7. Надёжность электронной медицинской аппаратуры. Вероятность безотказной работы, закон изменения со временем. Интенсивность отказов. Классы приборов по возможным последствиям отказов.

Надежность медицинской аппаратуры. Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином – «надежность». Для медицинской аппаратуры 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 работающих (не испортившихся) за определенное время изделий к общему числу испытывавшихся изделий. Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени. 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 ожидания. 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.

8. Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов. Особенности сигналов, обрабатываемых медицинской электронной аппаратурой и связанные с ними требования к медицинской электронике.

Можно выделить следующие группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико-биологических целей.

Устройства для получения, передачи и регистрации медико-биологической информации.

Сюда относиться большая часть диагностической аппаратуры: баллистокардиографы, фонокардиографы, реографы. Для подавляющего большинства этих приборов в радиотехническом отношении характерно наличие усилителей электрических сигналов. К этой группе можно отнести аппаратуру для лабораторных исследований, например PH-метр

Электронный у-ва, обеспечивающие дозирующее воздействие на организм различными физическими факторами(ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля)с целью лечения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохурургиии, кардиостимуляторы. С физической точки зрения эти у-ва являются генераторами различных сигналов.

Кибернетические электронные у-ва: а) электронные вычислительные машины для переработки и хранения и автоматического анализа медико-биологической информации.

б) у-ва для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием окружающей среды человека.

В) электронные модели биологических процессов

Применение электронных мед.приборов и аппаратов повышает эффективность диагностики и лечения и увеличивает производительность труда мед.персонала.

9. Принцип действия электронного генератора синусоидальных колебаний. Принципиальная схема. Генераторы синусоидальных колебаний Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя ,охваченного положительной обратной связью (рис.1.1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения , передаваемого звеном обратной связи    1.1 – Структурная схема генератора Для возбуждения колебаний в системе рис.1.1 необходимо выполнение двух условий. Первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем ( )и звеном обратной связи ( ) , в сумме должны быть кратными :   

Второе условие , необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд   , которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью: При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.   Особенность раздражающего действия переменных синусоидальных  токов.           Синусоидальные  токи вызывают колебательные движения ионов вблизи возбудимых клеток. При низких частотах полу периоды колебаний ионов  большие, и ионы могут смещаться на большие расстояния, при высоких частотах тока - наоборот. При  частоте ν = 500 КГц смещения ионов становится столь малыми, что соответствует тепловому движению ионов. Поэтому при более высоких частотах, чем 500 КГц переменный ток не вызывает раздражающего эффекта. В методиках  УВЧ-терапии и индуктотермии  поэтому проявляется  только тепловое действие  токов (ν = 40 МГц). На частоте ν = 50 Гц порог  ощутимого тока для человека равен примерно  1мА (определен по поведенческой реакции – пациент отдергивал руку при указанном токе). С увеличением частоты этот порог увеличивается. Указанное значение тока зависит как от площади электродов, так и состояния пациента – влажности его кожи и прочее.   Порог не опускающего тока в 20-30 раз больше порога ощутимого тока, он также увеличивается с увеличением частоты. Работая с электрическими установками (особенно высоковольтными) следует  соблюдать правила техники безопасности.  Наиболее важным условием безопасной работы с электроустановками является  недопустимость касания токоведущих частей установки – клемм, соединяющих различные части собранной схемы, заземление прибора, касания только изолирующих тумблеров и регуляторов, изготавливаемых из  изолирующих материалов, недопустимость касания при работе батарей отопления. При выполнении конкретных измерений на какой либо установке требуется получить допуск преподавателя, удостоверившегося в ваших знаниях о ходе выполнения работ

