3. Электрический диполь. Электрическое поле диполя.

Электрическим диполем называется зарядовая система, электрически эквивалентная паре точечных зарядов, одинаковых по величине и противоположных по знаку, отстоящих друг от друга на расстояние l. Дипольным моментом диполя называется векторная величина:p=ql

Единицей электрического момента диполя является кулон-метр.

Поместим диполь в однородное электрическое поле напряжен­ностью E. На каждый из зарядов диполя действуют силы F₊ = qE и F_ = = -qE, эти силы равны по модулю, противоположно направлены и создают момент пары сил. Как видно из рисунка, он равен M=qEl sin α=pE sinα. Таким образом, на диполь в однородном электрическом поле действует момент силы, зависящий от электрического момента и ориентации диполя, а также напряженности поля.

Рассмотрим теперь диполь в неоднородном электрическом по­ле. Предположим, что диполь расположен вдоль силовой линии (рис. 12.7). На него действуют силы F₊ = qE₊ и F_-= —qE_, где Е₊ и Е_ — напряженности поля соответственно в месте нахожде­ния положительного и отрицательного зарядов

Значение равнодействующей этих сил F = F_-- F₊ = qE_-- qE₊=q(E_--E₊).Введем отношение (E_--E₊)/l, характеризующее среднее измене­ние напряженности, приходящееся на единицу длины плеча дипо­ля. Так как обычно плечо невелико, то приближенно можно считать

(Е_ - E₊)/l = dE/dx, где dE/dx — производная от напряженности электрического поля по направлению оси ОХ, являющаяся мерой неоднородности электрического поля вдоль соответствующего направления. тогда формулу можно представить в виде F=ql *dE/dX=p*dE/dX

Итак, на диполь действует сила, зависящая от его электрического момента и степени неоднородности поля dE/dx. Если диполь ориен­тирован в неоднородном электрическом поле не вдоль силовой ли­нии, то на него дополнительно действует еще и момент силы. Таким образом, свободный диполь ориентируется вдоль силовых линий и втягивается в область больших значений напряженности поля.

12. Принцип работы электронного осциллографа. Электронно-лучевая трубка. Развёртка. Синхронизация.Чувствительность.

Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, блок синхронизации, усилители вертикального и горизонтального каналов отклонения луча. Электронно-лучевая трубка, схематически изображенная на рис.1, внешне представляет собой колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум. Эта трубка позволяет получить узкий пучок электронов, то есть электронный луч. В месте попадания на экран электронного луча возникает ярко светящееся пятно, диаметр которого можно сделать весьма малым, превратив его практически в светлую точку. Источником (излучателем) электронов является накаливаемый нагревателем НН катод К. Для формирования луча из испущенных катодом электронов служат три электрода, имеющие форму коаксиальных цилиндров: управляющий электрод УЭ, первый анод и второй анод .Управляющий электрод, имеющий отрицательный относительно катода потенциал, окружает катод и сжимает выходящий из катода электронный пучок. На торце цилиндрического управляющего электрода имеется отверстие, через которое проходят электроны. Изменяя потенциал этого электрода можно регулировать количество электронов в электронном луче, то есть можно регулировать яркость светящегося пятна на экране. Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго анода положителен относительного первого анода. Регулируя потенциалы анодов, можно добиться фокусировки электронного луча в малое пятно (точку) на экране. На пути электронного луча находятся две пары параллельных пластинчатых электродов Пх и Пу; эти электроды называют отклоняющимися пластинами. Если к одной из этих пар параллельных пластин приложить напряжение, то между ними образуется электрическое поле, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно к пластинам. Под действием этого поля электронный луч, проходящий между пластинами, отклоняется и, следовательно, светящееся пятно перемещается по экрану осциллографа. Пластины Пх перемещают светящееся пятно в горизонтальном направлении, пластины Пу - в вертикальном направлении. Величина смещения этого пятна от центральной точки экрана практически пропорциональна разности потенциалов между соответствующими пластинами.

Чувствительностью осциллографа (электронно-лучевой трубки) называется величина, равная смещению луча (L) к поданному отклоняющему напряжению (U): S=L/U.

Можно рассчитать чувствительность одной ЭЛТ. Для этого следует рассмотреть траекторию движения электрона в электрическом поле между отклоняющими пластинами.

Пролетая между пластинами, электрон движется по параболе, далее прямолинейно. Чувствительность осциллографа больше чувствительности одной ЭЛТ во столько раз, во сколько раз будет усилен исследуемый сигнал.

Для наблюдения зависимости сигнала от времени следует светя­щейся точке сообщить одновремен­но равномерное движение в горизон­тальном направлении. Чтобы запи­сать периодический процесс, точка должна за некоторый конечный промежуток времени переместить­ся слева направо по экрану и в воз­можно короткий промежуток време­ни вернуться обратно. Поэтому на­пряжение, подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины, должно иметь пилообразный вид. Устройство, служащее для этой цели — гене­ратор развертки. Для того чтобы периодический процесс отображался на экране неподвижным изображением, необходимо подобрать достаточно точно частоту развертки: на один период времени развертки дол­жно приходиться целое число периодов исследуемого сигнала. Это условие выполняется блоком синхронизации развертки. Руч­ки «Диапазон частот» и «Частота плавно» позволяют задавать нужную частоту развертки.

