– амплитуда систолической волны А;

– калибровочная амплитуда А_К;

– длительность сердечного цикла С = S + D;

– длительность катакроты D;

– базовый импеданс Z.

Используя эти показатели можно рассчитать такой важный параметр как ударный объем крови при сердечных сокращениях.

Общие принципы анализа реограмм

Д ля более детального анализа реографических кривых необходима одновременная запись кардиосигнала и дифференциальной диаграммы. Пик дифференциальной реограммы помогает разделить по времени периоды быстрого и медленного систолического наполнения, а также оценить скорость кровенаполнения, что используется для определения ударного (систолического) объема крови.

При анализе реограмм необходимо выполнить измерение амплитудных параметров реограммы и их первых производных.

Одним из основных параметров является:

1. Реографический индекс РИ

где А – амплитуда в измеряемой точке реограммы, Ом; А_К – амплитуда калибровочного сигнала, Ом; h, h_К – те же величины, выраженные в мм.

При анализе иногда раздельно вычисляют систолический (РИ_С), дикротический (РИ_дк) и систолический (РИ_С) импеданса, сравнение которых позволяют оценить тонус сосудов.

Реографические каналы прибора работают на разных частотах измерительного тока. Поэтому для сравнительной оценки результатов реографических измерений, полученных в различных сосудистых областях с помощью разных каналов, реографические индексы и абсолютные значения амплитуд реограмм измеряют в относительных единицах относительно базовых импедансов РИ/Z (ΔZ/Z).

2. Время максимального систолического кровенаполнения ВН_макс = α – временной интервал от начала реограммы до ее вершины. Эта фаза подразделяется на периоды быстрого и медленного наполнения. Увеличение ВН_макс указывает на снижение эластичности и повышение тонуса артерий.

3. Отношение времени восходящей части α РГ длительности сесдечного цикла Т_RR

– показатель эластичности и тонуса сосудов.

В норме этот показатель составляет 10-15%, при снижении эластичности – повышается.

4. Время быстрого наполнения ВН_быстр = α₁ – интервал от начала подъема реограммы до момента максимума пика дифференциальной реограммы.

Этот показатель связан с величиной ударного объема сердца и эластичностью сосудистой стенки.

5. Время медленного наполнения ВН_медл = α₂ = ВН_макс – ВН_быстр = α – α₁ –характеризует тонус артерий мелкого и среднего калибра.

6. Время общего наполнения (ВН_общ) – интервал от начала подъема РГ до инцизуры.

7. Длительность нисходящей части реограммы в – интервал от максимального значения реограммы до точки ее пересечения с изолинией.

8. Коэффициент (А_д/А_с) ∙ 100%, где А_с – амплитуда систолической волны; А_д – высота инцизуры. Принято считать, что эта величина отражает периферическое сосудистое сопротивление.

9. Амплитудно-частотный показатель (АЧП) – отношение систолического РИ к длительности сердечного цикла (в сек). Эта величина характеризует величину объемного кровотока в исследуемой области в единицу времени.

10. Время распространения пульсовой волны (ВРПВ) или время запаздывания реограммы – интервал от начала зубца Q ЭКГ до начала подъема реограммы. Этот параметр увеличивается при снижении тонуса артерий.

11. Угол наклона касательной к восходящей части реограммы. Он характеризует эластичность крупных сосудов и составляет в норме 75-85º.

Величину угла можно заменить его тангенсом, который равен амплитуде дифференциальной реограммы. При снижении эластичности этот угол уменьшается. Используя указанные выше первичные параметры реограммы можно вычислять комплексные показатели, характеризующие гемодинамику. Известен ряд методик количественного анализа гемодинамики.

Одним из важнейших комплексных показателей гемодинамики является ударный объем крови (УОК). Так, например, в соответствии с методикой Кубичека этот параметр рассчитывается по формуле

(мл),

где r – удельное электрическое сопротивление крови, принимаемое равным 150 Ом/см;

L – расстояние между электродами (см);

Z – межэлектродный (базовый) импеданс (Ом);

A_d – амплитуда дифференцированной реограммы (Ом/с);

T_U – время изгнания (с);

K – поправочный коэффициент (К = 0,8-1,1), вычисляемый с учетом характеристик крови.

Известен ряд модификаций этой формулы, учитывающие параметры грудной клетки, возраст пациента и другие характеристики. Вычисление этой и других комплексных показателей в современных реографах осуществляется с помощью компьютерной обработки и анализа реографической информации.

Примером реализации автоматической системы анализа реограмм является программно- аппаратный комплекс «Реоанализатор», «Диамант-Р» для объективного контроля и оценки состояния центральной периферической и органной гемодинамики человека.

Аппаратно комплекс представляет собой реографическое устройство сопряжения с ЭВМ и IBM – совместимый персональный компьютер. Сопряжение с компьютером осуществляется посредством интерфейса RS-232C по 2-м реографическим и одному кардиографическому каналу.

Одним из возможных вариантов реализации реографа с компьютерной обработкой является использование серийных модулей и блоков (плат) аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) ввода-вывода на шины персонального компьютера. В качестве примера можно назвать изделия (платы, модули и блоки) фирмы «L-КАРД». В частности, плата АЦП/ЦАП на шину РСI типа L-783 обеспечивает выполнение функцией ввода аналоговых сигналов максимальной частоты 3 МГц по 16 дифференциальным каналам с разрядностью АЦП 12 бит, а также ввода/вывода цифровых сигналов с возможностью установки ЦАП (по 2-м каналам).

На плате установлен цифровой сигнальный процессор для управления вводом/выводом сигналов и обменом информацией с персональным компьютером. Переключение каналов при многоканальном режиме сбора данных автоматическое, с произвольным порядком выборки канала и коэффициента усиления. В плате типа L-761 дополнительно введем гальваноразвязку входов АЦП.

Для создания портативных измерительных систем предназначен ряд внешних модулей АЦП/ЦАП на шину USB. В частности, модуль типа Е-440 обеспечивает АЦП/ЦАП преобразование и ввод/вывод аналоговой и цифровой информации по 16 входным и 2-м выходным (с установкой ЦАП) каналам с максимальной частотой преобразования – 400 кГц. Основные характеристики некоторых типов плат и модулей серии «L-КАРД» приведены в таблице.

Таблица

При проектировании аппаратной части реографа выходные сигналы реографических каналов U_ΔZ, блока измерения базовых импедансов U_Z и кардиографического канала должны быть согласованы по амплитуде с входами АЦП плат (модулей) сопряжено с ЭВМ.

Тема 6. Методика проектирования рН-метров.

Рассмотрим структуру, принцип построения и особенности проектирования аналитических потенциометрических приборов на примере разработки цифрового рН-метра-милливольтметра. В качестве прототипа для разработки выберем рН-метр типа рН-150.

В общем случае процесс проектирования аналитического измерительного прибора состоит из следующих этапов:

1. Постановка задачи – формулировка цепи и задач проектирования, формирование вектора технических требований.