10 . Принцип действия электронного усилителя, принципиальная схема на транзисторе. Электронные усилители – технические устройства, увеличивающие электрический сигнал за счет энергии постороннего источника. На вход усилителя подается входной сигнал, а с его выхода снимается усиленный выходной сигнал. Коэффициент усиления - отношение величины усиленного (выходного) сигнала к величине не усиленного (входного) сигнала. К=U_вых/U_вх.Главное требование, предъявляемое к усилителям – отсутствие (минимальность) привносимых ими искажений. Форма усиленного сигнала должна оставаться прежней, изменяется лишь масштаб сигнала. В качестве основного элемента для усиления используют либо вакуумные электронные лампы, либо полупроводниковый элемент – транзистор.Усиливаемый сигнал подается между эмиттеромЭ и базой Б. Усиленный сигнал снимается с резистора R2, который стоит после разделительного конденсатора К в цепи коллектора, как и в схеме с вакуумным триодом (см. рис.). Электрические схемы усилителей на вакуумной лампе и на транзисторе во многом аналогичны друг другу.

11. Положительная и отрицательная обратная связь в усилителях. Коэффициент обратной связи. Блок-схема усилителя с обратной связью. Влияние обратной связи на амплитудно-частотную характеристику и на полосу пропускания усилителя. Обратная связь – влияние выходного сигнала усилителя на входной сигнал. Отрицательная обратная связь – тип обратной связи, при которой выходной сигнал передается обратно на вход для погашения части входного сигнала. Делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь–тип обратной связи, при которой изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения. Ускоряет реакцию системы на изменение входного сигнала; приводит к неустойчивости и возникновению качественно новых (автоколебательных) систем – генераторы. Коэффициент обратной связи–отношение напряжения с резистора к выходному напряжению: β=U_ос/U_вых.Схема усилителя с обратной связью. Выходное сопротивление усилителя представлено суммой: R_вых=R+R_ос. Напряжение с резистора R_ос подается на вход усилителя.

Влияние обратной связи на амплитудно-частотную характеристику усилителя. Если βК>>1, то К=1/β. Улучшится частотная характеристика. Введение обратной связи расширяет полосу пропускания усилителя. Ширина полосы пропускания увеличивается во столько же раз, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления в полосе пропускания. Поэтому произведение коэффициента усиления на полосу пропускания остается неизменным.

12. Принцип работы электронного осциллографа. Электронно-лучевая трубка. Развертка. Синхронизация. Чувствительность.Электронный осциллограф предназначен для наблюдения временных зависимостей различных как электрических, так и неэлектрических величин. Если на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается пилообразное напряжение с генератора развертки, то на вертикально отклоняющие пластины подают исследуемое переменное напряжение. Устойчивое изображение исследуемого сигнала достигается, когда частота генератора развертки равна или кратна частоте исследуемого напряжения. Электронно-лучевая трубка -вакуумная лампа своеобразной формы, в которую впаяны катод, дополнительный электрод, 2 анода. Далее располагаются горизонтально и вертикально отклоняющие пластины. Электроны, ускоренные электронной пушкой, пролетая между отклоняющими пластинами, будут смещаться в изменяющихся со временем электрических полях. Для получения электронного луча нагревают катод до больших температур (термоэлектронная эмиссия) Развертка – процесс прохождения луча вдоль горизонтальной оси.Горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану, называется линией разверткиВиды развертки: линейная, круговая, спиральная. Режимы развертки: автоматический, ждущий, автоколебательный, однократный. Синхронизация развертки – процесс согласования фаз. Осуществляется с помощью блока синхронизации. Чувствительность – характеристика отклоняющих систем осциллографа; отклонение светового пятна при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 В. S_x=x/U_x. Т.к. есть 2 независимые отклоняющие системы, то есть и 2 чувствительности.

13. Электроды для съема биоэлектрического сигналов. ЭДС источника биопотенциалов. Эквивалентная схема контура. Группы электродов по их назначению. Проблемы использования электродов в электрофизиологических исследованиях. Электроды для съема биоэлектрического сигнала – проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. Они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань. ЭДС источника биопотенциалов = Ir+IR+IR_вх=IR_i+IR_вх., R_i=r+R. Эквивалентная схема контура включает: r – сопротивление внутренних тканей биологической системы, R – сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней, R_вх – входное сопротивление усилителя биопотенциалов. Электроды по назначению: для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, для длительного использования, для использования на подвижных обследуемых, для экстренного применения. Проблемы использования электродов в элнктрофизиологических исследованиях: возникновение гальванической ЭДС при контакте электродов с биологической тканью, электролитическая поляризация электродов. Возникает встречная по отношению к основной ЭДС. Возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал.

