medicinskaya_elektronika

28

МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Развитие современной медицины обусловлено в большой степени использованием методов, в основе которых лежат электронные приборы и устройства. Поэтому для грамотного управления и правильного использования электронной диагностической и лечебной аппаратуры профессиональное образование врача ставит своими задачами:

1.Изучение медико-биологических и технических характеристик объекта исследования.

2.Физико-технических характеристик электронных устройств, применяемых в медицине.

В курсе нашей дисциплины для частичного решения указанных задач введен раздел “Медицинская электроника”.

Медицинская электроника - это область электротехники, которая занимается разработкой, изготовлением и эксплуатацией электронных приборов для диагностики, лечения и профилактики заболеваний.

Классификация диагностической и лечебной аппаратуры представлена на рис. 1.3.1. В этой последовательности мы и будем ее рассматривать в нашем курсе.

Диагностические электронные системы.

Устройства съема медицинской информации (УСМИ) - это устройства, обеспечивающие получение сигналов, связанных с явлениями и процессами, происходящими в живых организмах.

Классификация УСМИ представлена на рис. 1.3.2. Основные требования, предъявляемые к УСМИ.

1.Минимум искажения полезного сигнала.

2.Максимальная помехозащитность.

3.Удобство размещения в необходимом для измерения месте.

4.Отсутствие раздражающего действия.

5.Возможность многократного использования и стерилизации без изменения характеристик.

Электроды - это проводники специальной формы для съема электрических сигналов реально существующих в организме.

29

МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА

рис.1.3.1

УСМИ

Биоуправляемые Энергетические

Различного вида электроды используются и для подведения к организму внешнего воздействия.

30

Электроды как устройства съема различаются:

1. По виду регистрируемого сигнала (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, ЭГГ, ЭОГ и

др.).

2.По материалу (металлические, угольные, стеклянные). Стеклянные правильно называть электролитическими, т. к. проводником является раствор электролита (KCl и др.), который заключен в стеклянную канюлю.

3.По конструкции (плоские, игольчатые, многоточечные).

4.По площади (чем меньше площадь, тем более локально отводятся биопотенциалы).

5.По назначению: одноразовые - используются в кабинете функциональной диагностики; длительного наблюдения - в палатах реанимации; динамического наблюдения - в физиологии труда и спорта; экстренного применения - скорая помощь.

6.По месту расположения (поверхностные и вкалывающие). Поверхностные электроды должны иметь контактное сопротивление 10 - 15 кОм, поэтому их накладывают через токопроводящие пасты и прокладки.

Очень часто приходится регистрировать изменение характиристик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлектрические величины, обусловленные жизненными функциями, к ним относятся:

1.Механические (перемещение, скорость, ускорение, акустические параметры, давление, вибрации и др.).

2.Физические (тепловые: температура, энергия, количество тепло-

ты; электрические: характеристики электрического (Е, , ), магнитного поля (B, , ), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядерные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излучения, дозы и др.).

3.Химические (химический состав, концентрация, pH).

4.Физиологические (кровенаполнение, пульс и др.).

Для измерения этих величин используются датчики (преобразова-

тели).

ДАТЧИКИ - это УСМИ, которые своим чувствительным элементом реагируют на воздействие измеряемой величины и осуществляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в электрические сигналы)

В энергетических датчиках создается немодулированный (с неменяющимися параметрами) поток энергии. Измеряемый параметр изменяет этот поток (модулирует), эти изменения регистрируются чувствительным элементом. Таким образом, общую схему измерения энергетическими датчиками можно представить так: источник энергии - объект исследова-

31

ния - чувствительный элемент. В качестве примера рассмотрим три вида энергетических датчиков, представленных на рис. 1.3.3.

В фотоэлектрическом датчике(1) создается световой поток Ф0. При прохождении через ткани организма поток меняется, в качестве регистрирующего устройства может использоваться фоторезистор, фотоэлемент, фотопластинка.

В рентгеновских датчиках(аппаратах) (2) в качестве излучения используются рентгеновские лучи, а в качестве чувствительного элемента - фотопластинка, люминесцентный экран, рентгеночувстительный экран.

При ультразвуковом исследовании - (УЗИ) (3) используется по-

ток УЗ-волн, а для регистрации, как правило, пьезодатчики.

Вбиоуправляемых активных(генераторных) датчиках под воз-

действием измеряемой величины генерируются пропорциональные ей электрические сигналы. Наиболее часто употребляемые датчики: термопары (1), тензодатчики (2), индукционные (3), полупроводниковые вентильные фотоэлементы (4). Их схемы представлены на рис. 1.3.4.

Втермопарах имеются два спая, в которых соединяются два различных проводника или полупроводника. В каждом из спаев создаются контактные разности потенциалов. Суммарная разность потенциалов определяет ЭДС термопары. ЭДС пропорциональна разности температур

спаев = к (T1 -T2), где к зависит от типа соединяемых проводников или полупроводников.