2. Системные требования:

– выбор аналитического измерительного процесса, выбор способа преобразования, первичных измерительных преобразователей и измерительно-вычислительного устройства;

– нахождение математической модели аналитического измерительного процесса, выбор показателей качество (по точности, быстродействию);

3. Разработка технических и программных средств:

– разработка общей структурной схемы;

– разработка общей функциональной схемы прибора;

– разработка принципиальных схем прибора.

4. Реализация

– изготовление макетов, отладка и испытания;

– написание программ и их отладка.

5. Комплексные проверки функционирования:

– проверка и исправление ошибок в технических средствах и программном обеспечении;

– исправление ошибок совместного функционирования технических и программных средств;

– метрологическая аттестация прибора.

6. Разработка рабочей конструкторской документации образца.

7. Изготовление образца.

8. Метрологическая аттестация и межведомственные испытания образца.

9. Корректировка конструкторской документации по результатам испытаний.

Покажем, как некоторые из этих этапов реализуются на примере проектирования рН-метра.

Этап 1 – Постановка задачи.

Целью проектирования является создание портативного с автономным питанием прибора, который может быть использован в научно-исследовательских институтах и заводских лабораториях различных отраслей промышленности. В том числе на предприятиях пищевой, в частности, мясной и хлебопекарной промышленности, санитарно-эпидемиологических станциях, станциях экологического контроля водной среды, а также для контроля технологических процессов в различных отраслях промышленности.

РН-метр предназначен для измерения активности ионов водорода (рН), окислительно-восстановительного потенциала (Еh) и температуры водных растворов. Измерение величин рН, Еh осуществляется с помощью измерительного преобразователя и набора электродов. Температура измеряется с помощью термометрических датчиков сопротивления.

При формировании основных требований, предъявляемых к проектируемому прибору, разработчик должен ознакомиться со стандартом на разработку приборов данного типа. В частности, для рН-метров сформированные требования должны соответствовать требованиям ГОСТ 22261-82.

Основные технические требования к рН-метру:

1. рН-метр должен обеспечивать визуальный отсчет значений измеряемых величин рН, Еh и температуры в цифровой форме в единицах рН, мВ, ºС.

2. Питание рН-метра должно осуществляться автономно от всроенных источников ( 2-х батареек типа «Корунд» или аккумулятора типа 7D-0,115-V1.1) с напряжением питания от 5,4 до 9 В.

Время непрерывной работы рН-метра от одного комплекса батарей «Корунд» – не менее 80 г при режиме работы не более 4 г в сутки. Максимальное потребление тока от каждой батареи – не более 10 мА.

Необходимо предусмотреть питание прибора от сети 220 В, частотой 50 Гц через специальный блок сетевого питания, входящего в комплект рН-метра.

3. Диапазоны измерения и цены единиц младшего разряда соответствуют значениям, указанным в таблице.

Таблица

4. В рН-метре должна быть предусмотрена ручная и автоматическая температурная компенсация. Диапазон термокомпенсации от -10 до -100 ºС.

5. Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешности.

Таблица

6. Допускаемая величина сопротивления измерительного электрода – не более 1000 МОм.

7. Допускаемая величина сопротивления вспомогательного электрода – не более 20 кОм.

Этап 2 – Системные требования.

В режиме измерения активности ионов водорода рН-метр обеспечивает работу с электродами системами, э.д.с. которых соответствует следующему уравнению:

где Е – э.д.с. электронной системы, мВ;

Е_U, pH_U – координаты изопотенциальной точки электродной системы;

pH – активность ионов водорода;

S_t – крутизна характеристики электродной системы, мВ/рН.

Значение S_t определяется выражением

где t – температура анализируемой среды, ºС.

В режиме измерения активности ионов водорода рН-метр должен обеспечивать настройку на параметры электронной системы, приведенные в таблице.

Таблица

Приведенные выше требования обеспечиваются стеклянными, хлорсеребряными и платиновыми электродами. Исходя при выборе типов электродов из этих требований выбираем следующие электроды:

1. Для измерений рН:

– измерительные электроды стеклянные лабораторные типа ЭСЛ-15-11, типа ЭСЛ-45-11;

– измерительные электроды стеклянные комбинированные лабораторные типа ЭСКЛ-08.

2. Для измерения Е_U:

– измерительные электроды платиновые лабораторные типа ЭПЛ-02;

– измерительные электроды платиновые комбинированные лабораторные ЭПКЛ-03;

3. В качестве вспомогательных используются хлорсеребряные электроды типа ЭВЛ-1М4.

Рисунок – Схемы подключения электродной системы при измерении рН (а)

и при измерении Еh (б)

Этап 3 – Разработка технических средств: структурной, функциональной и принципиальной электрической схем.

1. Разработка структурной схемы.

рН-метр выполняет также функции милливольтметра (при измерении окислительно-восстановительного потенцила Е_h) и состоит из набора электродов, электронного аналого-цифрового преобразователя и блока сетевого питания.

Структурная схема включает следующие блоки:

– электродная система;

– входной усилитель;

– аналоговый блок измерения и коррекции;

– аналого-цифровой преобразователь;

– цифровой индикатор;

– блок автономного питания;

– блок сетевого питания.

Рисунок – Структурная схема рН-метра

Электродная система конструктивно выполняется в виде чувствительных элементов, в которых объединены измерительный, вспомогательный электроды и термокомпенсаторы.

Рисунок – Электронный преобразователь рН-метра с электродами и термокомпенсаторами

Чувствительные элементы выполняются 2-х типов: первый – предназначен для измерения рН и содержит в качестве измерительного стеклянный электрод типа ЭСЛ-15-11 или ЭСЛ-45-11; второй – для измерения Е_h и содержит измерительный электрод типа ЭПЛ-02 или ЭПКЛ-03.

2. Функциональная схема рН-метра.

Основными функциями прибора является:

1. Преобразование параметров рН_Х, Е_h и Т в электрические сигналы U_рН, U_Еh и U_Т.

2. Автоматическое вычисление значения рН_Х по уравнению, описывающему э.д.с. электродной системы рН-метра.

где Е_h, рН_U – координаты изопотенциалной точки используемого прибора;

S_T – крутизна характеристики электродной системы;

рН_Х – измеряемый показатель рН;

S₀ – постоянный коэффициент крутизны;

α – температурный коэффициент крутизны.

Разрешая уравнение электродной системы относительно измеряемого параметра рН_Х, получим

В зависимости от способа реализации градуировочной характеристики могут быть выполнены схемы рН-метров с аналоговым и цифровым (микропроцессорным или компьютерным) вычислителем измеряемого показателя рН. Схема с аналоговым вычислителем включает в себя следующие блоки:

– входной усилитель,

– аналоговый преобразователь температуры,

– блок аналогового вычисления на операционных усилителях (ОУ),

– блок опорного напряжения,

– АЦП двухтактного интегрирования,

– блок индикации.

Операции суммирования-вычитания аналоговых сигналов с помощью известных схем на ОУ.

