Кинематика движений человека

Механика занимается рассмотрением простейшей формы движения материи – механической. Такое движение состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени. При анализе необходимо исходить из ряда основных понятий

Материальной точкой называется тело, размеры и форма которого несущественны в рассматриваемой задаче. Например, при изучении скорости прохождения дистанции марафонцем нет никакой необходимости рассматривать части тела спортсмена в отдельности, поскольку размеры атлета и расстояние, им пройденной, отличаются на четыре порядка величины.

Системой материальных точек или тел (механической системой) называется мысленно выделенная совокупность материальных точек или тел, которые в общем случае взаимодействуют как друг с другом, так и с телами, не включенными в состав этой системы. При определенных условиям биомеханика рассматривает тело спортсмена именно как систему материальных тел.

Динамика движений человека

Различают:

• динамику поступательного движения, или динамику материальной точки, и
• динамику вращательного движения, или динамику твердого тела.

Силой называется некоторая физическая величина, выражающая взаимодействие между рассматриваемым телом и другими телами или полями.

Ускорение тела пропорционально силе, действующей на тело: F ~ a. Тогда отношение величины силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению, постоянно для данного тела и называется массой тела: масса = сила/ускорение.

Внешние силы – это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.

Внутренними силами являются силы, действующие между частицами, эти силы оказывают сопротивление изменению формы.

Нормальное напряжение: применительно к деформации растяжения, его можно выразить как отношение силы к площади поперечного сечения стержня:σ=F/S

Для деформации сдвига напряжение τ выражают как отношение силы к площади грани, к которой сила касательна. В этом случае τназывают касательным напряжением:τ=F/S

Вопрос №25

Вопрос №26

Вопрос №27

Вопрос №28

Вопрос №29

Вопрос №30

Вопрос №31

Вопрос №32

Вопрос №33

Вопрос №34

Вопрос №35

Вопрос №36

Оптическая система глаза и её недостатки.

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г.

Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток, в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая состоит из роговицы, влаги перадней камеры, хрусталика и стекловидного тела. Преломляющая сила глаза зависит от величины радиусов кривизны передней поверхности роговицы, передней и задней поверхностей хрусталика, расстояний между ними и показателей преломления роговицы, хрусталика, водянистой влаги и стекловидного тела. Оптическая сила задней поверхности роговицы не учитывается, поскольку показатели преломления ткани роговицы и влаги передней камеры одинаковы.

Приближенно можно сказать, что преломляющие поверхности глаза сферичны и их оптические оси совпадают, т. е. глаз является центрированной cистемой. В действительности же оптическая система глаза обладает многими погрешностями. Так, роговица сферична только в центральной зоне, показатель преломления наружных слоев хрусталика меньше, чем внутренних, неодинакова степень преломления лучей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Помимо того, оптические характеристики в разных глазах существенно различаются, причем определить их трудно. Вое это осложняет вычисление оптических констант глаза.

Оптическая Система Глаза

(англ. optical system of eye) - оптический аппарат глаза; состоит из 4 преломляющих сред: роговицы, камерной влаги, хрусталика и стекловидного тела.Для расчетов и исследований используют упрощенную модель О. с. г. Одна из первых моделей разработана шведским офтальмологом Альва-ром Гульстрандом (Нобелевская премия в 1911); др. модель О, с. г. - редуцированный глаз Вербицкого - имеет след. параметры: 1) преломляющая сила в диоптриях, или рефракция (58,82); 2) длина глаза (23,4 мм); 3) радиус кривизны роговицы (6,8 мм); 4) показатель преломления стекловидного тела (1,40); 5) радиус кривизны поверхности сетчатки (10,2 мм).В редуцированном глазе оптическая система состоит из 1 преломляющей поверхности, разделяющей 2 среды - воздух и стекловидное тело. При расчетах нужно вносить поправки на изменения аккомодации, поскольку преломление хрусталика в процессе аккомодации значительно изменяется (т. н. динамическая рефракция). При нормальной О. с. г. (эмметропии) изображение далеких предметов, испускающих практически параллельные лучи, должно фокусировать на сетчатке. Но нередко встречаются аномалии О. с. г.: близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия), когда главный глазной фокус не совпадает с сетчаткой.Такие глаза называются аметропическими. При миопии главный фокус находится перед сетчаткой, а при гиперметропии - за ней.Реже встречаются грубые отклонения от осевой симметрии роговицы или хрусталика, приводящие к астигматизму, при котором фокусирование параллельно падающих на глаз лучей в одной точке невозможно из-за различной преломляемости в разных меридианах глаза. К оптическим несовершенствам глаза относится анизэйкония, при которой размер изображения предмета на сетчатке одного глаза больше, чем на сетчатке др. См. также Аберрация, Зрение, Линия взора.)