Если исследуемый процесс однократный или непериодиче­ский, то может быть использован ждущий режим развертки, предусмотренный в некоторых осциллографах. Этот режим раз­вертки действует каждый раз и только тогда, когда возникает ре­гистрируемый процесс.

13. Электроды для съема биоэлектрического сигнала — это проводники специальной формы,, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнит­ного воздействия, например в реографии. В ме­дицине электроды используются также для ока­зания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции. К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксировать­ся и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т. п. Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротив­лении электрод — кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электро­ды, изображена на рис. 17.2 (£_бп — ЭДС источника биопотенциа­лов; г — сопротивление внутренних тканей биологической систе­мы; R — сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; R_nx — входное сопротивление усилителя биопотенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках кон­тура одинакова, имеем £бп = Ir+IR + IR_BX = IR_i + IR_Bx, где Кi = г + R.

Можно условно назвать падение напряжения на входе усилите­ля IR_BX «полезным», так как усилитель увеличивает именно эту часть ЭДС источника. Падения напряжения Iг и IR внутри биоло­гической системы и на системе электрод — кожа в этом смысле «бесполезны». Так как величина £_бп задана, а уменьшить г невоз­можно, то увеличить IR_Bx можно лишь уменьшением R, и прежде всего уменьшением сопротивления контакта электрод — кожа. 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, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей (см., например, рис. 12.15) и истинная картина электрического поля будет искажена. По назначению электроды для съема биоэлектрического сигна­ла подразделяют на следующие группы: 1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, напри­мер для разового снятия электрокардиограммы; 2) для длитель­ного использования, например при постоянном наблюдении за тя­желобольными в условиях палат интенсивной терапии; 3) для ис­пользования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4) для экстренного применения, на­пример в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях про­явится своя специфика применения электродов: физиологиче­ский раствор может высохнуть и сопротивление изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессоз­нательном состоянии пациента надежнее использовать игольча­тые электроды и т. п.

При пользовании электродами в электрофизиологических ис­следованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них— возникновение гальванической ЭДС при контакте электро­дов с биологической тканью. Другая — электролитическая поля­ризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возника­ет встречная по отношению к основной ЭДС. В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приемы относятся к электрохимии и в этом курсе не рассматриваются. В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов. Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды — металлические пластинки с клеммами 1 (рис. 17.3), 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. В микроэлектродной практике используют стеклянные микро­электроды. Профиль такого электрода изображен на рис. 17.4, 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.

14. Датчики медико-биологического сигналов. ЭДС источника биопотенциалов. Многие медико-биологические характеристики нельзя непо­средственно «снять» электродами, так как эти характеристики не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, темпе­ратура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях меди­ко-биологическая информация связана с электрическим сигна­лом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической вели­чине (например, пульс). В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которо­му подведена измеряемая 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 электрических сигналов предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистриро­вать. Датчики подразделяются на генераторные и параметриче­ские. Генераторные датчики под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некото­рые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны: 1) пье­зоэлектрические, пьезоэлектрический эффект; 2) тер­моэлектрические, термоэлектричество — явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединен­ных разнородных проводников, имеющих различную температуру спаев; 3) индукционные, электромагнитная индукция; 4) фото­электрические, фотоэффект. Параметрические датчики под воздействием измеряемого сиг­нала изменяют какой-либо свой параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр: 1) емкост­ные, емкость; 2) реостатные, омическое сопротивление; 3) индук­тивные, индуктивность или взаимная индуктивность. В зависимости от вида 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 (тен- зодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д. Приведем возможные медико-биологические применения ука­занных типов датчиков (табл.). Датчик характеризуется функцией преобразования — функ­циональной зависимостью выходной величины у от входной х, ко­торая описывается аналитическим выражением у = f(x) или гра­фиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = kx. Обозначения: АД — артериальное давление крови, БКГ — бал- листокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ — давление в желудочно-кишечном тракте. Чувствительность датчика показывает, в какой мере вы­ходная величина реагирует на изменение входной:

Она в зависимости от вида датчика выражается, например, в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) и т. д. Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновен­но, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особен­ность приводит к зависимости чувствительности датчика от ско­рости изменения входной величины dx/dt или от частоты при из­менении х по гармоническому закону. При работе с датчиками следует учитывать возможные, специ­фические для них, погрешности. Причинами погрешностей могутбыть следующие факторы: 1) темпера­турная зависимость функции преобра­зования; 2) гистерезис — запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в ре­зультате необратимых процессов в дат­чике; 3) непостоянство функции пре­образования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биоло­гическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерци­онность датчика (пренебрежение его временными характеристика­ми) и др. Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма раз­нообразна: от простейших (типа термопары) до сложных доплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный). Этот датчик (рис. ) 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.

