Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
функционировало нормально, однако может быть и так, что аппаратура
оказывается настолько устаревшей и изношенной, что экономически
нецелесообразно ее ремонтировать (восстанавливать). В связи с этим
медицинский персонал должен иметь представление о ремонтопригодности аппаратуры и долговечности ее частей. Способность изделия не
отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять
свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином «надежность». Проблема надежности
особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только к экономическим потерям, но и к гибели пациентов. Способность аппаратуры к безотказной работе зависит от многих
причин, учесть действие которых практически невозможно, поэтому
количественная оценка надежности имеет вероятностный характер. Так,
например, важным параметром является вероятность безотказной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа N работающих (не испортившихся) за время t изделий к общему числу N0 испытывавшихся изделий:
P(t)=N(t)/N0. (1.4)
Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени.
При проведении процедур с использованием электродов,
наложенных на пациента, трудно предусмотреть множество вариантов
создания электроопасной ситуации, поэтому следует четко следовать
инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких-либо
отступлений от нее.
Другим количественным показателем надежности является интенсивность отказов. В зависимости от возможных последствий отказа
в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса:
А – изделия, отказ которых представляет непосредственную
опасность для жизни пациента или персонала. К изделиям этого класса относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями больного, аппараты искусственного дыхания и кровообращения.
Б – изделия, отказ которых вызывает искажение информации о
состоянии организма или окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала, либо вызывает необходимость немедленного использования аналогичного по
функциональному назначению изделия, находящегося в режиме ожи-
21
дания. К таким изделиям относятся системы, следящие за больным,
аппараты стимуляции сердечной деятельности.
В – изделия, отказ которых снижает эффективность или задерживает лечебно-диагностический процесс в некритических ситуациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий
персонал, либо приводит только к материальному ущербу. К этому
классу относится большая часть диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др.
Г – изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электромедицинская аппаратура к этому классу не относится [4].
Тренировочные задания
1. Нарисуйте структурную схему съема, передачи и регистра-
ции медико-биологической информации.
2. Нарисуйте эквивалентную электрическую схему контура,
включающего в себя биологическую систему и электроды.
3. Нарисуйте вид частотной характеристики.
Тестовые задания
1. Медицинский прибор – это:
а) техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений;
б) техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства, а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций;
в) проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой;
г) устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.
2. Электроды – это:
а) техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений;
б) техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства, а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций;
22
в) проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой;
г) устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.
3. Датчиком называется:
а) техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений;
б) техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства, а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций;
в) проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой;
г) устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.
4. Медицинский аппарат – это:
а) техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений;
б) техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства, а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций;
в) проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой;
г) устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.
5. Каждый медицинский прибор для измерения физиологиче-
ских показателей может быть разделен на пять основных частей:
а) устройство съема, усилитель, передатчик, приемник, генератор;
б) устройство съема, усилитель, передатчик, приемник, дисплей;
в) устройство съема, усилитель, передатчик, приемник, регистрирующий прибор;
23
г) устройство съема, усилитель, передатчик, приемник, дисплей, датчик.
6. Генераторные датчики – это датчики:
а) к которым подведена измерительная величина, т. е. первые
в измерительной цепи;
б) которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток;
в) которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал;
г) в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр.
7. Параметрические датчики – это датчики:
а) к которым подведена измерительная величина, т. е. первые
в измерительной цепи;
б) которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток;
в) которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал;
г) в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр.
8. Датчик, к которому подведена измерительная величина, т. е.
первый в измерительной цепи, называется:
а) параметрический;
б) генераторный;
в) первичный;
г) нулевой.
9. Диапазон прибора – это:
а) полный набор значений измеряемой величины, на который
рассчитан прибор в нормальном режиме функционирования;
б) полный набор значений измеряемой величины;
в) отклонение значения измеряемой величины при нормально
режиме функционирования;
г) отклонение значения, указываемого прибором, от истинного
значения измеряемого показателя.
24
10. Надежностью называется:
а) способность индицировать наименьшие изменения, которые
могут быть считаны с дисплея;
б) процедура, с помощью которой прибор настраивают так,
чтобы его показания как можно точнее соответствовали истинным
измеряемым значениям;
в) постепенное ухудшение точности после калибровки;
г) способность изделия не отказывать в работе в заданных
условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени.
25
Глава 2
Параметр
ЭКГ
ЭЭГ
ЭМГ
ЭОГ
КГР
Амплитуда,
мВ
0,1…5,0
0,02…0,3
0,01…1,0
0,02…2
1…100
Полоса
частот, Гц
0,01…2000
0,1…2000
1…10000
0…30
0,05…10
УЗЛЫ СОПРЯЖЕНИЯ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ
С БИООБЪЕКТОМ, РАБОЧИЕ УЗЛЫ
2.1. Входные цепи усилителей биопотенциалов
Электрофизиологические сигналы при различных методах регистрации биопотенциалов измеряются с помощью электродов, расположенных определенным образом на поверхности тела (или введенных внутрь организма) в соответствии с некоторой системой отведений. Источники возбуждения для разных методов различны, разнообразна форма и параметры регистрируемых потенциалов, различны
параметры сигналов, передающих диагностическую информацию о
состоянии организма. Опыт проведения исследований позволяет установить, что двойные амплитуды потенциалов живых объектов лежат
в пределах от 5 мкВ до 120 мВ, диапазон частот – от КГ4 до 103 Гц и
выше. При клинических наблюдениях, контроле за состоянием и в ряде исследований эти диапазоны ограничиваются значениями параметров некоторых биологических сигналов (табл. 2.1). Однако есть ряд
общих особенностей этих источников возбуждения, которые и определяют специфику регистрации биопотенциалов.