Недостатки оптической системы глаза.

Оптической системе свойственны некоторые специфические недостатки.

В нормальном глазу при отсутствии аккомодации задний фокус совпадает с сетчаткой- такой глаз называют эмметропическим, и аметропическим, если это условие не выполняется.

Наиболле распростаненные вилами аметропии являются близорукость(миопия) и дальнозоркость(гиперметропия).

Близорукость- недостаток глаза, состоящий в том, что задний фокус сетчатки при отсутствии аккомодации лежит за сетчаткой.(собирающая линза корректирует зрение)

Дальнозоркость- перед сетчаткой(рассеивающая линза корректирует зрение)

Вопрос №37

Вопрос №38

Вопрос №39

Вопрос №40

Вопрос №41

Вопрос №42

Вопрос №43

Электроника — прикладная отрасль знаний. Одно из распространенных применений электронных устройств связано с диагнос­тикой и лечением заболеваний. Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство со­ответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Медицинская электроника основывается на сведениях из фи­зики, математики, техники, медицины, биологии, физиологии к других наук, она включает в себя биологическую и физиологиче­скую электронику.

Применения электроники в медицине многообразны, ибо это постоянно расширяющаяся область. В настоящее время многие традиционно «неэлектрические» характеристики — температуру, смещение тела, биохимические показатели и др. — при измерени­ях преобразуют в электрический сигнал. Информацию, представ­ленную электрическим сигналом, удобно передавать на расстоя­ние и надежно регистрировать. Можно выделить следующие ос­новные группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико-биологических целей.

1. Устройства для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации. Такая информация может быть не только о процессах, происходящих в организме (биологи­ческих тканях, органах, системах), но и о состоянии окружаю­щей среды (санитарно-гигиеническое назначение), о процессах, происходящих в протезах, и т. д. Сюда относится большая часть диагностической аппаратуры: баллистокардиографы, фонокардиографы, реографы и др. Для подавляющего большинства этих приборов в радиотехническом отношении характерно наличие усилителей электрических сигналов.

К этой группе можно отнести и электромедицинскую аппаратуру для лабораторных исследований, например рН-метр.

2. Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воздей­ствие на организм различными физическими факторами (ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля и др.) с целью ле­чения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохирургии, кардиостимуляторы и др. С физической точки зрения эти устройства являются генераторами различных электрических сигналов.

3.Кибернетические электронные устройства: а) электронные вы­числительные машины для переработки, хранения и автоматического анализа медико-биологической информации; б) устройства дляуправления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием окружающей человека среды; в) электронные модели биологических процессов и др.

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

Весь арсенал технических средств, применяемых в медицине, можно разделить на следующие группы:

а) медицинские приборы;

б) медицинские аппараты и системы;

в) медицинские инструменты;

г) медицинское оборудование.

Термин медицинская аппаратура является объединяющим для медицинских приборов и аппаратов.

Медицинская аппаратура:

по виду используемой энергии

- электронная

- механическая

электронная по направлению потока энергии

- воздействующие аппараты и приборы

- воспринимающие природы

воздействующие по назначению

- терапевтические аппараты

- диагностические приборы

воспринимающие по виду воспринимаемой энергии

- воспринимающие электрическую энергию

- воспринимающие механическую энергию

- воспринимающие химическую энергию

- воспринимающие тепловую энергию

воздействующие по виду воздействующей энергии

- воздействующие электрической энергией

- воздействующие механической энергией

воздействующие механической энергией по агрегатному состоянию рабочего вещества

- механические

- гидравлические

- газовые

воздействующие электрической энергией по положению в спектре электромагнитных колебаний

- низкочастотные

- высокочастотные

- светооптические

- рентгеновские

- радиологические.