Рисунок – Функциональная схема рН-метра с аналоговым вычислителем

Рисунок – Функциональная схема рН-метра с компьютерной обработкой информации

Функциональная схема прибора представляет собой совокупность функциональных блоков и элементов и связей между ними, обеспечивающая выполнение системных требований. При этом каждый выделяемый блок представляет собой устройство, обеспечивающее выполнение определенной функции (усиление, преобразование, генерация, переключение и т. д.). Степень детализации функциональных свойств устройств определяется разработчиком, исходя из простоты описания, а также существенности и малозначительности той или иной локальной функции для выполнения основной функции.

Рассмотрим построение и элементы расчета функциональных схем по блокам структурной схемы.

Входной усилитель.

При разработке входного усилителя необходимо иметь ввиду, что проектируемый усилитель должен быть прежде всего согласован с электродной системой, внутреннее сопротивление которой составляет порядка 1000 Мом. То есть входное сопротивление не должно быть меньше 1000 Мом.

Общий коэффициент усиления выбирается из следующего соотношения:

где U_max.вх – максимальное значение выходного напряжения;

– выходное напряжение чувствительного элемента электродной системы.

Значение U_max.вх определяется значением опорного напряжения выбранной микросхемы АЦП U_оп и выбирается разработчиком на уровне 2-5 В. Значение рассчитывается по формуле для максимального значения измеряемого по формуле для максимального значения измеряемого рН_max = 14 при максимальной температуре раствора t.

Из справочников для выбранного типа измерительного электрода определяем координаты изопотенциальной точки Е_U, рН_U. В частности, для стеклянных электродов типа ЭСЛ-15-11 и ЭСЛ-45-11 Е_U = -25 мВ; рН_U = 4,25. Крутизна характеристики электродной системы определяется соотношением и для t = 100 ºС равна

мВ/рН.

Подставляя полученные значения в выражение для получим

мВ.

Тогда требуемый общий коэффициент усиления входного усилителя составит (при выбранном U_max.вх = 2 В)

Выбор схемы входного усилителя можно реализовать двумя путями:

1. использование в качестве усилителя серийной микросхемы прецизионных операционных усилителей (ОУ);

2. построение входного усилителя по схеме М-ДМ на операционных усилителях, имеющих малое потребление мощности, высокое входное сопротивление и низкие значения напряжения питания (не более ±5 В).

К числу прецизионных ОУ относятся в частности, предусилитель К140УД13, построенный по М-ДМ схеме на КМОП структуре усилителя К140УД17 и др. Предусилитель К140УД13 имеет входное сопротивление 100 МОм глубокой отрицательной обратной связи позволяет получить более высокие значения входного сопротивления при малых значениях смещения нуля (50 мкВ).

Недостатком этого усилителя является достаточно высокое потребление тока (10 мА) и высокие значения напряжения питания (±15 В).

Усилитель К140УД17 имеет имеет меньшее значения тока потребления (4 мА), а напряжение питания может изменяться в диапазоне ±3…±18 В.

Представляет интерес использование входного усилителя по схеме М-ДМ, примененная в рН-метре рН-150.

Блок аналогового измерения выполняется на операционных усилителях (например, типа К140УД12) и реализует следующие функции:

1. согласование характеристик электродной системы (в частности, координаты изопотенциальной крутизны точки) с параметрами преобразователя;

2. коррекцию показаний рН-метра при изменении температуры;

3. переключение режимов измерения прибора;

4. преобразование сопротивления термокомпенсатора в напряжение, пропорциональное температуре анализируемой среды.

Блок измерения реализует аналоговым способом вычислительные операции в соответствии с выражениями. Он может быть выполнен на операционных усилителях и переменных резисторах, предназначен для установки значений выходных напряжений ОУ (например, при калибровке по буферным растворам) и регулировки коэффициентов усиления (например, при установке требуемой крутизны).

Преобразование сопротивления термокомпенсатора в напряжение, пропорциональное температуре анализируемой среды, осуществляется операционным усилителем, в цепи обратной связи которого включается термокомпенсатор (при автоматической). Номиналы частотозадающих цепей тактового генератора рассчитываются по формуле

Для повышения стабильности частоты между выводами 39 и 40 можно включить кварцевый резонатор (при этом элементы R_Г и С_Г не подключают). При работе микросхемы от внешнего генератора тактовые импульсы подают на вывод 40 (выводы 38 и 39 при этом оставляют свободным).

Диапазон входных напряжений микросхемы зависит от образцового напряжения U_обр и определяется соотношением

U_вх.max = ±1,999 U_обр.

Текущие показания цифровых импедансов выражаются числом равным

При использовании микросхемы необходимо чтобы выходное напряжение интегратора внутри микросхемы не превышал граничного напряжения линейного участка, равного 2 В. Это накладывает ограничение на соотношение между образцовым напряжением, частотой генератора, сопротивлением R_ИНТ и емкостью С_ИНТ.

При частоте f = 50 кГц рекомендуются следующие соотношения:

Вариант 1 – R_инт = 47 кОм; C_инт = 0,1 мкФ; C_обр = 1 мкФ; U_обр = 0,1 В; C_АК = 0,47 мкФ.

Вариант 2 – R_инт = 470 кОм; C_инт = 0,1 мкФ; C_обр = 0,1 мкФ; U_обр = 1 В; C_АК = 0,047 мкФ.

Для указанной частоты 50 кГц С_Г = 91 пФ и R_Г = 100 кОм. Допускаемое отклонение от номинала указанных элементов не более ±5%.

Для выполнения функции аналого-цифрового преобразования целесообразно выбрать микросхему АЦП типа КР572ПВ2А, выполненную по схеме двойного интегрирования.

АЦП данного типа обладает достаточно высокой помехоустойчивостью, малым потреблением тока, большим входным сопротивлением (более 100 МОм).

В состав микросхемы входит тактовой генератор. Частота следования его импульсов определяется внешними элементами R_Г и С_Г. Для подавления сетевых помех с частотами, кратными 50 Гц, частота повторения импульсов должна быть выбрана такой, чтобы в интервале интегрирования, равная 4000 периодов тактового генератора Т, укладывалось целое число К периодов сетевого напряжения, равных 20 мс.

мс, где К = 1, 2, 3.

Отсюда кГц, т. е. 200, 100, 67, 50, 40 кГц и т. д.

Рисунок – Схема включения АЦП типа КР572ПА2 со светодиодным индикатором

Особенности проектирования входных усилителей сигналов аналитических и биомедицинских приборов.

При проектировании усилителей входных сигналов (УВС) биотехнических и медицинских приборов наиболее сложными этапами являются:

– анализ требований к отдельным блокам усилительного устройства;

– составление функциональной схемы усилительного устройства;

– согласование входной цепи (ВЦ) усилителей с датчиками и расчет первых каскадов усиления.

Перечень требований к УВС и структура его функциональной схемы определяется, прежде всего, в результате анализа процесса взаимодействия системы «объект-датчик-входная цепь усилителя». В этой системе наиболее устоявшимся (консервативным) является датчик измеряемой величины (физиологического) показателя. Именно датчик, его основные характеристики, определяют выбор функциональной схемы последующего центрального тракта.