Таблица 2.1
Характеристики электрических сигналов для различных
электрофизиологических методов (в узком смысле)
Примечание. ЭКГ – электрокардиография; ЭЭГ – электроэнцефалография; ЭМГ – электромиография; ЭОГ – электроокулография; КГР –
кожно-гальваническая реакция
ческих потенциалов является нестабильность межэлектродного сопротивления, включающего переходные сопротивления систем «кожа –
электролит – электрод». Межэлектродное сопротивление соответству-
Основной особенностью биологических источников электри-
26
ет внутреннему сопротивлению источника возбуждения Rir, в процессе длительного исследования изменяющемуся в пределах 103–106 Ом,
что определяет минимально допустимое значение входного сопротивления усилителя.
При оценке особенностей источника биопотенциалов необходимо также учитывать;
– нестабильность внутреннего сопротивления за счет изменения сопротивлений переходов «кожа – электрод»; при этом приходится считаться с большими значениями межэлектродных сопротивлений, их разбалансом в определенной системе отведений;
– образование на переходах «кожа – электрод» напряжений
поляризации, создающих на входе усилителя напряжения смещения,
которые могут достигать величин ±300 мВ; такое напряжение может
вызвать насыщение усилителя;
– медленный дрейф напряжения поляризации и резкие его изменения при смещениях электродов, вызванных движениями пациента; скачки напряжений создают трудно устранимые электрические
помехи;
– наличие напряжений помех, попадающих на входы УБП
синфазно и противофазно; помехи могут быть биологического (биопотенциалы других, не исследуемых в конкретный момент органов и
мышц) и физического (наведенные на объект напряжения от неэкранированных участков сетевой проводки, сетевых шнуров и других
приборов) происхождения;
– наличие импульсных помех при воздействии на объект терапевтических аппаратов, как, например, в электрокардиографических
исследованиях при использовании кардиостимуляторов или дефибрилляторов.
Перечисленные особенности источника возбуждения в значительной степени определяют построение усилителя биопотенциалов,
особенно их входных цепей. [3]
2.2. Дифференциальные каскады
На входных зажимах усилителей биопотенциалов не допускается наличие напряжения, которое через электроды может оказаться подведенным к объекту исследования, так как оно может вызвать появление неконтролируемых микро- и макротоков. Кроме того, необходимо
подавлять паразитный сигнал среднего уровня (синфазный сигнал, ис-
27
точником которого являются наводки от питающей сети), который по
Рис. 2.1. Типовая электрическая схема входного каскада усилителя
биопотенциалов
величине во много раз может превысить полезный разностный (дифференциальный) сигнал. В качестве меры подавления синфазного сигнала
на входе усилителя применяются дифференциальные каскады (рис. 2.1).
Входной каскад усилителя определяет такие важнейшие точностные параметры, как напряжение смещения нуля, коэффициент
ослабления синфазной составляющей входного напряжения, входные
токи и входное сопротивление.
Для схемы, приведенной на рис. 2.1, при R1=R2 коэффициент
усиления дифференциальных входных напряжений приблизительно
оценивается выражением
(2.1)
28
где rЕ, rс, rB – динамические сопротивления соответственно эмиттера,
коллектора и базы транзисторов; – коэффициент усиления тока
транзисторов в схеме с общим эмиттером.
Дифференциальное напряжение усиливается таким каскадом
более чем в 100 раз. Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется выражением
(2.2)
, поэтому последним можно
Обычно R
намного больше
3
пренебречь.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется
выражением
. (2.3)
В силу важности входного каскада в реальных усилителях
схему (рис. 2.1) подвергают различным усовершенствованиям, например резисторы заменяют источниками тока, обладающими высоким
динамическим сопротивлением при больших токах.
Для улучшения частотных свойств дифференциальных усилителей стабилизируют либо потенциал коллектора транзистора, либо
потенциал базы и т. д. Учитывая, что высококачественные усилители
биопотенциалов должны обладать большим коэффициентом усиления,
их делают многокаскадными.
Применяя дифференциальную схему усилителя, можно избирательно усиливать противофазные потенциалы.
Упрощенная схема дифференциального транзисторного каскада усиления приведена на рис. 2.2 Противофазный сигнал действует
между базами транзисторов Т1, Т 2 . Если в какой-либо момент времени потенциал на базе одного транзистора увеличивает его ток в коллекторной цепи, то потенциал на базе другого транзистора имеет обратный знак по отношению к земле и приводит к уменьшению его
коллекторного тока. В результате между коллекторами транзисторов
будет действовать усиленное напряжение, которое может быть подано
на вход следующего каскада.
29
Рис. 2.2. Схема дифференциального каскада усилителя
При подаче на вход каскада синфазного сигнала он действует на
оба транзистора одинаково. Изменения коллекторного тока будут одинаковыми, и на выходе каскада синфазный сигнал будет равен нулю.
Однако такое положение будет иметь место только в случае идеальной
симметрии левой и правой половин каскада. В реальных условиях добиться хорошей симметрии трудно. Она нарушается при старении элементов, их смене. Поэтому для ослабления синфазного сигнала в общую цепь для эмиттерного тока транзисторов включают резистор 1
с возможно большим сопротивлением. Этот резистор обеспечивает глубокую обратную связь для синфазных сигналов, обеспечивая их подавление. Для противофазных сигналов обратная связь за счет резистора 1
отсутствует, так как вызванные ими изменения токов транзисторов
имеют различный знак и в общей цепи взаимно уничтожаются.
Степень ослабления синфазного сигнала усилителем может
быть охарактеризована коэффициентом режекции, показывающим, во
сколько раз должно быть увеличено симметричное напряжение по
сравнению с несимметричным, чтобы получить одинаковый зарегистрированный сигнал. Для электрокардиографов коэффициент режекции не должен быть менее 1000. Для уменьшения синфазной помехи
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]