Медицинский прибор –техническое устройство, предназначенное для диагностических и лечебных измерений.

Например:

- приборы для измерения биопотенциалов

- электротермометры

- электроманометры

- спектрофотометры, оксигемометры

- реоплетизмографы и т.д.

Медицинский аппарат –техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического или разрушающего свойства, а также обеспечивать в медицинских целях определенный состав различных субстанций.

Например:

- аппараты для терапии постоянным током

- аппараты для терапии импульсными и переменными токами

- аппараты для низкочастотной и ВЧ-терапии

- аппараты УЗ-терапии

- аппараты для жизнеобеспечения организма.

Основные требования, предъявляемые к медицинской аппаратуре:

- электробезопасность

- надежность

- точность измерения

Одной из важнейших задач при разработке, промышленном выпуске и эксплуатации электромедицинской аппаратуры является обеспечение полной электробезопасности для обслуживающего персонала и пациентов.

Поражение организма электрическим током может быть в виде электрической травмы или электрического удара.

Электрические травмы — это результат внешнего местного действия тока на тело: электрические ожоги, электрометаллизации кожи, знаки тока.

Электрические ожоги являются или следствием теплового действия тока, проходящего через тело человека, или происходят под действием электрической дуги, возникающей обычно при коротких замыканиях в установках с напряжением выше 1000 В.

Электрометаллизация кожи происходит при внедрении в кожу мельчайших частиц расплавленного, под действием тока, металла.

Электрические знаки тока, — поражение кожи в виде резко очерченных округлых пятен, возникают в местах входа и выхода тока из тела при плотном контакте с находящимися под напряжением частя­ми.

Электрический удар — возбуждение тканей организма под действи­ем тока, которое сопровождается непроизвольным судорожным со­кращением мышц.

Электрические удары могут вызывать наиболее тяжелые повреж­дения, поражая внутренние органы человека: сердце, легкие, цент­ральную нервную систему и др. В результате электрического удара может произойти расстройство сердечной деятельности (нарушение ритма, фибрилляция желудочков сердца), расстройство дыхания, шок, в особо тяжелых случаях, приводящие к смертельному исходу.

Действие электрического тока на организм зависит от большого количества различных факторов, основными из которых являются: величина тока, определяемая приложенным к телу напряжением и сопротивлением тела, род и частота тока, продолжительность воздей­ствия, путь прохождения тока. Больной вследствие различных причин (ослабленность орга­низма, действие наркоза, отсутствие сознания, наличие электро­дов на теле, т. е. прямое включение пациента в электрическую цепь, и др.) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. Медицинский персонал, рабо­тающий с медицинской электронной аппаратурой, также нахо­дится в условиях риска поражения электрическим током.

В электрической сети и в технических устройствах обычно за­дают электрическое напряжение, однако действие на организм или органы оказывает электрический ток, т. е. заряд, протекаю­щий через биологический объект в единицу времени.

Величина тока является основным параметром, определяющим степень поражения. При сжимании руками электродов ощущения тока частотой 50-60 Гц появляются при силе тока около 1 мА, при уве­личении тока до 5-10 мА начинаются судороги в руках, при токе 12-15 мА уже трудно оторваться от электродов. При 50-80 мА наступает паралич дыхания, а при 90-100 мА и длительности воздействия 3 с и более — паралич сердца. При действии постоянного тока соответствующие реакции имеют место в момент замыкания и размыкания цепи и наступают при значительно большей его величине. Так ощущение постоянного тока появляется при 5-10 мА, затруднение дыхания при 50 -80 мА, паралич дыхания - при 90-100мА.

Важнейшее значение для исхода несчастного случая имеет время действия электрического тока на организм: с уменьшением времени действия увеличивается та пороговая сила тока, которая еще не вы­зывает паралича или фибрилляции сердца.

Сопротивление тела человека между двумя касаниями (электродами) складывается из сопротивления внутренних тканей и органов и сопротивления кожи. Сопротивление внутренних частей организма для пути ладонь – ступня 1 кОм, сопротивление кожи зависит от внутренних и внешних причин и на порядок выше.

