Медицинская электроника

Медицинская электроника.

Медицинская электроника – разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры.

Все медицинские приборы можно разделить на 2 группы:

1. Приборы для диагностики.

2. Приборы для терапии.

• Хирургическая аппаратура.

Цель приборов для диагностики: измерить какую-либо физико-биологическую величину и выдать её в удобной форме. Эти приборы контактируют непосредственно с телом человека.

Особенности организма как источника сигнала:

1. Все сигналы малой мощности, с малой амплитудой и слабым сигналом. Они требуют усиления, т.е. будут подвергнуты искажению.

2. Сопротивление тела человека имеет большое значение – около 10⁶ Ом.

3. Высокий уровень помехи. Плотность информации очень велика.

4. Частотный спектр выходных сигналов лежит в инфра-низкой области частот.

5. Наличие постоянного гальванического контакта с электрической схемой прибора.

Особенности изделий медицинской техники:

1. Тщательно выбираются входные цепи приборов (ограничивается область положения датчиков).

2. Схемы приборов усложняются за счёт цепей помехоподавления.

3. К изделиям медицинской техники предъявляются повышенные требования по электробезопасности.

Электродиагностическая аппаратура
Измерители электрических параметров		Измерители неэлектрических величин	Эндоскопы	Вспомогательные приборы
Измерители биопотенциалов	Реографы	Пульсометры Эл. манометры Эл. тонометры Рефлексометры Радиология	УЗИ Рент. томографы Магн. тонометры Биорезонансная диагностика	Электростимуляторы Дифференциаторы Интеграторы
ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭГГ, ЭОГ

Измерители биопотенциалов. В начале XX века Эйнтховен изобрёл первый аппарат ЭКГ.

Рассмотрим амплитудный и частотный спектр сигналов, характеризующих электрическую активность различных органов человека.

Параметр	ЭКГ электрокардиография	ЭЭГ электроэнцефалография	ЭМГ электромиография	ЭГГ электрогастрография
Амплитуда, мВ	0,1 – 5	0,01 – 0,5	0,01 – 50	0,1 – 1
Частота, Гц	0,5 – 400	1 – 1000	1 – 10 тыс.	0,01 – 10

Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя l). Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается . Измеряется в Кулон-метрах.

- потенциал в точке А

По Эйнтховену:

Кардиограмма представляет собой проекцию вектора дипольного момента сердца на направление соответствующего отведения, развёрнутую во времени.

Теория ЭКГ предполагает электрический диполь рассматривать в среде безграничного однородного диэлектрика. А это не человек. Теория ЭКГ на сегодняшний день не завершена. Блочная схема ЭКГ:

Модель эквивалентного токового генератора.

Эквивалентная схема возникновения биотока:

r – сопротивление источника

R – внешняя нагрузка

Сильный источник, слабая внешняя нагрузка => система работает в состоянии короткого замыкания:

но , тогда

Токовый диполь:

- дипольный момент токового диполя.

- потенциал в точке униполя, - удельное сопротивление среды.

Потенциал токового диполя:

G можно пренебречь.

Таких диполей на поверхности органа множество. Но можно выделить суммарный потенциал D₀.

- потенциал электрического мультитокового генератора.

Минусы: модель не учитывает конфигурацию тела и неоднородность среды.

Плюсы: модель учитывает сопротивление.

Измерители неэлектрических величин. Пример: термометр. Способы перевода неэлектрической величины в электрическую. Обобщённая схема измерителя неэлектрической величины электрическим методом.

Измерительная схема прибора представляет собой канал съёма информации, её преобразования и регистрации, образованный последовательной цепью измерительных преобразований, осуществляющих однозначную зависимость выходящего сигнала от входящего.

Датчики медико-биологической информации – фиксируют неэлектрические показания и переводят их в электрические.

Датчики:

1. Генераторные – генерируют энергию, не требуют источника питания (сопротивления, ёмкости, индуктивности).

2. Параметрические (пассивные) – необходимо дополнительное питание.

