Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
Для уменьшения переходного сопротивления электрод–кожа
стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей,
используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод–кожа, т. е. увеличив размер электрода.
По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы:
– для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы;
– для длительного использования, например при постоянном
наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;
– для использования на подвижных обследуемых, например
в спортивной или космической медицине;
– для экстренного применения, например в условиях скорой
помощи.
В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов.
Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными
резиновыми лентами прикрепляют электроды – металлические пластинки с клеммами 1 (рис. 1.4), в которые вставляют и закрепляют
штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электроды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2.
Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет
клемму для штыря кабеля отведений.
Рис. 1.4. Устройство некоторых электродов
В микроэлектродной практике используют стеклянные микроэлектроды. Профиль такого электрода изображен на рис. 1.4, кончик
его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолятором,
внутри находится проводник в виде электролита. Изготовление микроэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности,
однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки
и проводить внутриклеточные исследования.
11
1.2.2. Устройства съема в медицинском аппарате. Датчики
Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую
или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которому подведена измерительная величина, т. е. первый в измерительной цепи,
называется первичным.
В рамках медицинской электроники рассматриваются только
такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.
Использование электрического сигнала предпочтительнее, чем
иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать.
Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.
Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток.
Параметрические – это датчики, в которых под воздействием
измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр:
1) емкостные, емкость;
2) реостатные, омическое сопротивление;
3) индуктивные, индуктивность или взаимную индуктивность.
В зависимости от энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.
В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) – для измерения перемещения или деформации и т. д.
Характеристика датчика – функциональная зависимость вы-
ходной величины α от входной X (описывается аналитически или графически).
Обычно стремятся иметь датчик с линейной характеристикой
α = kХ, где k – постоянный коэффициент.
Чувствительность датчика S – отношение изменения выход-
ной величины к соответствующему изменению входной величины:
S = α /Х.
Предел датчика – максимальное значение входной величины,
которое может быть воспринято датчиком без искажения и без повреждения датчика.
12
Порог датчика – минимальное изменение входной величины,
Рис. 1.5. Конструкция датчика
которое можно обнаружить датчиком.
При работе с датчиками следует учитывать возможные специфические для них погрешности. Причинами погрешностей могут быть:
– температурная зависимость функции преобразования;
– гистерезис – запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых
процессов в датчике;
– непостоянство функции преобразования во времени;
– обратное воздействие датчика на биологическую систему,
приводящее к изменению показаний;
– инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др.
Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма разнообразна: от простейших (типа термопары) до сложных допплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания – реостатный (резистивный).
Этот датчик (рис. 1.5) выполнен в виде резиновой трубки 1,
которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов трубки
вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от
внешнего источника 4.
Если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно
делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную
клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе – сокращается. При этом изменяется электрический контакт между частицами
угольного порошка и соответственно изменяется сопротивление датчика. Сила тока в цепи будет изменяться, что можно зафиксировать,
используя соответствующую измерительную схему.
В заключение отметим, что датчики являются техническими
аналогами рецепторов биологических систем.
13
1.2.3. Усилители
В состав многих медицинских электронных приборов и аппаратов входят усилители. Их применяют для увеличения амплитуды
слабых сигналов в системах, регистрирующих медико-биологическую
информацию [4].
Усилитель электрических сигналов (электронный усилитель) –
устройство, увеличивающее амплитуду этих сигналов без изменения
их формы за счет постороннего источника электрической энергии.
Усилители могут создаваться на основе различных элементов
(транзисторы, триоды и др.), однако в общих чертах их можно представить одинаково. Они имеют вход, на который подается усиливаемый электрический сигнал, и выход, с которого снимается усиленный
сигнал.
В зависимости от целей усилители классифицируются по
напряжению, силе тока, мощности.
Усилители должны обеспечить без существенных искажений
усиление снимаемых с помощью электродов биопотенциалов для их
последующей регистрации. В зависимости от назначения прибора
применяется один или несколько каналов усиления, представляющих
собой, как правило, идентичные усилители.