Исходя из особенностей взаимодействия системы «биообъект-датчик-усилитель» (имеется ввиду, прежде всего, входная цепь усилителя) датчики можно условно разделить на несколько групп по такому важному параметру как собственное (внутреннее) сопротивление датчика и цепи «биообъект-датчик».

1. Низкоомные датчики. Внутреннее сопротивление их не превышает нескольких кОм. К ним относятся датчики температуры, тензометрические датчики давления и др.

2. Высокоомные датчики. Внутреннее их сопротивление составляет порядка несколько десятков и сотен кОм. К ним относятся, в частности, большинство датчиков-электродов для съема биопотенциалов, вспомогательные электроды потенциометрических анализаторов (рН-метров, иономеров и др.) и др.

3. Сверхвысокоомные датчики. Внутреннее их сопротивление составляет порядка несколько десятков и сотен МОм.

Идеальным с точки зрения эффективности информационного взаимодействия датчика и УВС был бы усилитель, который бы обладал:

– бесконечно большим входным сопротивлением;

– нечувствительностью к помехам от силовой сети и радиостным помехам полосы частот полезного сигнала;

– минимальным уровнем собственных шумов;

– способностью сохранять свои характеристики при воздействии на усилитель кратковременных входных сигналов большого уровня;

– минимальным уровнем частотных и нелинейных искажений в полосе частот и в динамическом диапазоне полосового сигнала.

Естественно, построить такой усилитель практически невозможно.

Из этой группы требований одним из наиболее важных является первое требование, которое можно сформулировать следующим образом: входное сопротивление усилителя должно быть по возможности не ниже, а выше внутреннего сопротивления цепи «биообъект-датчик». Это объясняется тем, что в этом случае не нагружается биообъект чрезмерным током и не происходит потери полезного сигнала из-за его падения на внутреннем сопротивлении датчика. Другими словами, повышается отношение сигнал/шум.

В этом случае иногда рекомендуют для выбора входного полного сопротивления Z_вх усилителя расчетное соотношение:

где Z_О-Д – внутреннее сопротивление цепи «биообъект-датчик»,

ψ_СП – заданная величина отношения сигнал/помеха.

Выполнение этого условия для низкоомных и высокоомных датчиков, как правило, не вызывает больших затруднений. Для усиления сигналов низкоомных датчиков используются обычные операционные и инструментальные (измерительные) усилители.

Для выполнения требования подавления синфазных помех, например, при усилении биопотенциалов, используются специальные схемы дифференциальных усилителей (2-х ОУ, на 3-х ОУ и др.).

Наибольшие затруднения при выполнении предъявляемых требований встречаются при реализации УВС сверхвысокоомных датчиков. К датчикам такого типа относятся, частности, измерительные электроды для измерения рН-показателя.

Усилители входных сигналов рН-метров.

В качестве измерительных датчиков в рН-метре чаще всего используются стеклянные электроды (типа ЭСЛ-15-11, ЭСЛ-45-11), а в качестве вспомогательных – хлорсеребряные электроды (типа ЭВЛ-1МЧ). Согласно паспортным данным, внутреннее сопротивление электродов типа ЭСЛ-15-11 составляет 500±250 МОм, типа ЭСЛ-45-11 – 50±40 МОм, вспомогательных электродов типа ЭВЛ-1МЧ – 20 кОм.

Учитывая естественное требование универсальности применения проектируемого УВС для различных типов электродов, входное сопротивление УВС должно быть не менее 750 МОм.

Этому требованию удовлетворяют ряд схем УВС, в частности схемы электрометрических усилителей, а также схемы усилителей с модуляцией-демодуляцией МДМ.

Усилители по схеме МДМ обеспечивают малый уровень дрейфа нулевого уровня, в том числе и температурного дрейфа, что позволяет получить большой коэффициент усиления. Функциональная схема УВС рН-метра, выполненная по схеме МДМ, приведена на рисунке.

Рисунок – Функциональная схема усилителя входных сигналов рН-метра

При реализации принципиальной электрической схемы УВС важным является выбор схемы ключевых элементов модулятора. Весьма эффективным является использование оптопар – фотосопротивлений, управляемых светодиодами.

Рисунок – Принципиальная электрическая схема усилителя входных сигналов рН-метра

Входная цепь УВС выполнена из высокоомного входного фильтра на резисторе R1, R2 и конденсаторов С1, С2. Входной сигнал поступает через резисторы R1, R2 и периодически включается фоторезистор R3 на вход каскада усилителя, выполненного на основе согласованной пары полевых транзисторов DA1. При этом вход каскада шунтирован высокоомным резистором R5. Учитывая, что входное сопротивление каскада составляет порядка 10⁹ Ом, можно сделать вывод о том, что входная цепь усилителя обеспечивает входное сопротивление не ниже 660 МОм. Для снижения потребляемой мощности, что весьма важно для портативных приборов, целесообразно в качестве ОУ для усиления переменного тока (после модуляции) использовать микромощные ОУ, например типа КР140УД12.

Если ограничение по потребляемой мощности не столь существенно в качестве входных усилителей могут быть использованы ОУ со встроенными в микросхему входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах. В таблице приведены основные характеристики некоторых ОУ, обладающих высоким входным сопротивлением.

Основные параметры операционных усилителей.

Таблица

Рядом зарубежных форм (ф. «Analog Devices», ф. «Burr-Brown» и др.) выпускаются высококачественные измерительные усилители, обладающие высокими значениями входного сопротивления, коэффициента подавления синфазного сигнала гальванической развязкой, а также специальные модули аналого-цифрового сопряжения, предназначенные для сопряжения с ЭВМ.

Принцип построения и функционирования ацп двойного интегрирования

Отличительной особенностью схемы с аналоговым вычислителем является автоматическая коррекция температурных изменений электродной системы (В = S₀ + αT) путем соответствующего изменения опорного напряжения, подаваемого на АЦП двойного двухтактного интегрирования.

Донная схема построения интегральной АЦП является одной из самых микрораспространненных, обеспечивающих высокую точность и помехоустойчивость. Принцип работы АЦП двойного интегрирования поясняется на рисунке.

Рисунок – Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием

АЦП начинает работу с установки счетчика в нулевое состояние с помощью схемы управления. Затем электронный ключ устанавливается в наложение «И». При этом к интегратору подсоединяется входное измеряемое напряжение U_вх (U’_вх > 0) и напряжение на выходе интегратора У1 U_вых.у1 начинает увеличиваться со скоростью, пропорциональной U_вх. В момент t₁ счетчик переполняется (обнуляется) и выходное напряжение интегратора будет равно

В момент t₁ ключ Э_к переключается на напряжение -U_оп источника опорного напряжения, а счетчик вновь считает импульсы задающего генератора. Интегрирующий конденсатор С начинает разряжаться с постоянной скоростью, пропорциональной величине – U_оп/RC. Когда конденсатор С интегратора разрядится до нуля, сработает компаратор У2 и остановит счет импульсов счетчиком. Оставшееся содержимое (цифровой код) счетчика при фиксированном t₁ представляет собой отношение U_вх/U_оп.