14. Датчики медико-биологической информации. Генераторные и параметрические датчики. Чувствительность датчиков.Датчик – устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Первичный – датчик, к которому подведена измеряемая величина. Типы датчиков в зависимости от энергии, являющейся носителем информации: механические, акустические, температурные, электрические, оптические. Датчик характеризуется функцией преобразования – функциональной зависимостью выходной величины от входной. Генераторные датчикипод воздействием измеряемого сигнала непосредствнно генерируют напряжение или ток. Их типы: пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические. Параметрические датчики под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо свой параметр. Их типы: емкостные, реостатные, индуктивные. Схема датчика: 1 – резиновая трубка, 2 – угольный порошок, 3 – электроды, 4 – внешний источник. При растяжении трубки увеличивается длина и уменьшается площадь сечения толбика угля и увеличивается сопротивление: R=ρl/S. Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина yреагирует на изменение входнойx: z=Δy/Δx.

15. Понятие об аналоговых, дискретных и комбинированных регистрирующих устройствах. Устройства отображения. Медицинское применение регистрирующих и отображающих устройств.Аналоговое регистрирующее устройство- информация записывается в виде графиков, диаграмм. Дискретное регистрирующее устройство–устройство, регистрирующее прерывистый во времени сигнал. Комбинированное регистрирующее устройство – устройство, сочетающее возможности аналоговых и дискретных. Устройство отображения – устройство, временно представляющее информацию, при изменении силы тока в цепи информация о прежнем значении безвозвратно утрачивается. Медико-биологическое применение его достаточно мало: электротермометр сопротивления, частотомер пульса. Значительно большее распространение в медэлектронике получили регистрируюшие устройства, которые фиксируют информацию на каком-либо носителе. Это позволяет документировать, хранить, многократно использовать, обрабатывать и анализировать полученную медико-биологическую информацию.

16. Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ). Она имеет вид

Амплитудная хар-ка снимается при подаче на вход усилителя гармонического сигнала частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Отношение выходного и входного напряжений равно K₀ . Поэтому амплитудная хар-ка должна быть прямой линией, исходящей из начала координат. Однако в действительности она совпадает с этой прямой только в средней части. Начальный участок АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя собственных помех. Основными из них являются фон (колебание с частотой питающей сети), наводки (помехи электрическими и магнитными полями) и шумы, а в УПТ – еще и дрейф нуля(медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов). Они приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнут нелинейные (амплитудные) искажения – искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. НИ представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, трансформатор). Коэффициент нелинейных искажений (γ) – величина, выражающая степень НИ; отношение квадратного корня из суммы квадратов амплитуд гармоник к амплитуде первой гармоники. КНИ и коэф. Гармоник выражаются в процентах. Их зависимость:

17. Частотная характеристика усилителя показывает зависимость коэффи­циента усиления К от частоты f сигнала, поданного на вход усилителя. Это один из важнейших параметров, так как если К неравномерна, т. е. не пря­молинейна, то это сигнализирует о том, что усилитель по-разному усиливает сигналы разных частот, тем самым внося частотные искажения. Правда, частот­ная характеристика реального усилителя (рис.) никогда не бывает абсолютно прямолинейной, на ней есть подъемы и провалы, причем часто эти неравномерности в усилении создают искусственно, чтобы ком­пенсировать неравномерности ча­стотных характеристик головок громкоговорителей и модуляции высокочастотного сигнала, зава­лы частотной характеристики маг­нитных лент при звукозапи­си и т. п.

