Материал: Компендиум

УСТРОЙСТВА СЪЕМА И РЕГИСТРАЦИИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

1. Общая схема съема, передачи и регистрации медикобиологической информации

Общая структурная схема работы приборов, регистрирующих биопотенциалы, представлена на рисунке 71:

Канал связи

Рисунок 71. Структурная схема работы приборов, регистрирующих биопотенциалы

Устройство съёма – непосредственно контактирует с биосистемой и воспринимает измеряемый сигнал.

Устройства съёма:

электроды – проводники специальной формы, непосредственно контактирующие с биологической системой;

датчики (сенсоры) – устройства, преобразующие неэлектрический сигнал в электрический.

Усилитель – устройство, предназначенное для усиления напряжения (биопотенциала) до уровня, на котором это напряжение (биопотенциал) становится различимым регистрирующим устройством (от десятых милливольта до вольт или десятков вольт).

Приёмник, передатчик со связывающим их каналом связи

используются при дистанционных измерениях (телеметрии).

Регистрирующее устройство преобразует электрический сигнал в удобную для восприятия форму, – чаще всего визуальную (график, число, отклонение стрелки, изображение).

161

2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала

Как уже упоминалось выше, электроды – это проводники, контактирующие непосредственно с биосистемой, предназначенные для съёма биопотенциала.

К электродам предъявляются следующие требования:

они должны быстро фиксироваться и сниматься;

они не должны раздражать ткань;

они не должны поляризоваться;

они должны иметь высокую стабильность электрических параметров;

они не должны искажать регистрируемый потенциал и

т.д.

Структурно схему регистрации БП можно изобразить следующим образом (рисунок 72). На данной схеме r – внутреннее сопротивление источника БП (внутреннее сопротивление тканей), R – переходное сопротивление

(сопротивление границы кожа-электрод), Eбп – регистрируемый биопотенциал, Rвх – входное сопротивление усилителя.

Закон Ома для данной цепи примет вид:

162

способ избежать существенного снижения напряжения на входе усилителя состоит в том, чтобы максимально снизить сопротивление границы кожа-электрод. Для этого используются хорошо проводящие электроды, на поверхность тела наносят солевой раствор или токопроводящую пасту, увеличивают площадь электродов (при последнем способе возрастает риск того, что БП будет регистрироваться не с той площади, что необходимо).

Электроды можно классифицировать следующим образом:

по назначению:

а) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики;

б) для длительного использования; в) для подвижных обследуемых (спортивная, космическая,

военная медицина); г) для экстренного применения.

по типу диагностической процедуры:

а) для ЭКГ; б) для ЭЭГ;

в) для миографии; г) для реографии и т.д.

3. Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках. Термопары и термисторы и их использование для измерения температуры

Термоэлектрические явления – класс явлений, при которых изменение температуры проводника вызывает появление электрического тока в нём и наоборот. Основой термоэлектрических явлений является т.н. контактная разность потенциалов (КРП), она образуется из-за того, что при контакте двух проводников с разной концентрацией носителей зарядов начинается переток носителей в зону их меньшей концентрации. В результате на границе образуется электрическое поле, которое и описывается этой разностью потенциалов по формуле:

163

первом и втором проводниках.

Контактная разность потенциалов имеет небольшое значение для металлов (порядка мкВ), большее – для полупроводников (порядка мВ).

Если замкнуть в цепь два спая проводников и поддерживать их при разных температурах, то между ними возникнет разность потенциалов, равная:

где ET называется термо-ЭДС, – постоянной спая (термопары);

если цепь будет замкнутой, в ней будет протекать электрический ток (т.н. термоэлектрический ток), это явление называется эффектом Зеебека. Если же через такую цепь пропускать электрический ток, то один из спаев будет нагреваться, а другой – охлаждаться, это явление называется эффектом Пельтье.

Спай двух разнородных проводников называется термопарой, так как контактная разность потенциалов у термопар невелика, то их объединяют в т.н. термобатареи, где их КРП суммируются.

Если один из спаев поддерживать при известной температуре, и с помощью вольтметра определять термо-ЭДС, можно определять температуру второго спая, что используется при измерениях температур.

Зависимость проводимости металлов и полупроводников от температуры используется также в термозависимых сопротивлениях – терморезисторах на основе металлов, термисторах – на основе полупроводников. При повышении температуры сопротивление терморезистора растет, а термистора

–падает, что и используется при измерениях температур.

4.Биоуправляемые и энергетические датчики и их характеристики

Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования и регистрации.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют неэлектрическую величину

164

в электрический сигнал. Устройства, работающие с электрическими сигналами, имеют ряд преимуществ:

высокую чувствительность и малую инерционность;

возможность проводить измерения на расстоянии;

удобство регистрации и обработки данных на ЭВМ.

Датчики характеризуются функцией преобразования F(x):

зависимостью выходной величины Y от входной величины х: Y=F(x). Наиболее удобны датчики с прямо пропорциональной зависимостью Y от x: Y=kx. Величина Z= Y/ x, показывающая изменение выходной величины при единичном изменении входной, называется чувствительностью датчика. Минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком, называется порогом чувствительности.

Датчик – преобразователь медицинской информации в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (чаще всего в электрическую).

Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (давление, частота, колебание); физические (температура, освещенность, влажность); физиологические (наполнение ткани кровью).

Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление и т. д.

Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения.

В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т. е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты (пьезоэлектрические, индукционные, термоэлементы).

Пассивные под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность (емкостные, индуктивные, резистивные, контактные).

Энергетические датчики активно воздействуют на органы и ткани немодулированным энергетическим потоком со строго определенными, постоянными во времени характеристиками.

165