В зависимости от назначения прибора коэффициент усиления
находится в пределах от 10 000 (электрокардиограф) до 200 000 (электроэнцефалограф). Такое усиление достигается применением нескольких каскадов усиления (до 5–6).
Усилитель может быть выполнен в виде отдельного блока или
входить в состав медицинского прибора (см. рис. 1.2). В последнем
случае сигнал от датчика поступает на усилитель. Усиленный сигнал
поступает на устройство, преобразующее электрический сигнал к виду, пригодному для отображения, а затем на устройство отображения
информации, например на жидкокристаллический дисплей.
Любой периодический сигнал может быть представлен в виде
суммы синусоидальных сигналов, частоты которых кратны его частоте. По этой причине все свойства усилителя изучаются для гармонических сигналов с различными частотами и амплитудами.
Важнейшими характеристиками усилителя являются коэффициент усиления и полоса пропускания.
Количественной оценкой самого эффекта усиления является
коэффициент усиления, который равен отношению амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного гармонического сигнала:
14
K=U
Рис. 1.6. Вид частотной характеристики
. (1.2)
вых/Uвх
Эту величину определяют по экспериментальной амплитудной
характеристике усилителя.
Амплитудная характеристика усилителя – зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного гармонического сигнала.
Для усилителя по напряжению амплитудная характеристика
представляется зависимостью
U
=f(Uвх). (1.3)
mвых
Для неизменности формы сигнала коэффициент усиления
должен быть одинаков в диапазоне возможных значений амплитуд
входного сигнала. Этому требованию соответствует линейный участок амплитудной характеристики, выделенный сплошной линией. По
линейному участку и определяется коэффициент усиления.
При усилении сигнала сложной формы в его спектре могут
оказаться гармоники, амплитуды которых выходят за границы рабочего участка (U1, U2). В этом случае форма выходного сигнала будет
отличаться от формы входного, т. е. возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.
Отметим, что при разработке медицинских приборов возможные
амплитуды входных сигналов, как правило, известны. Поэтому амплитудные искажения сводятся к минимуму конструктивными методами.
В состав усилителей входят реактивные элементы (катушки
индуктивности и конденсаторы), сопротивления которых зависят от
частоты, поэтому зависит от частоты и коэффициент усиления. Эта
зависимость называется частотной характеристикой усилителя.
Частотная характеристика усилителя – зависимость коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала: К = f(v) [5].
Примерный вид частотной характеристики показан на рис. 1.6.
15
Для удобства регистрации биопотенциалов с различной амплитудой в приборах предусматривается ступенчатая, а и иногда и
плавная регулировка усиления. Зависимость коэффициента усиления
от частоты определяется частотным спектром усиливаемых потенциалов. Коэффициент усиления должен быть постоянным в диапазоне
частот, в котором лежат основные частотные составляющие биопотенциалов. В противном случае возникают частотные искажения формы биопотенциалов (частотные искажения, также как фазовые, определяющие изменение фазы усиливаемого сигнала в зависимости от
частоты, называют линейными искажениями).
В большинстве приборов применяются усилители переменного тока, имеющие нижнюю граничную частоту амплитудно-частотной
характеристики десятые доли герца, т. е. не усиливающие постоянные
напряжения. В ряде случаев, например в электрогастрографах, применяются усилители постоянного тока. Верхняя граничная частота амплитудно-частотной характеристики составляет от сотен (электрокардиографы) до тысяч герц (электроэнцефалографы).
Для того чтобы исключить мешающие биопотенциалы других
органов, например биотоки скелетных мышц при электроэнцефалографии, или выделить определенную часть спектра регистрируемых
биопотенциалов, в усилителе может иметься регулировка как нижней,
так и верхней граничной частоты полосы пропускания. Если биопотенциалы имеют выраженную основную частоту колебаний, как это,
например, имеет место при регистрации биоэлектрической активности
желудка, то применяется избирательный усилитель, усиливающий
напряжения в узкой полосе частот.
Одной из важнейших характеристик прибора для регистрации
биопотенциалов является его помехоустойчивость. Помехи при регистрации биопотенциалов в зависимости от места их появления могут
быть разбиты на две группы — внутренние и внешние.
