Импульсный сигнал и его параметры

ИМПУЛЬСНЫЙ  СИГНАЛ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ.

Под импульсом  подразумевают быстрое появление и исчезновение электрической величины (напряжения, тока) , то есть действие напряжения (тока) на нагрузку (электрическая схема, ткани организма) в течение короткого промежутка времени t_n, значительно меньшего паузы t_п  между импульсами.

В медицинской радиоэлектронной аппаратуре под импульсами понимаются переменные напряжения (токи), основным признаком которых является их отличие от синусоидальной формы (пилообразные, прямоугольные и т.д.).

Раздражающее действие одиночного импульса тока зависит от его формы (преимущественное значение имеет крутизна нарастания - tga ), длительности t_и  и амплитуды, которые являются его основными характеристиками.

Видеоимпульсы - это такие электрические импульсы тока или напряжения, которые имеют постоянную составляющую, отличную от нуля, то есть имеют одну полярность.

Радиоимпульсы - это модулированные электромагнитные колебания.  

Если импульсы повторяются, то используют ещё одну характеристику - период повторения Т - среднее время между началами соседних импульсов. Частота повторения равна .

Скважностью следования импульсов называется отношение:

                           .

Величина обратная скважности, есть коэффициент заполнения:

                             

В основе действия электрического тока на ткани организма лежит движение заряженных частиц, преимущественно ионов тканевых электролитов, в результате чего изменяется обычный состав ионов по обе стороны клеточной мембраны, в связи с чем в клетке происходит ряд биофизическиз и физиологических процессов, вызывающих её возбуждение.

Опыт показывает, что постоянный ток при установившейся силе тока (не выходящей из допустимых пределов) раздражающего действия на ткани организма не оказывает. Раздражение вызывается при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение происходит (закон Дюбуа-Реймона). Учитывая, что сила тока   в растворе электролита зависит как от числа движущихся ионов, так и от скорости их перемещения, скорость изменения силы тока следует сопоставить с их ускорением. Поэтому можно считать, что раздражающее действие тока обусловлено ускорением при перемещении ионов тканевых электролитов.

Раздражающее действие прямоугольных импульсов в начительной мере зависит от их длительности, обуславливающей наидольшее смещение ионов за время дйствия импульса. Эта зависимость описывается уравнением Вейса-Лапика:                                     ,

где I_П - пороговая сила тока (амплитуда импульса), t_u - длительность импульса, а и в - коэффициенты, зависящие от природы возбудимой ткани и её функционального состояния.

Как видно из графика на рис.2, предельно кратковременные импульсы (вызывающие смещение ионов, соизмеримое с амплитудой колебаний в тепловом движении) не оказывают раздражающего действия. При достаточно длительных импульсах (правая ветвь графика) раздражающее действие их становится независимым от длительности, значение порогового тока при этом называется реобазой (R). Точка “С” кривой, ордината которой равна удвоенной реобазе, определяет длительность импульса, называемую хронаксией (сhr). Хронаксия и реобаза характеризуют возбудимость органа или ткани и могут служить показателями их функционального состояния или диагностическим признаком при их поражении.

Согласно закону Дюбуа-Раймона, раздражающее действие тока зависит от скорости нарастания его мгновенных значений, то есть от крутизны переднего фронта импульса. Это связано со свойством возбудимых тканей повышать порог (“приспосабливаться”) к постепенно нарастающей силе раздражения. Это свойство тканей называется аккомодацией и характеризуется снижением порогового тока “I_n” при возрастании крутизны переднего фронта одиночных достаточно длительных импульсов. Исследование аккомодации производится с помощью треугольных или трапецеидальных импульсов с регулируемой крутизной переднего фронта.

Способность к аккомодации у возбудимых тканей зависит от их функционального состояния. Например, у патологически измененных мышц способность к аккомодации снижается и для них более физиологическими является постепенно (экспоненциально) нарастающие импульсы.

Амплитуда импульсов, обуславливающая силу тока в цепи, зависит главным образом от числа ионов, вовлеченных в движение. Изменением амплитуды импулсов при определенных их форме и длительности обычно регулируется сила раздражения при данной процедуре.