В тензодатчиках используется прямой пьезоэлектрический эффект - при воздействии на некоторые кристаллы (кварца, титанат бария и других) внешней силой, в результате структурной поляризации, на поверхности этих кристаллов появляется разность потенциалов, пропорциональная приложенной силе.

В индукционных датчиках, при перемещении постоянного магнита относительно катушки, возникает ЭДС индукции, которая определяется

по закону Фарадея = - Ф/ t. В конечном итоге ЭДС пропорциональна скорости перемещения постоянного магнита.

В полупроводниковых вентильных фотоэлементах использу-

ются кристаллы селена. Внутри селеновой пластины за счет технологии

32

изготовления создается запирающий слой, который не пропускает основных носителей заряда. При освещении фотоэлемента в верхнем слое возникают пары электрон-дырка. За счет запирающего слоя они разделяются и образуется фото ЭДС, пропорциональная световому потоку.

рис. 1.3.4

Биоуправляемые пассивные (параметрические) датчики представляют собой замкнутую электрическую цепь (рис. 1.3.5), в состав которой входят: источник постоянного или переменного напряжения, измерительный прибор (амперметр) и сопротивление R, величина которого меняется пропорционально изменению измеряемого неэлектрического сигнала организма. По закону Ома пропорционально изменяется и ток в цепи, поэтому шкала измерительного прибора градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины. По виду сопротивления параметрические датчики подразделяются на: резистивные, емкостные, индуктивные и контактные.

Врезистивных датчиках используются: активное переменное сопротивление, движок которого перемещается пропорционально механическому перемещению органов тела человека; терморезистор, величина которого меняется пропорционально температуре измеряемого объекта; фоторезистор, его сопротивление меняется при изменении светового потока; в качестве сопротивления можно подключать непосредственно ткани организма. В этом случае измеряется импеданс (общее сопротивление ткани переменному току).

Вемкостных датчиках сопротивлением является конденсатор. Как

Таким образом, емкостное сопротивление будет меняться при из-

33

менении относительной диэлектрической проницаемости ( ), площади пластин (S), расстояния между пластинами (d). Величина этих параметров меняется, либо при механическом перемещении частей тела, либо при изменении влажности и температуры среды между пластинами конденса- тора.

В индуктивных датчиках используется катушка с ферромагнитным сердечником. Ее индуктивность (L) зависит от магнитной проницаемости сердечника ( ), числа витков катушки (n), размеров катушки (d,l). Величина индуктивного сопротивления

определяется формулой RL = L.

В контактных датчиках вместо сопротивления используются два контакта, которые замыкаются или размыкаются при периодическом движении, например, при измене-

нии размеров грудной клетки при вдохе и выдохе.

Для правильного использования датчиков необходимо знать их метрологические характеристики. Датчики должны периодически проверяться метрологическими службами. К метрологическим характеристикам относятся:

1. Чувствительность - это изменение выходного сигнала при изменении входного сигнала на единицу. Например, чувствительность термо-

пары определяется формулой k t .

2.Предел чувствительности - минимальное значение изменения входного сигнала, которое можно зарегистрировать с помощью датчика.

3.Динамический диапазон - диапазон входных неэлектрических величин от предела чувствительности до максимального значения, регистрируемого датчиком без искажения.

4.Погрешность - разность между измеренным и действительным значением величины.

5.Время реакции (инерционность) показывает, на сколько величина выходного сигнала датчика отстает по времени (по фазе) от входного.

В качестве примеров использования датчиков рассмотрим измерение температуры, параметров системы дыхания и сердечно-сосудистой системы.

Различают температуру поверхности и температуру ядра тела. Температура поверхности тела зависит не только от состояния организма, но и от внешней среды: температуры и давления воздуха, его влажности. Поэтому, как правило, температуру поверхности измеряют с точки зрения симметричности температурных полей левой и правой области тела человека. Температура ядра является более стабильным показателем и она определяется в основном состоянием внутренней среды организма. Измеряют температуру ядра непосредственным помещением датчика в мышцу и отдельные органы, ректальную температуру, в полости рта, в подмышечной впадине, паховой области, пупочной ямке. Для измерения температуры

34

человеческого тела в качестве датчиков используются: полупроводниковые термосопротивления (термисторы), и термоэлементы (термопары).

Основными параметрами, измеряемыми в системе дыхания, являются частота дыхания и глубина дыхания. Измерение этих параметров производится по механическому перемещению грудной клетки и по противоположно направленным потокам воздуха при вдохе и выдохе, имеющими разную температуру и влажность. Механические перемещения грудной клетки оценивают контактными и резистивными (с активным сопротивлением) датчиками. Потоки воздуха измеряют емкостными датчиками, термисторами, термопарой.