К внутренним помехам относятся тепловые шумы усилителя,
вызванные хаотическим движением электронов в резисторах и нестационарными процессами в электронных лампах и транзисторах; фон
с частотой питающей сети, источниками которого могут быть пульсация питающих усилитель напряжений или наводки от переменного
магнитного поля, создаваемого силовым трансформатором. Меры
борьбы с внутренними помехами заключаются в выборе малошумящих элементов, тщательной фильтрации питающих напряжений, рациональном конструировании усилителя и всего прибора в целом.
16
Внешние помехи, в свою очередь, могут быть подразделены на
помехи от биопотенциалов тканей и органов, не относящихся к изучаемому процессу; помехи, вызываемые электрохимическими процессами на электродах, и, наконец, помехи, создаваемые внешними электрическими, магнитными и электромагнитными полями. Первые два
вида внешних помех иногда называют «артефактами», т. е. случайными непредусмотренными эффектами в объекте измерений и связанной
с ним частью измерительной цепи. Значительные помехи может вызвать биоэлектрическая активность мышечных тканей при их непроизвольном сокращении, дрожании. Основная мера по уменьшению
мышечных биопотенциалов – полное расслабление скелетных мышц.
Как правило, пациент должен находиться в лежачем положении, его
следует предупредить, что он должен лежать удобно, без напряжения,
полностью расслабившись, не должен разговаривать [3].
1.2.4. Устройства отображения и регистрации медицинской
информации. Регистраторы
С выхода усилителя усиленные биопотенциалы поступают на регистратор. Устройства отображения и регистрации медицинской информации позволяют получать в графической или иной форме характеристики параметров контролируемого объекта. Устройства отображения осуществляют временное представление информации, а
устройства регистрации позволяют длительное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки
и более глубокого анализа. Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства применяются для представления информации об
изменении одного или нескольких параметров, которые желательно
контролировать непрерывно (например, при регистрации ЭКГ). Действие аналоговых устройств отображения и регистрации медицинской
информации основано на общем принципе действия постоянного магнитного поля на проводник с током.
Все большее значение сейчас приобретают цифровые способы
записи информации. При этом роль регистратора выполняет электронная память компьютера. Для этого сигнал усилителя преобразуется в цифровой код. Частота дискретизации берется такой, чтобы по
мгновенным выборкам напряжения можно было бы восстановить
форму интересующих кривых изменения потенциала. При таком подходе к выходу усилителя биопотенциалов подключается аналогоцифровой преобразователь (АЦП). Его сигналы через соответствую-
17
щий интерфейс вводятся в память компьютера. Из нее информация
может быть выведена на экран монитора или подвергнута соответствующей обработке.
Устройства отображения медицинской информации в кардиомониторах должны отражать состояние сердечной деятельности, а
также вспомогательные сведения о больном и технические данные о
работе кардиомонитора. Таким образом, отображенные данные включают:
– априорные данные о больном (фамилия, имя и отчество, номер истории болезни, возраст, пол, дата поступления, анамнез, предварительный диагноз);
– электрокардиосигнал (должен сопровождаться индикацией
скорости движения изображения и калибровочным импульсом);
– значения параметров ритма сердца (частота сердечных сокращений, частота экстрасистол, параметры распределения RRинтервалов);
– результаты автоматического анализа аритмий (должны отображаться словами диапазона в той или иной формулировке, принятой
для конкретного типа кардиомониторов);
– сигнализацию тревоги при появлении опасных аритмий
(обычно индуцируется цветом светового табло с дифференциацией
степени опасности);
– текущее время, время появления событий и время начала
проводимой терапии и других мероприятий;
– сигнализацию обнаружения QRS-комплекса;
– состояние прохождения сигналов управления и контроля работоспособности прибора;
– сведения о нарушении работы кардиомонитора и локализации неисправности.
Отображаемая информация может носить временный – оперативный – характер, когда предыдущая информация стирается при появлении новой, и характер накопления данных за определенные интервалы времени. В последнем случае устройство отображения должно содержать или использовать внешнее устройство памяти для хранения данных [3, 6].