Действие на ткани ритмически повторяющихся одиночных импульсов называется частотным раздражением. Частотное раздражение позволяет выявить особое свойство возбудимых тканей, названное Н.Введенским лабильностью или функциональной подвижностью, которое характеризует способность ткани давать оптимальную реакцию только в определенных пределах частоты повторения раздражающих импульсов. Определение лабильности осуществляется путем наблюдения характера реакции, например, тетанического сокращения мышц, при различной частоте раздражающих импульсов тока.

Из области физиологических исследований электростимуляция перешла в клинику, где она используется в качестве лечебного воздействия при недостаточности или нарушении естественной функции тех или иных органов или систем.

Генераторы  импульсных (релаксационных) электрических колебаний. Мультивибратор. Блокинг-генератор.

Аппараты электростимуляции - генераторы кратковременных импульсов. Импульсные генераторы это радиотехнические устройства, создающие электрические импульсы (напряжения или тока).

Импульсные генераторы классифицируются по способу их возбуждения. Генератор с самовохбуждением (автоколебательный генератор импульсов) содержит элементы положительной обратной связи, приводящие к тому, что в схеме такого генератора возникают колебания без воздействия извне. Частота следования импульсов в таком генераторе зависит от параметров элементов времязадающих цепей схемы.

Вторым типом генераторов импульсов являются ждущие генераторы. Они создают только один импульс в ответ на запускающий (входной) импульс. Если входной импульс не поступает, режим ожидания может продолжаться сколь угодно долго.

Мультивибраторы используются для генерации импульсов прямоугольной формы с частотой повторения от доли герца до 1-2 мГц. Схема мультивибратора (рис.) представляет собой соединение двух усилителей постоянного тока. Выход одного усилителя (выполненного на лампе или транзисторе) через конденсатор С₂ соединён со входом усилителя, выполненного на транзисторе (лампе) Т₂ и, наоборот, выход второго усилителя через конденсатор С₁ соединён со входом первого. При включении питающего напряжения через триоды Л₁ и Л₂ протекают токи Ia₁ и Ia₂ и конденсаторы С₁ и С₂ заряжаются до напряжений Ua₁ и Ua₂ на анодах ламп. Так как все детали мультивибратора, а также характеристики ламп (транзисторов) в обоих его плечах несимметричны, то произойдет увеличение тока в одном из триодов (транзисторов). Это приводит к нарушению равновесия мультивибратора и он переходит в режим колебаний. Длительность генерируемых импульсов и частота повторения их зависит от соотношения величин t₁ = С₁Rc₁ и t₂ = С₂Rc (t₁=C₁Rб₂ и t₂=С₂Rб₁)

Мультивибратор, выполненный  по схеме, приведенной на рис., потребляет энергию от источника питания во время как генерации импульса, так и паузы.

Принципиальная схема блокинг-генератора приведена на рис. (лампового и транзисторного). Основными элементами схемы являются импульсный трансформатор и триод (транзистор). Форма генерируемого импульса близка к прямоугольной. Длительность генерируемого импульса зависит от параметров транзистора и от величины емкости “С”. Частота следования импульсов определяется величинами конденсатора “С” и резистора “R”. Схема генератора отличается высокой экономичностью. Энергия от источника питания потребляется практически только в момент выработки импульса.

 

 

Дифференцирующая  и интегрирующая цепи: принципиальная схема, зависимость формы выходного импульса от длительности входного и постоянной времени цепи.

Простейшая дифференцирующая цепь (а) состоит из последовательно включенного конденсатора С и параллельно включенного резистора R. Если на вход цепи подан прямоугольный импульс напряжения (U_вх = const), то напряжение на выходе U_вых = I_cR, то есть повторяет по форме экспоненциальные импульсы при заряде и разряде конденсатора:

Форма импульса на выходе будет зависеть от соотношения постоянной времени t цепи и длительности импульса t_и. При t <<  t_и конденсатор заряжается в начале импульса и разряжается в его конце, на выходе получаются два кратковременных остроконечных импульса противоположного знака (б). При t >> t_и конденсатор успевает зарядиться только частично и импульс на выходе принимает форму, показанную на рис (в).