Действительно из условия равенства нуля напряжения на выходе интегратора в момент t₂ имеем

отсюда

Так как U_оп и время t₁ фиксированы, то цифровой код измеренного значения t₂ будет равно

То есть, цифровой код времени t₂ пропорционален входному измеряемому напряжению U_вх и содержит в качестве делителя значения опорного напряжения U_оп. Другими словами, ЦАП двойного интегрирования может выполняться функцией измерителя отношения U_вх/U_оп. Эта особенность и используется в аналоговых рН-метрах для реализации операции температурной коррекции показаний рН-метра в соответствии с уравнением. По данной схеме реализованы типовые микросхемы АЦП двойного интегрирования АЦП КР572ПВ2 и КР572ПВ5.

Компьютерный измеритель рН включает в себя:

– входной усилитель потенциометрических сигналов (с высоким входным сопротивлением);

– преобразователь температуры;

– задатчик постоянных коэффициентов;

– модуль АЦП/ЦАП преобразования и ввода информации в ЭВМ;

– персональный компьютер.

Тема 7 Типовые обобщенные структуры фотометров и основные требования, предъявляемые к звеньям этих структур.

Рассмотренные выше фотометрические методы исследования реализуются в разнообразных приборах и комплексных измерительных системах. Типовыми узлами этих приборов и систем являются:

1. Источник излучения;

2. Оптический тракт, включая и кюветную систему;

3. Фотоэлектрический преобразователь;

4. Устройство обработки сигналов;

5. Индикатор и регистраторы измеряемых фотометрических величин;

6. Вспомогательные устройства (модуляторы, устройства автоматизации смены биопроб, термостаты, мешалки и др.)

Обобщенная структурная схема фотометрической системы представлена на рисунке

Структура реального фотометра может отличаться от обобщенной схемы: могут отсутствовать некоторые блоки, а другие блоки представлять собой весьма сложные устройства.

Одной из характеристик сложной структуры фотометрических систем является количество потоков излучения (лучей), которые используются для оценки исследуемого оптического свойства объекта. Применяются однолучевые, двулучевые, трехлучевые и многолучевые схемы фотометров. Последние используются, например, при оценке окраски объектов.

Рис. Примеры типовых структур фотометра. ИИ-источник излучения; ОС,ОС1,ОС2,ОС3-оптическая система; Об-объект фотометрирования; ФЭП-фотоэлектрические преобразова-тели; Э-эталон; М-модулятор; Пр-призмы; УПО-устройство первичной обработки инфор-мации; УОИ-устройство отображения информации; Д-диафрагма.

При проектировании фотометрических систем необходимо выполнить ряд требований []:

1. поток излучения, поступающий на исследуемый объект, по своему спектральному составу, интенсивности, геометрии и другим параметрам должен соответствовать методике проведения фотометрического исследования4

2. спектральные характеристики элементов ОЭИП необходимо согласовать. При этом ФЭП должен иметь наибольшую спектральную чувствительность в диапазоне спектра регистрируемого потока, а другие элементы преобразователя – наибольший коэффициент преобразования этого диапазона;

3. фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) должен быть согласован с входной цепью измерительной схемы, а источник излучения – с устройством формирующим сигнал управления интенсивностью излучения;

4. необходимо обеспечить согласование частотных характеристик ИИ, ФЭП, УПО;

5. интенсивность лучистого потока, падающего на ФЭП, должна удовлетворять заданному отношению сигнал/шум;

6. влияние фоновых лучистых потоков необходимо свести к минимуму.

Под согласованием в указанных выше требованиях понимается выбор таких значений параметров, которые бы обеспечивали максимальный отклик сигнала на выходе того или иного преобразователя. В двухлучевых структурах для определения выходного параметра используются два потока излучения (рис. б,в) ???(компенсационный) и измерительный, содержащий информацию об оптических свойствах объекта, или потоки двух спектральных диапазонов после взаимодействия с объектом. Блок ФЭП может содержать два преобразователя либо один, на который потоки поступают последовательно во времени.

Основные энергетические и световые характеристики излучения.

Потоком излучения (мощностью излучения, лучистым потоком, потоком) Ф_Э, Ф(Вт) называется количество излучаемой, поглощаемой или переносимой в единицу времени энергии.

Ф_Э=dW_Э/dt — световой поток, где

W_Э – энергия излучения, Дж.

Поток излучения, сосредоточенный в малом диапазоне длин волн от λ до λ+Δλ, называется спектральным (монохроматическим) потоком излучения dФ, Ф(λ) или Ф(λ, λ+Δλ).

Спектральной плотностью потока φ_е(λ) (Вт∙мкм ^-1) определяется соотношением

φ_е(λ) = dФ_е(λ)/dλ

Поток, оцененный по создаваемому им зрительному ощущению, называется световым потоком Ф(лм)

Энергетической силой излучения J_е (Вт∙ср^-1) называется поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла ω(ср)

J_е = dФ_е/dω.

Силой света J (кд, лм∙ср^-1) называется световой поток, отнесенный к единице телесного угла

J = dФ/dω.

Соответственно спектральные плотности силы излучения и силы света обозначают через J_э(λ) и J(λ) из определения силы света следует, что полный поток в телесном угле ω₀

Ф_ωо=∫Jdω

В случае неравномерного распределения потока излучения J=J(ω) вводят понятие средней по телесному углу энергетической силы света

Среднее значение силы света внутри телесного угла 4π называется среднесферической силой света

Поверхностной плотностью потока излучения – (энергетической светимостью) М_э (Вт∙м ^-2) называется отношение потока излучения, испускаемого в полусферу элементом поверхности, к площади ΔS (м²) этого элемента

Светимостью (светлостью) М (лм∙м ^-2) называют поверхностную плотность светового потока излучателя.

Энергетическую освещенность (облученность) Е_э (Вт∙м ^-2) называют отношение потока излучения подающего на элемент поверхности, к площади этого элемента.

Освещенностью Е (лк, лм∙м ^-2) называется отношение светового потока, падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента.

Спектральные плотности энергетической светимости и энергетической освещенности (Вт∙м ^-2∙мкм ^-1) равны.

Энергетической яркостью в направлении В_э (Вт∙ср^-1∙м ^-2) называется отношение, измеренное в этом направлении энергетической силы света к видимой площади излучающей поверхности.

где α – угол между данным направлением и нормалью ??? к элементу излучающей поверхности.

Для диффузно излучающей поверхности величина В_э одинакова во всех направлениях и по закону Ламберта

Спектральная плотность энергетической яркости В_эλ (Вт∙ср^-1∙м^-2∙мкм^-1)

Д ля светового потока яркость В (кд∙м ^-2) определяется аналогично

Связь между энергетическими и световыми единицами устанавливается, исходя из следующих соображений.