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются неэлектрические параметры: частота пульса, параметры пульсовой волны, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, механические перемещения органов и тканей, связанные с одномоментым выбрасыванием ударного объема крови из левого желудочка и др. Частоту пульса и пульсовые волны (сфигмография) измеряют тензодатчиками. Механические перемещения грудной клетки в области верхушечного толчка (сейсмография) оценивают индукционными датчиками. Тоны и шумы сердца (фонокардиография) измеряют с помощью микрофонов, которые по сути представляют также датчики индукционной системы. Для измерения давления используют тензодатчики, основанные на пьезоэффекте. Эти датчики вносят в крупные кровеносные сосуды и в полости сердца. Исследование кровенаполнения и оценка тонуса кровеносных сосудов (плетизмография) производится импедансометрическими датчиками, энергетическими, фотоэлектрическими и тензодатчиками. Определение скорости кровотока производится энергетическими ультразвуковыми датчиками, метод измерения основан на эффекте Допплера.

Электрические сигналы на выходе УСМИ, как правило, имеют малую величину (амплитуду). Для регистрации их необходимо усилить. Для этих целей используются устройства усиления (УУ).

Устройства усиления напряжения, тока, мощности электрических колебаний за счет энергии постороннего источника называются усилителем колебаний.

Принципиальные схемы простейшего усилителя напряжения представлены на рис. 1.3.6a и 1.3.6б.

Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или полупроводнковый (транзистор). Не вдаваясь в подробности работы усилителя, рассмотрим общие принципы усилителя напряжения.

1. Колебания входного напряжения на сетке лампы создают пропорциональные колебания анодного тока (в случае использования транзистора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).

35

2. Изменяющийся анодный ток создает на нагрузочном сопротивлении R пульсирующее напряжение, состоящее из постоянной и переменной составляющей.

рис.1.3.6

3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с помощью разделительного конденсатора, и является усиленным выходным напряжением.

Из рассмотренного видно, что принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзисторного усилителей идентичны.

Главным параметром усилителя является коэффициент усиления. Он показывает во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше амплитуды входного напряжения.

kU т вых .

U т вх

Приведенные схемы усилителей являются однокаскадными. Для регистрации электрических сигналов одного каскада, как правило, бывает недостаточно. Поэтому используют усилители, состоящие из нескольких каскадов, которые подключаются последовательно друг с другом. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов.

k k1 k 2 k 3 ...

При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения соответствовала форме входного напряжения, говорят, чтобы усилитель не искажал усиливаемый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в усилителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разработчиками усилителей, согласно представленной информации о параметрах усиливаемых сигналов. Частотные искажения связаны с так называемой

36

полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется частотная характеристика - это зависимость коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частотная характеристика представлена в графической форме на рис. 1.3.7. Полоса частот от 1 до 2, в пределах которой коэффициент усиления практически не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не являются гармоническими, однако их можно разложить на сумму гармоник, различающихся по частоте и амплитуде. Если все частоты гармоник входят в полосу пропускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоническая составляющая выходит за пределы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаяются по гармоническому спектру, то усилители для одного сигнала, например ЭКГ, не могут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др.

3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто активным и составляет порядка тысяч и десятков тысяч Ом.

Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особенностями:

а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, производится при одновременной записи нескольких сигналов.

б) при регистрации объект находится в поле действия различного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.

Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с одной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистрирующие устройства, с другой стороны, заставляют конструировать усилители с большим коэффициентом усиления (до нескольких миллионов раз).

Малые входные напряжения приводят к тому, что в усилителях приходится считаться с собственными шумами входных каскадов, а из-за большого коэффициента усиления со склонностью таких усилителей к самовозбуждению.

Необходимость пропускания очень низких частот усложняет пита-

37

ние усилителя от одного общего источника питания. Это делает усилитель очень чувствительным к медленным изменениям напряжения источников питания, а работу усилителя неустойчивой.

Всвязи с большим сопротивлением ткани входное сопротивление усилителя должно быть большим.

Одновременная регистрация нескольких процессов на одном объекте приводит к тому, что входы усилителей оказываются соединенными между собой через сопротивление тканей.

Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и входные элементы усилителей и сами усилители.

Входные каскады усилителей должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.

2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усилителя должно быть большим.

3. Каскад должен быть защищен от механических колебаний.

4. Схема каскада должна давать возможность производить регистрацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.

Втаблице 1.3.1 перечислены основные параметры электрографических сигналов.

Таблица 1.3.1

Устройства отображения и регистрации медицинской инфор-

мации (УОРМИ) 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. Классификация УОРМИ представлена на рис. 3.1.8.

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 УОРМИ основано на общем принципе действие постоянного магнитного поля на проводник с током.