Характеристики датчика:

1. Функция преобразования

х – входная величина; у – выходная величина

2. Порог чувствительности – минимальная входная величина.

3. Динамический диапазон – диапазон измерения.

4. Время реакции – скачкообразно изменяют входную величину и оценивают время.

5. Числовые характеристики.

Датчики температуры.

Термопара.

Минусы: очень низкая чувствительность, неудобный диапазон

Плюсы: очень малые размеры и быстрая реакция.

Термометры сопротивления:

1. Проволочные

2. Полупроводниковые

Для 1 – высокая чувствительность и стабильность, большой диапазон.

Для 2 – малый размер, высокая чувствительность и быстродействие. Диапазон до 150⁰. Не стабильные.

Датчики механических перемещений.

1. На деформирующей способности датчика – используется прямой пьезоэффект. Генераторный

2. Тензометрический датчик (стабильность, чувствительность). Пассивный.

3. Датчики скорости (эффект Холла). Генераторный.

Датчики электромагнитных излучений.

ИК 10¹¹ – 10¹⁴ термопары, ИК фотоэлементы

ВС - УФ 10¹⁴ – 10¹⁶ фоторезисторы

Рентгеновское и гамма-излучения 10¹⁶ – 10²¹ фоторезистор Гейгера-Мюллера (фоторезистор + сцинтилляционный эффект).

Согласование измерительных преобразователей.

Принцип согласования: сопротивление входа второго преобразователя больше или равно сопротивлению выхода первого преобразователя. Идеальный преобразователь должен иметь максимальные входные и минимальные выходные сопротивления.

Существуют специальные приборы – повторители, предназначенные только для согласования сопротивления.

Типовые измерительные схемы датчиков.

1. Периодическая проверка нуля прибора (работоспособности). В схеме прибора создаётся цепь, которая подаёт на вход специальный калибровочный сигнал. Применение разностных измерительных схем. Если помеху нельзя исключить, то её можно измерить и вычесть.

2. Реализация дифференцирующих измерительных схем.

3. Применение компенсационных схем измерения (приборы, работающие по принципу весов). Неизвестная величина компенсируется известной и достигается состояние равновесия.

Преимущества: легче зафиксировать отсутствие величины, чем её измерить; не искажает температуру объекта; более точные.

Пример: термопара.

4. Частотно-кодовая модуляция сигнала.

Преимущества: быстродействие, запоминание, много каналов, повышает помехозащищённость, точнее в 10-и раз, устойчивей.

Электротерапевтическая аппаратура
Постоянный пол ток	Низкочастотный пол ток	Высокочастотный пол ток
Гальванизация, Аэрозольная терапия, Франклинизация	Электромодуляторы, Электросон, Электроэхопунктура, Магнитотерапия, Биорезонанс	УВЧ терапия УЗИ терапия ДЦВ терапия СВЧ терапия

Электростимуляторы. Импульсные методы воздействия.

Параметры импульса: амплитуда, частота, фаза, пауза = скважность, S = Т/t_и, субъективные параметры.

Порог возбуждения – минимальная амплитуда импульсного тока, вызывающая реакцию возбуждения. Зависит от длительности импульса и частоты.

Закон Вейса-Лапика:

Зависимость от частоты (с ростом частоты болевой порог растёт быстрее, чем порог возбуждения):

Использование электростимуляции для диагностики:

1. Лабильность – способность мышц воспроизводить ритм возбуждения без потери темпа.

2. Аккомодация – приспособление к колебаниям.

С ростом крутизны импульса порог возбуждения должен снижаться. Используются экспоненциальные импульсы с переменной частотой. При патологии зависимость другая.

Виды тока, использующегося для стимуляции:

1. Классические импульсы – прямоугольные, пилообразные, экспоненциальные.

Синкоп – режим пачек импульсов (сдвоенные, строенные). Амплитуда менее 50 мА, частота до 150Гц.

2. Токи Бернара (диадинамические).

3. Синусоидально-модулированные токи.

4. Интерференционные токи.