Некоторые общие указания техники безопасности:

— не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;

— не работайте на влажном, сыром полу, на земле;

— не касайтесь труб (газ, вода, отопление), металлических конструкций при работе с электроаппаратурой;

— не касайтесь одновременно металлических частей двух ап­паратов (приборов).

При проведении процедур с использованием электродов, нало­женных на пациента, трудно предусмотреть множество вариантов создания электроопасной ситуации (касание больным отопитель­ных батарей, газовых и водопроводных труб и кранов, замыкание через корпус соседней аппаратуры и т. п.), поэтому необходимо четко следовать инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких-либо отступлений от нее.

Медицинская аппаратура должна нормально функциониро­вать. Это требование, однако, не всегда выполняется, говоря точ­нее, такое требование не может выполняться сколь угодно долго, если не принимать специальных мер.

Врач, использующий медицинскую аппаратуру, должен иметь представление о вероятности отказа эксплуатируемого изделия, т. е. о вероятности порчи прибора (аппарата) или его частей, превышения или понижения допустимых параметров. Устройство, не отвечающее техническим условиям, становится неработоспособным. Отремонти­ровав, его можно сделать вновь работоспособным. Во многих случаях достаточно заменить лампу или резистор, чтобы изделие вновь функ­ционировало нормально, однако может быть и так, что аппаратура оказывается настолько устаревшей и изношенной, что экономически нецелесообразно ее ремонтировать (восстанавливать). В связи с этим медицинский персонал должен иметь представление о ремонтопригодности аппаратуры и долговечности ее частей.

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 N работающих (не испортившихся) за

время tизделий к общему числу N₀ испытывавшихся изделий:

Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени.

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. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,99 в течение наработки между планово-предупредительными техниче­скими обслуживаниями, а для изделий, не подлежащих техниче­ским обслуживаниям (ремонт, поверка), — в течение установлен­ного для них срока службы. К изделиям этого класса относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями боль­ного, аппараты искусственного дыхания и кровообращения и др.;

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. Вероятность безотказной работы изде­лий этого класса должна быть не менее 0,8. К таким изделиям относятся системы, следящие за больными, аппараты для стимуляции сердечной деятельности и др.;

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.

Медикам интересно знать, что понятие надежности можно с некоторой долей условности применять и к человеческому организму,рассматривая болезнь как утрату работоспособности, лечение -как ремонт, а профилактику — как мероприятия, способствующие повышению надежности. Однако организм — сложная система, и «технический» подход возможен лишь отчасти, с учетом обратных связей и процессов регулирования.

Существует наука метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – процесс, заключающийся в определении значения величины с помощью специальных технических средств ( прямые и косвенные ).

Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Абсолютная погрешность:

Х – показания прибора,

Х0 – истинное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность:

Точность измерения – величина, отражающая близость результатов измерения к истинному значению измеряемой величины.

Существуют классы точности приборов.

2.Любое медико-биологическое исследование связано с полу­чением и регистрацией соответствующей информации. Не­смотря на разнообразие устройств и методов, употребляе­мых для этой цели, можно указать их общие схемы и принци­пы действия.

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.

Рис.1

Структурная схема измерительной цепи изображена на рис 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 меди ко-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики.

Завершающим элементом измерительной цепи в медицинской электронике является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Во многих случаях между устройством съема и средством из­мерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал и передающие его на расстояние.

В структурной схеме (см. рис. 1) Xозначает некоторый из­меряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Уобозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм ) на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количест­венной информации о биологической системе должна быть из­вестна зависимость У = f(X).

3. Электроды для съема биоэлектрического сигнала — 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.

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 электродов.

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.

Рис.2

На рис.2 показано поперечное сечение двух серебряных пласти­нок, используемых в качестве электродов для снятия биопотенциалов и контактирующих с поверхностью кожи, которая действует как электролит. Так как серебро является хорошим проводником электричества, то оно имеет избыток слабо удерживаемых или относительно свобод­ных валентных электронов. При контакте электрода с поверхностью кожи (биообъектом) некоторые из его валентных электронов переходят в электролит. Это приводит к тому, что бывший ранее электри­чески нейтральным электрод становится заряженным положительно по отношению к биообъекту. Возникающая разность потенциалов называет­ся потенциалом полуэлемента. Для погруженного в электролит сереб­ра напряжение полуэлемента составляет примерно 0,8 В. Если оба электрода химически идентичны, то каждый из них порождает один и тот же потенциал полуэлемента и результирующее напряжение между электродами будет равно нулю.