Человеческий глаз не одинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если измерить лучистый поток Ф_λ в диапазоне длин волн λ÷ (λ+Δλ) для какого-нибудь излучателя и световой поток F_λ воспринимается глазом в том же диапазоне спектра, то отношение светового потока dF_λ к величине лучистого потока dФ_λ определяется коэффициентом видимости υ_λ

Отношение коэффициента видимости для какой либо длины волны излучения к максимальному значению υ_λ называется коэффициентом относительной видимости

Кривую относительной видимости называют так же кривой спектральной чувствительности глаза. Для человеческого глаза λ_max=0,555мкм; световой эквивалент лучистого потока составляет υ_λmax =683лм∙Вт ^-1

Если выразить лучистый поток через спектральную плотность Ф_λ

то световой поток равен

Тогда с учетом выражения для К_λ получим

Энергетические и фотометрические (световые величины)

П римечание:ε – угол между нормалью к площадке dS и данным направле6нием; S₁ – площадь излучающей поверхности; S₂ – площадь облучаемой поверхности.

Основные энергетические соотношения при проектировании фотометрических анализаторов.

Для эффективного преобразования оптических сигналов в электрические в фотометрических приборах параметры оптической системы и свойства фотоприемников должны быть взаимно согласованы, то есть

• спектральный состав измерительного потока излучения должен соответствовать спектральным характеристикам объекта контроля и характеристикам спектральной чувствительности приемника;

• величина потока, падающего на приемник должна быть достаточна для нормальной работы электронных узлов прибора;

• спектральные свойства приемника – соответствовать спектру принимаемого излучения;

• скорость ??? потока и временные характеристики приемника – находиться в ??? соотношении.

Рассмотрим распространенный при применении оптико-электронных приборов случай, когда линейные размеры источника излучения и диаметр входного отверстия оптической системы фотометра значительно меньше расстояния между излучателем и оптической системой. На рис. изображено взаимное расположение излучателя, входного зрачка и приемника.

Обозначим энергетическую яркость излучателя В_э, его площадь S_изл и диаметр входного зрачка Д_вх.

О пределим лучистый поток на поверхности приемника 2. Обозначим отношения

Площадь входного зрачка

Телесный угол, охватываемый входным зрачком

Энергетическая сила света-излучателя

Если обозначить коэффициент пропускания среды и входным отверстием равен τ_с то поток падающий на входной зрачок равен

Положим, что поток излучения Ф_э собирается оптической системой на поверхности приемника. С учетом потерь излучения в оптической системе, поток, достигающий поверхности приемника равен

где τ_с – коэффициент пропускания оптической системы, τ – результирующий коэффициент пропускания.

Выражение () является одним из видов записи основного энергетического уравнения. Оно связывает между собой параметры излучателя и оптической системы с величиной потока на поверхности приемника.

Если яркость В_э постоянна то полный паток излучателя в телесном углу 2π равен

Отношение потоков Ф’ и Ф₀ определяется соотношением

В осветительных системах приборов стремятся использовать поток излучателя наиболее полно. С этой целью источник излучения располагают настолько близко к оптическому компоненту (конденсору), насколько позволяют требования к качеству изображения излучателя и тепловой режим. Отношение потока, проникающего сквозь конденсор ко всему потоку излучателя называется коэффициентом полезного действия. При точечном излучателе К.П.Д. конденсора определяют по формуле

Для угла α=30^о К.П.Д. η составляет 0,069. При источнике с плоским светящемся теле К.П.Д. конденсора примерно вдвое больше.

Более высокими значениями К.П.Д. обладает двухлинзовые, трехлинзовые и зеркально-линзовые конденсоры. Они позволяют увеличить угол α до 50-60^о

Н екоторые светодиоды имеют остронаправленную диаграмму излучения. В этом случае К.П.Д. конденсора может достигать 80-90%, а при использовании лазера почти 100%.

Основное энергетическое уравнение часть используется для определения необходимого диаметра входного зрачка оптической системы. Для этой цели необходимо установить величину минимального потока на поверхности приемника , необходимую для нормальной работы электронной системы прибора. Так как справедливо отношение sin α ≈ Д_вх/2l, то получим

отсюда

Точечный излучатель характеризуют энергетической силой света J_э = В_э∙S_изл.

Поэтому

Пример 1. Минимальное значение Ф_min на поверхности 10^-2лм. Коэффициент пропускания анализируемой среды и оптической системы – 0,5. Яркость света источника 1 лк. Расстояние l = 10см

Для фотометрических приборов более реальным является определение параметров источника излучения при заданном диаметре входного зрачка Д_вх и заданном значении на поверхности приемника.

В случае протяженного излучателя, когда площадь его поверхности больше площади поля зрения прибора, и l››f’, где f’ фокусное расстояние объектива, изображение излучателя получится в плоскости, близкой и фокальной. Видимая площадь излучателя S_изл и площадь его изображения на поверхности приемника S’ относятся как квадраты линейных размеров d излучателя и его изображения d’. Поэтому

Подставляя выражение в () и значение sin² α из () в уравнение () получим

где Д_вх/ f’ – относительное отверстие объектива оптической системы.

Габаритная яркость В_э указывается в справочниках и каталогах источников света. Однако чаще всего в каталогах указывается значение полного светового потока Ф и размеры тела накала dS. В этом случае силу света J_э и яркость В_э для ламп с плоским светящимся телом приближенно находятся по формулам

Ток фотоприемника определяется соотношением

где S_I – интегральная чувствительность приемника по току.

Согласование элементов фотометрической системы по спектральным свойствам

Среди величин, входящих в выражение () для основного энергетического уравнения, особое место занимает интегральная чувствительность S_I. Общее правило согласования излучателя, спектральных характеристик поглощения (пропускания) среды, оптической системы (светофильтра) и фотоприемника сводится к тому, что спектральные характеристики излучателя, оптической системы и приемника должны быть близкими. Поскольку обычно спектральные характеристики основных элементов системы неодинаковы, необходимо сближать эти свойства одним из следующих способов:

1. производить расчет и непосредственный подбор элементов системы по заданному спектральному диапазону прибора;

2. выделять необходимый интервал длин из спектра излучения;

3. применять преобразования спектра излучателя.

Спектральные свойства излучателей и приемников устанавливаются опытным путем.

Основные характеристики приемника измеряются при интегральном облучении от эталонного источника. Поэтому соответствующее значение чувствительности, определяющее меру реакции приемника на сложный поток, называют интегральным. Приводимые в паспортах приемников значения интегральной чувствительности обычно определяются для следующих эталонных источников:

• для видимой области – источник типа А(2855,6К0), В(4800К), С(6500К);

• для инфракрасной области – абсолютно черное тело с температурами 100 ^оС, 300 ^оС, 500К и 1273К.

Этих сведений, как правило оказывается недостаточно. Поэтому при проектировании оптико-электрнонных приборов часть пользуются, на ряду с энергетическими характеристиками излучения, так называемыми эффективными характеристиками (единицами), учитывающими спектральный состав излучения (рис.).

Поток, эффективно воспринимаемый приемником излучения равен

где Ф_э – энергетический поток, излучаемый источником во всем спектральном диапазоне; ξ – коэффициент использования потока, показывающий какая доля потока воспринимается приемником; Ф_эλ – спектральная плотность потока

Коэффициент ξ определяется из соотношения

где φ(λ) = Ф_эλ/Ф_эmax – относительное спектральное распределение; Ф_эmax – максимальное значение спектральной плотности потока; k(λ) – относительное спектральное распределение чувствительности приемника излучения.

k(λ) = S(λ)/S_max,

где S(λ) – спектральная дифференциальная чувствительность приемника; S_max – максимальное значение этой величины.