Простейшая интегрирующая цепь (1) содержит последовательно включенный резистор R и параллельно включенный конденсатор С. Если на вход цепи подан прямоугольный импульс напряжения (U_вх = const), то напряжение на выходе U_вых  является напряжение на пластинах  конденсатора, которое при заряде имет экспоненциально нарастающую и при разряде экспоненциально спадающую форму (2).

Такие импульсы применяются, например, при электростимуляции. При достаточно большой постоянной времени нарастание выходного импульса происходит по начальной части экспоненты (пунктирная линия), которая приближается к прямой линии - касательной к кривой в начальной точке (3). Угол наклона этой линии (tga) можно найти как производную от уравнения заряда конденсатора:  

При t = 0  . Тогда U_вых = .

Этот случай называется идеальным интегрированием.

Названия дифференцирующая или интегрирующая цепи связаны с тем, что при подаче на вход напряжения, изменяющегося от времени как некоторая функция U = f(t), напряжение на выходе будет меняться приблизительно как её производная или как интеграл от этой функции.

Физиотерапевтические аппараты низкочастотной терапии. Электронные стимуляторы для физиологических исследований и для лечебных целей. Типы и устройство кардиостимуляторов.

Медицинские аппараты - генераторы непрерывных и импульсных низкочастотных электромагнитных колебаний - объединяют две большие группы устройств, которые трудно четко различить, - стимуляторы и аппараты физиотерапии.

Электростимуляция - побуждение деятельности органа или ткани с помощью электрических импульсов.

Достоинства электростимуляции:

1) отсутствие побочных воздействий,

2) хорошая переносимость  воздействия,

3) минимальное  количество противопоказаний (поздние  сроки беременности, онкологические больные),

4) локальность  воздействия,

5) легкость дозировки  воздействия,

6) повышение  технического уровня врачей (кругозор),

7) развитие техники.

Классификация электростимуляторов (по объекту воздействия):

1. Стимуляция  ЦНС.

2. Стимуляция  нервно-мышечной системы и опорно-двигательного  аппарата.

3. Стимуляция  сердечно-сосудистой системы.

4. Стимуляция дыхания.

5. Стимуляция  органов моче-половой системы.

6. Стимуляция  желудочно-кишечного тракта.

Назначение:

а) для восстановления временно утраченной функции,

б) усиление какой-либо функции,  если она ослаблена,

в) замена функции.

Примером стимулятора широкого назначения является универсалный электростимулятор УЭИ-1. Он представляет собой генератор импульсного тока прямоугольной и экспоненциальной формы. Параметры импульсов и их частота могут регулироваться в широких пределах, длительность прямоугольных импульсов способна изменяться дискретно от 0,01 до 300 мс.

Аппарат позволяет измерять амплитуду импульса тока в цепи пациента. На экране электронно-лучевой трубки можно наблюдать форму импульсов на выходе аппарата.

Другим прибором для электролечения является аппарат СНИМ-1, частота импульсов около 100 Гц, форма тока показана на рис.

Электротерапия синусоидальными модулированными токами осуществляется аппаратом “Амплипульс - 3”. В этом аппарате частота несущих синусоидальных колебаний равна 5 кГц, частота модулирующих синусоидальных колебаний может плавно регулироваться в пределах 10-150 Гц. Некоторые возможные формы токов, созданные этим генератором, показаны на рис.

Блокинг-генератор и мультитвибратор  применяются в качестве генераторов импульсов в кардиостимуляторах. Кардиостимулятором называют прибор, позволяющий генерировать искуственные стимулирующие импульсы и подавать их на сердце. Он состоит из импульсного генератора и соответствующих электродов. Существуют имплантируемые и внешние кардиостимуляторы. Имплантируемым кардиостимулятором называют такое устройство, все системы которого находятся внутри  тела пациента. В противоположность ему, внешнийкардистимулятор обычно состоит из внешнего генератора импульсов, носимого пациентом и подключенного к электродам, расположенным внутри миокарда или на нем.