Разность потенциалов между контактами физиологических элект­родов, контактирующих с телом пациента, называется напряжением смещения электродов. Если электроды химически идентичны, то напряжение смещения равно нулю. На практике между контактами используемых физиологических электродов существует некоторое напряжение смещения. При подключении электродов с помощью провод­ников ко входу усилителя последний будет реагировать на постоян­ное напряжение смещения точно так же, как и на физиологические сигналы, поступающие от организма.

Значения и полярности потенциалов полуэлемента для электродов определяются в большой степени применяемыми материалами. Большое напряжение смещения может помешать проведению измерений или повлиять на их результат и привести к получению нежелатель­ных артефактов. Например, серебреный электрод создает потенциал полуэлемента + 0,8 В, что приблизительно в 800 раз больше зна­чений ЭКГ, которые можно измерить на поверхности тела.

Эксперименты показали, что происходящие в электродах хими­ческие явления могут явиться причиной возникновения флуктуации напряжения шумов при отсутствии каких-либо физиологических сигналов. Такие изменения могут также быть восприняты как арте­факты. Как шум, так и потенциал полуэлемента, можно уменьшить, выбрав соответствующий материал электродов или в некоторых случаях специально их обработав. Было установлено, что элект­род серебро-хлорид серебра является наиболее стабильным и его электродный потенциал мал. Электрод такого типа изготовляется путем химического покрытия куска почти чис­того серебра солью - хлоридом серебра.

При накладывании электрода на поверхность кожи на перехо­де электрод-кожа существует определенное электрическое сопро­тивление. Для надежной записи физиологических сигналов, свобод­ной от артефактов, необходимо, чтобы электрод имел хороший с малым сопротивлением контакт с кожей. Так как верхний слой ко­жи в значительной мере состоит из мертвых клеток и на нем всегда присут­ствует некоторое количество жиров и грязи, то естественное элект­рическое сопротивление кожи высоко по сравнению с сопротивлением жидкостей в организме. Поэтому при размещении электродов на поверхности кожи то место, на которое будет наложен электрод, обычно подготавливают или обрабатывают, чтобы понизить сопротив­ление. Слой мертвых клеток может быть удален из области наложения электрода спиртом или какими-либо другими подходящими очищающими агентами. Затем между электродом и поверхностью кожи наносят про­водящую электролитическую пасту, которая широкодоступна в нас­тоящее время. Эта паста образует как бы мост между ионами тела и поверхностью электрода и обеспечивает низкое сопротивление пе­рехода электрод-кожа. Некоторые пасты содержат в электролите очень маленькие абразивные частицы. Эти пасты можно применять и для подготовки места наложения электрода, и для снижения контакт­ного сопротивления.

Размер и тип используемого электрода также играют важную роль при определении его сопротивления. Более крупные электроды обычно имеют меньшее сопротивление. Поверхностные электроды имеют сопротивление 2000 ... 10 ООО Ом, а маленькие игольчатые - значи­тельно более высокое.

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод:

Для качественной регистрации биопотенциалов необходимо обеспечитъ:

1. Низкое переходное сопротивление электрод-кожа

2. Низкое межэлектродное сопротивление

3.Малый уровень электродных потенци­алов, возникающих на поверхности электрода в месте контакта с поверхностью кожи.

Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды — металлические пластинки с клеммами 1(рис.3), в которые вставляют и за­крепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электро­ды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2.Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет клемму для штыря кабеля отведений.

Рис.3

4.Многие медико-биологические характеристики нельзя непо­средственно «снять» электродами, так как эти характеристики 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).

Датчикомназывают устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которо­му подведена измеряемая 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 электрических сигналов предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистриро­вать. Датчики подразделяются на генераторныеи параметриче­ские.

Генераторные датчикипод 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 — явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединен­ных разнородных проводников, имеющих различную температуру спаев; 3) индукционные, электромагнитная индукция; 4) фотоэлектрические, фотоэффект.