Габаритный расчет оптической системы фотометрических анализаторов

При определении основных энергетических соотношениях не учитывались расположения фотоприемника, его размеры и форма, а так же линейные размеры излучателя. Предполагалось, что весь поток, проникающий во входное отверстие оптической системы, собирается на чувствительной поверхности приемника. Для того, чтоб это условие соблюдалось, необходимо обеспечить определенные размеры элементов оптической системы и установить расстояния между ними. Оптические системы фотометров предназначены для формирования входного светового пучка определенных размеров и интенсивности, для облучения анализируемого вещества в кювете, восприятие потока, прошедшего кювету и подачу его на поверхность приемника. В зависимости от сложности оптической системы фотометры могут быть выполнены с одним или с двумя компонентами.

Оптическая система с одним компонентом – конденсором

Схема с одним оптическим компонентом (конденсором) используется в простых измерителях поглощения типа ЛМФ – 69, ФАН.

Объектив формирует параллельный или слегка сходящийся пучок, который просвечивает образец (кювету с раствором). Объектив формирует в пространстве изображение излучателя с размерами a′×b′. Для полного использования потока необходимо выполнить условия а′≤е; b′≤h.

Требуемое линейное увеличение объектива равно

Подставляя а′≤е получим расстояние до приемника

Расстояние ℓ может быть задано, исходя из назначения и применения прибора.

Фокусное расстояние объектива определяется соотношением

Диаметр входного зрачка определяется из выражения ()

При выбранном диаметре зрачка Д_вх телесный угол ω равен

При использовании схемы с одним компонентом источник излучения устанавливают в ??? плоскости компонента (конденсора) на расстоянии f, если стремятся получить параллельный пучок света, либо на расстоянии, немного превышающем фокусное расстояние, если надо получить сходящийся пучок.

К оптическим системам предъявляют требования, которые невозможно обеспечить в схеме с одним компонентом. В таких случаях оптическую схему приходится усложнять.

Оптическая система с двумя компонентами.

В зависимости от назначения системы существует несколько вариантов схем с двумя компонентами. Один из вариантов схемы с двумя компонентами, предназначен для просвечивания объектов измерения приведена на рисунке. Схема состоит из излучателя – 1; объектива – 2; кюветной системы – 3; коллектива – 4, воспринимающего световой поток, прошедший кювету и приемника – 5. Для получения параллельного пучка света источник располагается в фокальной плоскости объектива.

При расчете схемы обычно задаются: размером рабочей камеры d; диаметром просвечивающего пучка Д_св, минимальным потоком на поверхности фотоприемника , наименьший линейный размер поверхности фотоприемника ℓ, максимальная оптическая плотность Д или коэффициент пропускания τ.

Необходимо как правило подобрать лампу накаливания и определить размеры системы. Все необходимые расчетные соотношения проиллюстрируем на конкретном примере [].

Пример расчета. Для расчета фотометрического прибора заданы: d=50мм Д_св=25мм, =10^-5лм, ℓ=20мм, Д=4(τ=10^-4).

Исходя из заданных условий выбираем Д_свх=25мм. Установим ориентировочно фокусное расстояние f₁=40мм. Требуемую силу света определим из выражения

По каталогу выбираем лампу накаливания СУ – 75: сила света J=4кд, размер тела накаливания аb=1,2 1,2мм, диаметр колбы 33мм, потребляемая мощность – 4Вт.

Заметим, что размер колбы и небольшая мощность лампы позволяет располагать ее на выбранном ориентировочно расстоянии 40мм. При этом имеется возможность увеличить передний апертурный угол α, выбрав другое фокусное расстояние конденсора.

Расстояние между коллективом и фотоприемником определяется соотношением

Фокусное расстояние коллектива равно

Наиболее удаленная от оптической оси точка поверхности излучателя (точка В) создает параллельный пучок, направление оси которого составляет угол  с оптической осью. Ось пучка пересекает оптическую ось у поверхности приемника. Сечение всех пучков на поверхности фотоприемника сольются в одно светлое пятно, но при этом необходимо увеличить диаметр коллектива.

Угол  определяется соотношением

Диаметр коллектива

Общая длина системы

Расчет входных цепей фотометрических анализаторов

Выбор фотоприемника осуществляется из условия обеспечения требуемого отношения сигнала к шуму. Так, например, при измерении параметров объекта с погрешностью, менее 1% необходимо превышения сигнала над шумом примерно в 100 раз.

Отношение сигнала к шуму определяется отношением максимального (или действующего) напряжение сигнала к действующему (среднеквадратическому) напряжению шума.

Для характеристик приемника а так же всего фотометрического устройства используют понятие порог чувствительность.

Порогом чувствительности называется наименьший поток Ф_пор, который вызывает появление сигнала U_cmin, превышающего действующее напряжение шумов U_д.ш. в определенное число раз ().

Необходимое минимальное напряжение сигнала

Сопоставляя формулу () и (), найдем значение порога чувствительности (Вт)

Величина порога чувствительности зависит от полосы частот пропускания прибора и геометрических размеров приемника излучения. Установлено, что порог чувствительности прямо-пропорционален корню квадратному из площади чувствительной поверхности приемника.

Для сопоставления свойств приемника имеющего различную площадь чувствительного слоя, а так же работающих в устройствах с различной полосой пропускания, порог чувствительности можно определить относительно эффективной полосы пропускания 1Гц и площади 1см²

Эту величину называют удельным пороговым потоком [Вт/(смГц)^1/2] иногда используют величину, обратную - удельную обнаружительную способность Д=1/ [(смГц)^1/2/Вт]. Для оценки шумовых свойств усилителей и других устройств используется коэффициент шума

Где Р_с/Р_ш – отношение мощности сигналов к мощности шума на входе (Р_с/Р_ш)_вх и на выходе (Р_с/Р_ш)_вых поскольку выходная мощность сигнала

К_м – коэффициент усиления мощности при данной полосе частот, а выходная мощности шумов

где Р_ш.соб – выходная мощность собственных шумов усилителя, то коэффициент шума

Отношение (Р_ш.соб)_вых/k рассматривается как величина собственных шумов усилителя, приведенная ко входу.

Величина (Р_ш)_вх мощность шумов на входе неизвестна и зависит от типа приемника и входной цепи его согласовании с усилителем. Принято считать, что (Р_ш)_вх является мощностью тепловых шумов внутреннего сопротивления источника сигнала.

Квадрат действующего напряжения источника входных шумов

Где Т – абсолютная температура, К; К = 1,3810^-23ДжК^-1 – постоянная Больцмана; R_U – внутреннее сопротивление источника сигнала.

Для температуры Т=300К выражение () примет вид

Поскольку (Р_ш)_вх= , то справедливо соотношение

Используя выражения (), (), () получим формулу для оценки действующего значения напряжения шумов усилителя.