Рис. 19. Частотная характеристика УЗЧ

Но в любом слу­чае неравномерность частотной характеристики должна находиться в определенных пределах, задаваемых в децибелах относительно исходно­го уровня — усиления сигнала частотой 1000 Гц. Поэтому по верти­кальной оси характеристики обычно откладывают не значение коэффи­циента усиления, равного u_ВЫХ/u_вх, а частотных искажений в децибелах М = = 20 lg (Ko/K_f), где Ко и К_f — коэффииценты усиления по напряжению соответ­ственно на частоте 1000 Гц ,и на частоте f. Таким образам коэффициент ча­стотных искаженийМ показывает, на сколько децибел усиление на данной ча­стоте отличается от усиления на частоте 1000 Гц, и допустимые пределы этого отличия зависят от конкретного назначения усили­теля. Частотная характеристика должна иметь вид k=const. На практике это не реализуется и приводит к искажениям, получившим название линейных или частотных. Линейные искажения:

На рис.а) изображен периодический сигнал 3. Который является суммой двух синусоид 1 и 2; на рис. б) – те же сигналы после усиления. Если синусоидальные сигналы разной частоты усиливаются по разному, то результирующий усиленный сигнал отличается от входного (кривые 3). Частотную характеристику усилителя обычно изображают графически.

Из этого рисунка вино, что в пределах ω₂-ω₃ коэф. усиления примерно постоянен. В радиотехнике принято считать, что уменьшение его до 0,7k_max ≈ k_max /√2 практически не искажает сигнала. Диапазон частот ω₁-ω₄ называют полосой пропускания усилителя. Для усиления звука достаточно полосы 60Гц-15кГц, а усиление видеоимпульсов требует значительно большей полосы пропускания.

18. основные компоненты аппарата УВЧ. Аппарат УВЧ состоит из двухтактного лампового генератора и терапевтического контура. Основными частями генератора являются: колебательный контур, включенный в анодную цепь, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, частота которых определяется индуктивностью (L) и емкостью (C) контура; источник электрической энергии (ε), за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания; электронные лампы Л, с помощью которых регулируется подача энергии от источника в контур, и катушка обратной связи, посредством которой осуществляется подача переменного напряжения из выходной цепи на сетке ламп. Воздействие электрическим полем УВЧ на пациента производится посредством электродов пациента (ЭП), которые включены в терапевтический контур, индуктивно связанный с анодным колебательным контуром генератора. Индуктивная связь включает возможность попадания больного под высокое постоянное напряжение, которое всегда имеется в генераторе. Наибольшая мощность выделяется в терапевтическом контуре при условии резонанса, т. е. тогда, когда частота собственных колебаний терапевтического контура совпадает с частотой колебаний, возникающих в анодном колебательном контуре генератора. Частота собственных колебаний контура зависит от его индуктивности и емкости: ω=1/√LC. Емкость терапевтического контура складывается из емкости между электродами пациента и емкости переменного конденсатора. Так как при различных процедурах емкость между электродами пациента меняется, то каждый раз необходимо производить настройку терапевтического контура в резонанс, изменяя емкость переменного конденсатора. Частота, на которой работают отечественные аппараты УВЧ – 40,58 МГц.

19. Шкала электромагнитных излучений. Исключительным успехом электромагнитной теории Максвелла явилось создание шкалы электромагнитных волн. Вдоль шкалы слева направо не-прерывно возрастает одна величина — частота (уменьшается длина волны), а ее увеличение приводит к появлению качественно различных излучений. Различают следующие участки на шкале: 1) электромагнитные колебания низкой частоты (3*10⁴м < λ);  2) радиоволны (1*10^-4м< λ ≤3*10⁴м; 3) инфракрасное излучение (7,6*10^-7м < λ ≤ 1*10^-4м;  4) видимый свет (4*10^-7м < λ  ≤ 7,6*10^-7м; 5)

ультрафиолетовое излучение (6*10^-9м < λ ≤ 4*10^-7м;  6) рентгеновское излучение (10^-12м< λ ≤ 10^-8м; 7) γ-излучение  λ<10^-11м. Эта классификация определяется либо механизмом образования волн, их частотой, либо возможностью их зрительного восприятия человеком. Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, γ-излучение имеет ядерное происхождение. Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах. Так, наиболее коротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским. Радиоспектроскопия – раздел, изучающий поглощение и излучение радиоволн различными веществами. В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны: