Основы медицинской электроники

2.5 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СЪЕМА, ПЕРЕДАЧИ И РЕГИСТРАЦИИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

        Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств. Первичный элемент этой совокупности - чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, - непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико-биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений. Структурная схема измерительной цепи изображена на рис. 21.1. Эта схема является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики. Завершающим элементом измерительной цепи является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

 

6. ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СЪЕМА БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА

        Электроды - 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. 21.2 (8бп - э.д.с. источника биопотенциалов; r - сопротивление внутренних тканей биологической системы; R - сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; Квх - входное сопротивление усилителя биопотенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках контура одинакова, имеем

Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя полезным, так как усилитель увеличивает именно эту часть э.д.с. источника. Падение напряжения Ir и IR внутри биологической системы и на системе электрод-кожа в этом смысле бесполезно. Так как 8бп задана, а повлиять на уменьшение Ir невозможно, то увеличить IR^ 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. 14.15) 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  лектродов: физиологический раствор может высохнуть и сопротивление изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессознательном состоянии пациента надежнее использовать игольчатые электроды и т.п.

 

2.7 ДАТЧИКИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

        Многие медико-биологические характеристики нельзя снять электродами, так как они 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 измерительная 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 электрического сигнала предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные - это датчики, которые 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.

3) индукционные, электромагнитная индукция.

4) фотоэлектрические, фотоэффект.

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодат-чик) - для измерения перемещения или деформации.  В таблице приведены примеры возможных медико-биологических типов датчиков.

Таблица

2.8 Усилители биологических сигналов

Источником сигналов для УБС являются живые организмы (биологические объекты), Основными особенностями биоэлектрических источников сигнала, которые необходимо учитывать при проектировании УБС, являются:

1. нестабильность и обычно высокое значение внутреннего сопротивления биоэлектрических генераторов. В процессе длительного исследования внутреннее сопротивление эквивалентного генератора возбуждения может меняться в пределах 103-106 Ом, что определяет необходимость высокого входного сопротивления УБС;

2. на входах УБС не допускается наличие напряжения, которое бы через подводящие провода и электроды оказывало бы воздействие на биообъект в виде возбужденных макро- или микротоков;

3. необходимость подавления паразитного синфазного сигнала, который по величине может во много раз превысить полезный разностный (дифференциальный) сигнал. Основными причинами возникновения синфазных помех на входах УБС являются наводки промышленной частоты, наводки от источников возбуждающего напряжения, применяемых при измерении ряда физиологических параметров, физиологические помехи, представляющие собой сигналы от соседних органов тканей. Подавление синфазных сигналов осуществляется применением на входе УБС дифференциальных усилителей (каскадов).

 Размах биоэлектрических  сигналов, снимаемых при различных  электрофизиологических исследованиях, лежит в диапазоне от 5 мкВ до 120 мВ, диапазон частот этих сигналов - от 10-4 до 104 и более.

 

2.9 ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА. РАДИОТЕЛЕМЕТРИЯ

        Снятый и усиленный электрический сигнал необходимо передать к регистрирующему (измерительному) прибору. Во многих случаях электроды или датчики, усилитель и регистрирующий прибор конструктивно оформлены как единое устройство. В этом случае передача информации не является технической проблемой. Однако измерительная часть может находиться и на расстоянии от биологической системы, такие измерения относят к телеметрии или даже несколько уже - к биотелеметрии. Связь между устройством съема и регистрирующим прибором приэтом осуществляется либо по проводам, либо по радио. Последний вариант телеметрии называют радиотелеметрией. Этот вид связи широко используют в космических исследованиях для получения информации о состоянии космического корабля и его экипажа, в спортивной медицине - о физиологическом состоянии спортсмена во время упражнений. Например, с помощью антенны передатчика на шлеме спортсмена, излучающей радиоволны на расстоянии 300-500 м (т.е. в пределах стадиона), можно фиксировать данные о его состоянии. Радиотелеметрия применяется также для эндорадиозондирования пищеварительного тракта. В некоторых случаях применяют такие многоканальные устройства, которые позволяют получать, передавать и регистрировать одновременно несколько параметров. Одновременная информация медико-биологического характера существенно расширяет диагностические возможности. В настоящее время обработка такой информации производится с помощью вычислительных машин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Заключение

Изучила разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач.

Ознакомилась с применением электронных устройств с диагностической и лечебной целью.

Ознакомилась с навыками отбора литературы и методикой приобретением знаний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Список литературы

1.  Ремизов   А.Н.   Максина   А.Г.,   Потапенко   А.Я.   Медицинская   и  биологическая  физика: учеб.для вузов. –  9-е изд., М.: Дрофа, 2010 и более  ранние издания.

2.  Антонов В.Ф., Черныш  А.М., Козлова Е.К., Коржуев А.В. Физика  и биофизика. Учебник для студентов мед.вузов. – М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008  и более ранние издания.

Дополнительная литература

1.   Биофизика:    учеб.для    студентов    высш.    учеб.   Заведений     / 

В.Ф.АнтоновА.М.Черныш,  В.И.Пасечник  и  др.;  Под  ред.  В.  Ф  Антонова.- .:ВЛАДОС,2000.-288 с. :ил .

2.   Практикум  по  биофизике  :  Учеб.  пособие  для  студентов  высш.  учеб.   заведений   /   В.Ф.   Антонов,   А.М.   Черныш,   В.И.   Пасечник   и   др.- М.:ВЛАДОС,2001.-352 с.:ил

3.   Анализ  биомедицинских  сигналов:  практический  подход:  учеб.пособие для студ. вузов, обуч. по напр. подготовки дипломир. специалистов  "Биомед. техника" по спец. "Биотехн. и мед. аппараты и системы", "Инженер.  дело  в  медико-биолог.  практике"  и  направлению  подготовки  бакалавров  и  магистров  "Биомед.  инженерия"  :  пер.  с  англ.  /  Р.  М.  Рангайян.  -     М.  :Физматлит, 2007. - 440 с. : ил.   Электроника и микропроцессорная техника : учеб.для студ. вузов,  обуч. по напр. подгот. бакалавров и магистров "Биомедицинская инженерия"и по напр. подгот. диплом. спец. "Биомедицинская техника" / В. Г. Гусев, Ю.  М. Гусев. - Изд. 4-е, доп. - М. : Высшая школа, 2006. - 799 с. : ил.