18
1.3. Основные характеристики медицинского прибора
Диапазон прибора – полный набор значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор в нормальном режиме функционирования.
Для прибора, измеряющего физиологические показатели, диапазон простирается от наименьшего значения показателя, которое прибор способен точно измерять, до наибольшего. Например, для монитора
ритма сердца диапазон – от 0 до 250 ударов в минуту. При этом можно
ожидать, что такой прибор будет правильно измерять и указывать любое значение ритма сердца между этими двумя пределами.
Существует два толкования термина «чувствительность», которые используются для описания медицинских приборов. Прежде
всего, это способность прибора измерять и обнаруживать малые изменения измеряемых показателей. Более чувствительный прибор способен обнаруживать и отображать меньшие изменения показателя, чем
менее чувствительный. Чувствительность прибора частично зависит
от разрешения дисплея. Разрешение – это способность индицировать
наименьшие изменения, которые могут быть считаны с дисплея.
Например, если в качестве дисплея используется стрелочный
прибор, то прибор, имеющий большую шкалу с хорошо различимыми
рисками между цифрами, позволяет производить отсчеты значительно
точнее, чем прибор с небольшим стрелочным индикатором, и, следовательно, имеет более высокое разрешение.
Точность прибора – это его способность точно указывать истинное значение измеряемого показателя. Точность означает также
отсутствие ошибок, хотя она иногда выражается через максимальную
ошибку, которую может допустить прибор.
Ошибка (погрешность) определяется отклонением значения,
указываемого прибором, от истинного значения измеряемого показателя. Точность не надо смешивать с разрешением.
Возможность считывать с цифрового дисплея отсчеты с четырьмя цифрами еще не гарантирует, что точность прибора будет высока.
Калибровкой называется процедура, с помощью которой прибор настраивают так, чтобы его показания как можно точнее соответствовали истинным измеряемым значениям. Иногда калибровка выполняется с помощью измерения величин, истинные значения которых известны точно, и соответствующей регулировки прибора. Приборы другого типа калибруют, сравнивая показания прибора с показа-
19
ниями другого прибора, который служит образцом, эталоном или
стандартом.
Калибровка одних приборов производится легко, а для калибровки других необходимо выполнить трудные и длительные процедуры. Соответствующая калибровка прибора значительно повышает его
точность.
Однажды откалиброванный прибор будет сохранять точность
лишь такой период времени, в течение которого не происходит отклонений от условий калибровки. Постепенное ухудшение точности после калибровки называется дрейфом прибора. Стабильность прибора –
это его способность сохранять точность в течение заданного времени
после калибровки. Стабильный инструмент редко требует повторной
калибровки, а прибор с плохой стабильностью необходимо калибровать часто.
Одни физиологические показатели изменяют свои значения
быстро, а другие медленно. Многие показатели, такие как ЭКГ, отражают
и быстрые, и медленные изменения. Поэтому медицинский прибор должен отслеживать быстрые и медленные изменения. Сложный процесс
можно охарактеризовать диапазоном или полосой частот. Достаточно
установить, что частота выражается в циклах в секунду или герцах (Гц) и
что полоса частот, в котором прибор способен отслеживать изменения
измеряемой величины, составляет его частотный диапазон.
Таким образом, частотный диапазон прибора должен соответствовать полосе частот, в которую попадают все изменения измеряемой величины. Это основное условие адекватного представления показателя [6].
1.4. Надежность медицинской аппаратуры
Медицинская аппаратура должна нормально функционировать.
Это требование, однако, не всегда выполняется, точнее, такое требование не может выполняться сколь угодно долго, если не принимать специальных мер. Врач, использующий медицинскую аппаратуру, должен
иметь представление о вероятности отказа эксплуатируемого изделия,
т. е. о вероятности порчи прибора (аппарата) или его частей, превышения или понижения допустимых параметров. Устройство, не отвечающее техническим условиям, становится неработоспособным. Отремонтировав, его можно сделать вновь работоспособным. Во многих случаях достаточно заменить лампу или резистор, чтобы изделие вновь
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]