Входные цепи и предварительные усилители

Приемник фотометрического прибора является источником электрического сигнала в электронном тракте прибора. Его можно представить в виде эквивалентного генератора с Э.Д.С. сигнала Е_с и Э.Д.С. шума Е_ш с внутренним сопротивлением R_U, погруженного на сопротивление нагрузки R_H (рис. ).

Рис. Схема подключения нагрузки R_H к источнику сигнала

а – с прямым соединением, б – с согласующим трансформатором

Наибольшая мощность сигнала, выделяющаяся в нагрузке

Будет получена при равенстве R_H = R_U.

Однако в реальных случаях в зависимости от типа приемника могут практически встречаться все три возможных соотношения между R_H и R_U: R_H≈R_U, R_H << R_U, R_H >> R_U.

При использовании приемников с малым внутренним сопротивлением R_U при переменном сигнале можно достичь нужного согласования путем применения трансформатора (рис. ,б). Входное сопротивление трансформатора (между точками а и б на рис. , б) с учетом его коэффициента полезного действия η и коэффициента трансформации n

Кроме необходимого согласования во входной цепи так же обеспечивают определенную избирательность и, по возможности, повышение отношения сигнала к шуму. При слабых сигналах и больших внутренних сопротивлениях приемника чаще всего используется резистивно-емкостная входная цепь.

На рис. эта цепь представлена для постоянного или переменно изменяющегося тока (с частотой доли Гц) и для переменного тока (с частотой десятки Гц).

Для изучения действия входной цепи и определение параметров, характеризующих ее работу, целесообразно разделить приемники на три группы, которые существенно отличаются порядком величины R_U. К первой группе относятся фотоумножители и фотоэлементы с внешним фотоэффектом, ко второй – фоторезисторы и фотодиоды, к третей – низкоомные болометры и термоэлементы.

Фотоумножители и фотоэлементы

Внутреннее сопротивление фотоприемников первой группы настолько велико, что ток приемника практически не зависит от параметров входной цепи. Эти приемники представляют собой генераторы тока.

Напряжение на нагрузке приемника

где J_т – темновой ток, J_ф – полезный фототок.

Напряжение сигнала на нагрузке R_H

Чувствительность приемника по напряжению

зависит от сопротивления нагрузки.

Кроме повышения уровня сигнала, с увеличением R_H можно пренебречь влиянием тепловых шумов. С увеличением R_H необходимо так же обеспечивать большие значения R_р и R_вх. Сопротивление R_H рассчитывается по формуле

где U_нmin – минимальное значение регистрируемого напряжения, Ф_min – минимальный световой поток, облучающий приемник.

При слабых сигналах величина Ф_min определяется уровнем шумов. Фототок такого сигнала J_ф<<J_т, и для определения уровней шумов достаточно учесть темновой ток J_т и входной ток усилителя J_т.

Спектральная плотность квадрата действующего значения шумового тока равна

где е=1,610^-19Кл – заряд электрона, К_ФЭУ – коэффициент усиления ФЭУ, k'=2,5 – добавочный множитель, зависящий от случайных колебаний тока, возникающих на диодах ФЭУ, f – полоса частот, для которой определяется значение J_f.

Задаваясь значением отношения сигнала к помехе , пороговая величина потока излучения определяется из соотношения

Эффективная полоса пропускания входной цепи должна соответствовать спектру сигнала

Сопротивление R_р выбирается большим или равным сопротивлению входной цепи R а емкость С_р определяется из выражения

где f_Н – наименьшая частота пропускаемого входной цепью спектра сигнала, R_H = R_р  R_вх – сопротивление, равное сопротивлению параллельного соединения R_р и R_вх.

Пример расчета. При регистрации слабого постоянного потока Ф=10^-9лм необходимо получить напряжение на нагрузке U_cmin=10мВ при отношении сигнала к шуму =100.

Для регистрации используется фотоумножитель с параметрами:

• Интегральная чувствительность – S_I=10 А/Лм;

• Темновой ток J_T=210^-7А;

• Коэффициент усиления К_ФЭУ=2,510⁵; К'=2,5;

• Входной ток усилителя J_вх<<J_T.

Рассчитываем спектральную плотность

Эффективная полоса пропускания

Сопротивление входной цепи

Емкость входной цепи

При модулированном сигнале сравнительно высокой частоты и узким спектром избирательность обеспечивается не во входной цепи, а в усилителе и при детектировании.

При использовании в качестве приемника фотоэлементов применимы вышеприведенные соотношения для расчета входной цепи, если считать К_ФЭУ=k'=1.

Фоторезисторы и фотодиоды

В

R_Ф

В темноте по цепи протекает ток

У

Рис. Схема цепи фоторезистора.

При уровнях облучения, соизмеримых с пороговыми, основным является не согласование по мощности, а обеспечение наибольшего отношения сигнала к шуму. С этой целью в фоторезисторе создается начальный ток, соответствующий минимальному уровню шума (для фоторезистора ФСА – 1 – порядка десятков мкА).сопротивление нагрузки R_Н выбирается из условия

R_Н > R_Ф ≈ R_Т

При выбранном значении R_Н и начальном токе J_T напряжение питания цепи приемника равно

При слабом потоке и равных значениях R_Н и R_Т напряжение на фоторезисторе U_фс=Е/2/

Приращение фототока равно

где S_{I ур} – удельная интегральная чувствительность фотосопротивления

Напряжение сигнала на нагрузке

При согласовании с темновым сопротивлением R_Т чувствительность по напряжению равна

Например, для фоторезистора ФСА – 1 с параметрами:

• Удельная чувствительность S_{J уд}=510^-4 А/лм;

• Темновое сопротивление R_Т=10⁵;

• Напряжение питания Е=10В.

Чувствительность по напряжению составляет S_U=250 В/лм.

При относительно сложных потоках порядка 10^-4÷10^-3лм имеют место значительные изменения на нагрузке R_Н и фоторезисторе. В этом случае приближенно напряжение на нагрузке R_Н равно

Пример расчета. Исходные данные: удельная интегральная чувствительность фоторезистора ФС-Д1 S_{J уд}=30мА/Влм, темновое сопротивление R_Т=2Мом. При напряжении питания Е=100В, сопротивление нагрузки R_Н=100Ком и световом потоке Ф=10^-4лм определим произведение S_{J уд} R_Н Ф=30мА/Влм210⁶Ом10^-4лм=6. Для этого значения (S_{J уд} R_НФ) по формуле (или по графику) значение U_H/E составляет 0,86. напряжение на нагрузке при Е=100В U_H=86В.

Выбор сопротивления нагрузки при использовании в качестве фотоприемника фотодиоды производится на основе вольтамперных характеристик фотодиода, снятых при различных освещенностях Е_V. Поток определяется из выражения Ф= Е_VS_пр, где S_пр – площадь светочувствительной поверхности фотодиода (приводится в справочниках).

Если сопротивление R_Н не очень велико, то приращение тока фотодиода мало зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому на рабочем участке характеристики приращения тока

Приращение напряжения на нагрузке

Шума фотодиода при малых световых потоках оказываются достаточно большими. Поэтому фотодиоды используют для регистрации достаточно больших освещенностей.

42