5.Межпредметные и внутрипредметные связи

6. Задания для самоподготовки

1 – Представить эквивалентную электрическую схему контура съема МБИ

2 – Указать отличительные особенности генераторных и параметрических датчиков.

3 – Выделить характерные отличия между аппаратами и приборами в различных системах медицинской электроники.

4 – Нарисовать кривую зависимости выходного сигнала от входного сигнала для индуктивного датчика. Показать на этой кривой динамический диапазон датчика.

5 – Нарисовать кривую зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты. Показать на этой кривой полосу пропускания прибора.

Литература, рекомендуемая для самоподготовки:

Основная

1 – «Медицинская и биологическая физика» 7-е изд., Ремизов А.Н. и др. Издательство Дрофа. 2007 (можно более ранние издания)

2 – «Биофизика» - Антонов В. Ф., и другие. Издательство: Владос. 2006

3 – « Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитации: Лекции и семинары.» - Федорова В.Н., Степанова Л.А. Издательство: ФИЗМАТЛИТ. 2005

4 – «Медицинская биофизика» Самойлов В.О. СПб: Издательство: СпецЛит Учебник для вузов - 2004.

Дополнительная

1 Биофизика. Учебник для студентов фармацевтических и медицинских Вузов; Рыбари; 2004 г.

Интернет - Электронная библиотека (можно скачать бесплатно):

1 - Медицинская биофизика В книге рассмотрены основные вопросы медицинской биофизики в соответствии с учебной программой с изучением системы физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. В учебнике пять разделов: транспорт веществ через биологические мембраны (биомембранология), биоэнергетика, биологическая электродинамика, биомеханика, информация и регулирование в биологических системах. В каждом из разделов приводятся примеры нарушения основных биофизических процессов при патологии. В Приложении приводятся справочные таблицы физических констант и единиц перевода в СИ. Издание соответствует государственным образовательным стандартам учебных дисциплин «Медицинская биофизика» направления бакалаврской подготовки «Техническая физика», специальностям «Биоинженерная физика» и «Медицинская биофизика». Учебник предназначен для студентов технических университетов и в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов. Автор книги:  Самойлов В. О. Название книги:  Медицинская биофизика Издательство:  СПб.: СпецЛит, 2004 ISBN:  5-299-00277-7 http://www.sma.kz/about/structure/lib2/lib/

2 - Биофизика Рубин А.Б. 1999. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

Вопросы для самоподготовки

- по базисным знаниям:

• пьезоэлектрический эффект

• термоэлектродвижущая сила

• электромагнитная индукция

• характеристики электрического поля

- по данной теме:

• фотоэлектрические датчики

• пьезоэлектрические датчики

• резистивные датчики

• индуктивные датчики

• усилители

• устройства отображения информации

• устройства регистрации информации

Краткая теория

1

.СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ (ПРИБОРЫ). Информация от изучаемого объекта (пациента П) поступает на прибор (Рис.1) и далее преобразуется в форму удобную для восприятия исследователем (доктором Д).

2. СИСТЕМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ (АППАРАТЫ). Исследователь (доктор) устанавливает параметры воздействия аппарата на объект (пациента).

3. КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. Информация от медико-биологического объекта (пациента) поступает на систему, обрабатывается ЭВМ, которая меняет параметры воздействия на объект в зависимости от программы, определяемой исследователем (доктором).

СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Блок-схема системы получения медико-биологической информации (МБИ) состоит из нескольких основных блоков: устройства съема, усилителя и устройства отображения (регистрации) информации (Рис.2). При значительном расстоянии между изучаемым объектом и и

сследователем используют еще ряд блоков: передатчик, канал связи и приемник. Устройство съема (УС) предназначено для получения информации непосредственно с биообъекта. Измеряемый сигнал (X) поступает либо на электрод, либо на датчик. Электроды могут быть плоскими или игольчатыми. Датчики бывают генераторными или параметрическими. Получаемые с УС сигналы обычно имеют незначительную величину. Поэтому после устройства съема используется блок усиления тока или напряжения. У

силенный сигнал отображается или регистрируется соответствующим блоком.

Электрод для съема информации – это проводник, передающий электрический сигнал от биосистемы к усилителю. Широкое распространение получили пластинчатые электроды (Рис. 3). Такое устройство представляет собой пластину (ПЛ), на которой установлена клемма (КЛ) для подключения соединительного провода.

Э

квивалентная электрическая схема контура съема МБИ показана на рис 4. Источник ЭДС представлен как генератор напряжения U с соответствующим внутренним сопротивлением r. Согласно закону Ома для полной цепи I=U:(R_ЭСК+R_У+r) увеличить амплитуду тока в условиях измерения можно только за счет уменьшения переходного сопротивления электрод, среда, кожа R_ЭСК. Причем амплитуда передаваемого сигнала и вносимые искажения зависят главным образом от особенностей среды. Для увеличения проводимости используются пасты или салфетки, смоченные физиологическим раствором. Производится также обезжиривание спиртом или гелем участков кожи, на которые устанавливают электроды. Входное сопротивление усилителя R_УС является техническим параметром используемого устройства.