Параметрические датчикипод воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо свой параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр: 1) емкостные, емкость; 2) реостатные, омическое сопротивление; 3) индук­тивные, индуктивность или взаимная индуктивность.

В зависимости от вида энергии, являющейся носителем инфор­мации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д.

Датчик характеризуется функцией преобразования— функциональной зависимостью выходной величины уот входной х, ко­торая описывается аналитическим выражением у = f(х) или гра­фиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = кх.

Чувствительность датчикапоказывает, в какой мере вы­ходная величина реагирует на изменение входной:

К = Δу/Δх.

Она в зависимости от вида датчика выражается, например, в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) и т.д.

Существенны временные характеристики датчиков. Дело а том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновен­но, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Инерционность датчика оценивается по его переходной характеристике, выражающей изменение выходной величины во времени при скачкообразном изменении преобразуемой величины на входе ( пропорциональна массе датчика).

Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма раз­нообразна: от простейших (типа термопары) до сложных доплеровских датчиков.

Датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.

Примеры датчиков:

Рис. 4. Резистивный датчик дыхания Рис.5. Тензометрические датчики

Рис. 6. Электролитический датчик Рис.7. Индуктивные датчики

Рис.8. Термопары Рис. 9. Пьезоэлектрический датчик

Вопрос №44

Вопрос №46

Вопрос №47

Вопрос №48

Гальванизация.Лекарственный электрофорез.

Гальванизация – это непрерывный постоянный ток напряжением 60-80 В используют как лечебный метод физиотерапии.

Источником тока обычно служит двухполупериодный выпрямитель – аппарат для гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца или станиоля толщиной 0,3-0,5 мм. Так как продукты электролиза р-ра поваренной соли, содержащегося в тканях, вызывают поджигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные, например, теплой водой.

Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ.

Вопрос №49

Вопрос №50

"ИМПЕДАНС БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ"

1. Импеданс – основные понятия.

При прохождении через ткани переменного тока, изменяющегося по гармоническому закону

I(t) =I₀ cos ωt,

падение напряжения на биологической ткани изменяется по закону

U (t)=U_o⋅cos (ωt+ϕ).

Величиной, определяющей соотношение между напряжением и силой переменного тока, является импеданс - полное электрическое сопротивление цепи переменному току.

На опыте напряжение отстает по фазе от тока (ϕ<0), что характерно для электрических цепей, состоящих из резисторов и конденсаторов.

Для биологического объекта импеданс носит составной (комплексный) характер Z=(R,X). Его активная составляющая R связана, в первую очередь, с проводимостью внутренних жидких сред, являющихся электролитами. Различные процессы в тканях, сопровождающиеся необратимыми потерями энергии, также дают вклад в величину активной составляющей импеданса. Реактивная компонента X определяется емкостными свойствами исследуемой ткани, в частности, емкостью биологических мембран. Кроме того, в емкостную составляющую импеданса дает вклад и область контакта стимулирующих электродов с биологическими тканями.

Абсолютная величина (модуль) электрического импеданса определяется выражением .

В различных частотных диапазонах используются разные методики исследования, позволяющие определять активную и реактивную составляющие импеданса. В диапазоне частот до 1 МГц еще возможно прямое измерение силы тока и напряжения. При более высоких частотах (метровый диапазон волн) биологическую ткань вместе с измерительными электродами используют как часть колебательного контура. По изменению резонансных свойств контура судят о величине импеданса – активной и реактивной его части. Для измерений в дециметровом и сантиметровом диапазонах биологическую ткань помещаюв в влоновод. Величину импеданса определяют по характеристикам распространения электромагнитных волн в влоноводе.(( Наиболее четко различное поведение импеданса в разных частотных областях прослеживается на дисперсионной кривой мышечной ткани (2). Для усредненной "ткани" (кривая 4) из-за ее неоднородного сторения (мышечная, сосудистая, жировая, кровь и другие составляющие) импеданс монотонно уменьшается в области низких частот. Начиная с частоты ≈10МГц дисперсионные кривые имеют сходный характер. В этой области частот процессы, отвечающие за изменение импеданса, одинаковы для всех видов тканей.))