При растяжении трубки увеличивается длина L и уменьшается площадь S сечения столбика угля и согласно формуле увеличи­вается сопротивление R

R = pl/S, где р — удельное сопротивление угольного порошка. Таким образом, 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. Сила тока в цепи будет изменяться с частотой дыхания, что можно зафиксировать, используя соот­ветствующую измерительную схему. В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.

7. Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию ионов разных знаков. Взаимодействие с веществом α – излучения α-частицы сильно взаимодействуют с различными веществами, т. е. легко поглощаются ими. Тонкий лист бумаги или слой воздуха толщиной несколько сантиметров достаточны для того, чтобы полностью поглотить a-частицы.

При прохождении через вещество α-частицы почти полностью отдают свою энергию в результате электростатического взаимодействия с электронами оболочек атомов.

Энергия α-частиц идет на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери). Этот процесс может рассматриваться как упругое столкновение α-частицы с электронами, при котором α-частица теряет часть своей энергии. Взаимодействие с веществом β- излучения

β-частицы - это электроны (или позитроны), испускаемые ядрами радонуклидов при β-распаде. Вероятность взаимодействия β-частиц с веществом меньше, чем для α-частиц, так как β-частицы имеют в два раза меньший заряд и приблизительно в 7300 раз меньшую массу. Взаимодействие электронов и позитронов с веществом качественно одинаково и складывается из трех основных процессов: упругого рассеяния на атомных ядрах; рассеяния на орбитальных электронах;

неупругих столкновений с атомным ядром. Упругое рассеяние β-частиц происходит в основном на ядрах, но могут также происходить и на атомных оболочках. Вследствие малой массы, β-частицы могут отклоняться на большие углы. Чем меньше энергия β-частиц, тем больше (в среднем) отклонение, которое она испытывает. Поэтому при радиометрических измерениях неюбходимо учитывать эффект обратного рассеяния, который может привести к увеличению счета. Рассеяние β-частиц на орбитальных электронах среды является наиболее важным процессом для регистрации β-частиц. Потерянная при столкновении энергия β-частицы передается орбитальному электрону, что ведет к возбуждению или ионизации атома. При ионизации β-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить вторичную ионизацию. Полная ионизация равна сумме первичной и вторичной ионизации. На 1 мкм пути в веществе β-частица создает несколько сотен пар ионов. При неупругом столкновении электронов с ядрами атомов происходит торможение электронов в поле ядра. Уменьшение энергии электронов в результате торможения приводит к испусканию тормозного рентгеновского излучения. Потери энергии тем больше, чем больше энергия β-частицы и атомный номер элемента поглотителя. Поэтому для снижения тормозного излучения защиту для β-источников выполняют из материалов с малым атомным номером - алюминий, органическое стекло.

В случае применения тяжелых материалов возникает тормозное (вторичное) излучение, которое является рентгеновским и обладает большой проникающей способностью. Взаимодействие с веществом γ- излучения

γ-кванты отдают всю или, по крайней мере, большую часть своей энергии при однократном взаимодействии. Однако вероятность этого взаимодействие очень низка, поэтому γ-кванты обладают гораздо большей проникающей способностью, чем заряженные частицы. Проникающая способность излучения характеризуется чаще всего толщиной слоя поглотителя (в г/см2), при которой интенсивность излучения уменьшается наполовину. Поглощение γ-квантов вызывается тремя независимыми друг от друга процессами с различной физической природой: фотоэффектом; эффектом Комптона; образованием электрон-позитронных пар,Фотоэффект - это процесс, при котором γ-квант передает всю свою энергию орбитальному электрону и прекращает свое существование. Энергия выбрасываемого при фотоэффекте электрона Е_е равна разности между энергией γ-кванта Е_γ и энергией связи электрона Е_св: Е_е = Е_γ - Е_св; в большинстве случаев Е_γ>Е_св. Эффектом Комптона называют процесс, при котором γ-квант отдает электрону только часть своей энергии, т. е. γ-квант рассеивается. Это упругое столкновение фотонного излученияс электронами внешней оболочки атома. γ-Квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения. Отраженный γ-квант называется вторичным, или рассеянным.

Электроны, выбрасываемые в процессе эффекта Комптона, имеют сплошной энергетический спектр. Многократный процесс рассеяния за счет Комптон-эффекта приводит в конечном счете к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомом. Образование электрон-позитронных пар - это такое взаимодействие фотонного излучения с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и кинетическую энергию электрона и позитрона. лист бумаги (толщина слоя 8,0 мг/см2) полностью поглощает α-частицы, незначительно ослабляет поток β-частиц , γ-излучение преодолевает такую преграду без ослабления, лист стали толщиной чуть менее миллиметра (450 мг/см2) полностью поглощает поток β-частиц (и тем более α-частиц), однако, γ-излучение ослабляет незначительно, лист свинца толщиной 5 см ( 56,5 г/см2) ослабит γ-излучение с энергией 1МэВ примерно в 10 раз.