Введение

Современная медицина немыслима без использования разнообразных технических средств, причем при разработке и конструировании медицинских аппаратов, систем и комплексов используются самые последние достижения, полученные в физике, математике, механике, электронике, вычислительной технике и других отраслях человеческих знаний.

Значительную роль в обеспечении широких функциональных возможностей и высокой надежности средств медицинской техники играет используемая элементная база.

Из-за огромного многообразия схемотехнических решений, используемых в медицинском приборостроении, в настоящее время мало книг, в которых с достаточной полнотой изложены хотя бы основные технические решения, используемые при построении элементов и узлов современных медицинских приборов, аппаратов, систем и комплексов.

Поэтому издание учебных пособий, где достаточно полно описывается схемотехника медицинского приборостроения, является актуальной задачей. Объектом изучения предлагаемого учебного пособия являются различные типы биоусилителей, узлы математической обработки биологических сигналов, вторичные источники питания, интерфейсы для подключения элементов и узлов медицинской техники к ПЭВМ и другое электронное оборудование, используемое для построения диагностической и терапевтической техники.

В историческом аспекте современное представление об электричестве в значительной мере связано с биомедициной, когда задолго до законов Ома и Фарадея Л. Гальвани наблюдал форму электрического разряда, которую он связывал с генерированием тока биологической тканью. Значительным толчком в применении технических средств в медицине стало изобретение электрокардиографии (О. Уолтер, 1865г. и В. Эйнховен, 1893г.). Благодаря достижениям в области проектирования биомедицинских электронных систем, целый ряд физиологов был удостоен Нобелевской премии.

С развитием средств электроники, микроэлектроники и вычислительной техники в медицинском приборостроении произошел переход к высоким медицинским технологиям, давшим в руки исследователей аппараты, системы и комплексы, позволяющие всесторонне изучать функционирование различных подсистем человека от клетки и ее структуры до функциональных систем и организма в целом. Появились новые способы лечения, вплоть до замещения утраченных функций и даже отдельных органов.

Учебное пособие написано с учетом того, что обучающиеся уже изучили дисциплины «Общая электротехника», «Электроника и микропроцессорная техника» и «Измерительные преобразователи и электроды».

После прочтения предлагаемого пособия обучающиеся могут приступать к изучению дисциплин «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы», «Проектирование диагностической терапевтической техники».

Глава 1. Усилители биопотенциалов

При регистрации биопотенциалов их источником служат живые объекты, которые могут быть представлены эквивалентными электрическими генераторами. Хорошо известно, что свойства любого электрического генератора определяются характером изменения регистрируемого сигнала во времени и его внутренним сопротивлением. Уровень потенциалов столь слабый, что для обеспечения возможности их регистрации или анализа необходим усилитель, который известен как усилитель биопотенциалов (УБП). Усилители биопотенциалов являются наиболее распространенными узлами современной диагностической аппаратуры, работающими, в отличие от большинства технических систем, в достаточно сложных условиях, связанных с особенностями биообъектов. Эти условия обусловлены тем, что в отводимом с помощью электродов сигнале вместе с полезной составляющей порядка 1мВ (и ниже) присутствуют инфранизкочастотная составляющая (до 300 мВ) и синусоидальная помеха (до 10-20 В) частотой 50 Гц от силовой и осветительной сети. Кроме того, источником шума может выступать сам усилитель как устройство, обладающее высокой чувствительностью и содержащее на входе активные элементы.

Борьба с помехами от силовой сети облегчается тем, что вследствие относительно хорошей электропроводности биологических структур потенциал помехи практически одинаков (синфазен) во всех точках объекта, и его можно подавить (значительно ослабить) путем дифференциального съема полезного сигнала. Задачи подавления других помех и обеспечение низкого уровня собственных шумов усилителя биопотенциалов являются наиболее специфическими и важными при проектировании УБП.

Решение отмеченных задач осложняется тем, что к входным зажимам УБП могут быть подключены дополнительные устройства, обеспечивающие его нормальное функционирование в различных вариантах его применения. В общем случае к этим устройствам относятся: кабель отведений, подавитель синфазных помех, переключатель отведений, калибратор амплитуды, детектор плохого контакта в системе отведений, буферные электродные усилители. При необходимости к входу УБП (например, для электрокардиографии) могут подключаться схема защиты от воздействия импульсов дефибриллятора или выделитель артефакта стимулирующего импульса и т.п. Поэтому важнейшим становится вопрос обеспечения согласования входной цепи УБП с источником возбуждения – эквивалентным генератором.

Отмеченные особенности ставят перед разработчиками устройств согласования биологического объекта и технических средств съема и регистрации биопотенциалов ряд проблем, которые будут рассмотрены в данном разделе.