Г

енераторный фотоэлектрический датчик получается, если на медную пластину , покрытую слоем закиси меди , напылить небольшой прозрачный слой золота (Рис 5). Воздействие квантов света на полупроводник приводит к образованию ЭДС между и . Возникающая ЭДС по соединительным проводам подается на цифровой вольтметр (дискретное устройство отображения информации).

Г

енераторный пьезоэлектрический датчик представляет собой кварцевую пластину КП, на противоположные грани которой нанесен слой металла СМ (Рис.6). Соединительные провода передают напряжение на стрелочный вольтметр (аналоговое устройство отображения информации). При сжатии пластины на ее гранях появляется напряжение пропорциональное степени воздействия. Явление возникновения положительной ЭДС на гранях кварцевой пластины при ее сжатии и отрицательной ЭДС при ее растяжении получило название: прямой пьезоэффект.

Параметрический резистивный датчик выполнен в виде резиновой трубки , которая заполнена мелким угольным порошком (Рис.7). С торцов трубки вмонтированы электроды . Устройство съема содержит также источник энергии и аналоговое устройство регистрации информации. состоит из магнитной катушки , железной пластины ЖП на одном конце стержня и пишущего пера ПП на другом конце стержня.

Е

сли охватить грудную клетку трубкой, то сопротивление угольного резистора будет изменяться. При вдохе трубка растягивается. Увеличивается длина l и уменьшается площадь сечения S резистора. Согласно формуле возрастает сопротивление угольного столбика. Сила тока в цепи уменьшается, что ослабляет действие на железную пластину. Стержень поворачивается вокруг оси . След от пера смещается в сторону.

При выдохе сила тока в цепи возрастает. Действие усиливается, след от пера смещается в другую сторону.

Параметрический индуктивный датчик трансформирует, например, перемещение в частоту (Рис.8). Это свойство используется при измерении давления. Нагнетание воздуха в манжету приводит к перемещению ее п

оверхности. Манжета соединена с железным стержнем ЖС. Чем глубже стержень входит в катушку l , тем больше величина индуктивности L. Колебательный контур, состоящий из катушки L и емкости C, соединен с источником энергии ИЭ и измерителем частоты ИЧ. Согласно формуле возрастание индуктивности приводит к уменьшению частоты . Измерительный прибор проградуирован в единицах давления. Функцией преобразования такого устройства является зависимость . Она представлена на рис 8. Из него видно, что устройство реагирует на изменение входной величины только в определенном интервале от до . Интервал изменения входной величины, которая приводит к изменению выходной величины, называется динамическим диапазоном датчика. Она является важным параметром любого устройства съема медико-биологической информации.

У

силитель увеличивает на выходе амплитуду сигнала, который поступает на его вход (Рис 9). Степень увеличения определяется коэффициентом усиления. Данный коэффициент рассчитывается как отношение амплитуды сигнала на выходе устройства к амплитуде сигнала на входе. Для усилителя напряжения . Коэффициент усиления определяется на фиксированной частоте. При изменении частоты изменяется и величина (Рис.10). Поэтому более информативной характеристикой рассматриваемого устройства является график зависимости . Считается, что усилитель хорошо выполняет свои функции, если его коэффициент усиления падает не ниже, чем 0,7 от максимального значения. Диапазон частот , в пределах которого называется полосой пропускания усилителя.

О

трицательная обратная связь используется при конструировании любого усилителя. Она позволяет уменьшить негативное влияние помех, которые поступают на вход устройства вместе с полезным сигналом. Кроме того, повышается устойчивость системы, что не позволяет ей в процессе работы превратиться в генератор синусоидального сигнала.

Обратная связь имеет место, как в неживой, так и в живой природе. Она проявляет себя во всех случаях, когда выход системы оказывает влияние на ее вход. В зависимости от знака воздействия ОС бывает положительной или отрицательной.

На рис.9 показано, что напряжение с выхода усилителя проходит через инвертер и поступает на вход системы. Отрицательный знак обратной связи получается потому, что входное напряжение и инвертированное напряжение изменяются в противофазе.

Устройство отображения (регистрации) информации является конечным элементом системы получения МБИ. Блок отображения отличается от блока регистрации тем, что во втором случае информация фиксируется на любом носителе. В первом случае отображение новых данных приводит к удалению данных, полученных ранее. В конечном блоке рассматриваемой системы выходной сигнал (Y) может быть представлен в аналоговой или цифровой форме. Соответствующие устройства называются аналоговыми или дискретными. В схеме, показанной на рис 6, используется стрелочный амперметр, который является типичным представителем аналогового устройства отображения информации (АУОИ). Если вместо стрелочного прибора использовать цифровой амперметр (Рис 5), тогда мы будем работать с дискретным устройством отображения информации (ДУОИ).

Лабораторная работа

Изучение системы получения медико-биологической информации

Цель работы

1. Определить рабочий участок параметрического индуктивного датчика давления.

2. Дать рекомендации по его использованию в приборах для измерения артериального давления крови человека

Приборы и оборудование:

1. Индуктивный датчик давления.

2. Преобразователь Индуктивность→Частота.

3. Регистратор – частотомер.

4. Эталонный манометр для контроля давления.

5. Манжета

6. Груша для нагнетания воздуха в манжету