Диагностические электронные системы

Устройства съема медицинской информации (УСМИ) — это устройства, обеспечивающие получение сигналов, связан­ных с явлениями и процессами, происходящими в живых орга­низмах.

Основные требования, предъявляемые к УСМИ.

1. Минимум искажения полезного сигнала.

2. Максимальная помехозащитность.

3. Удобство размещения в необходимом для из­мерения месте.

4. Отсутствие раздражающего действия.

5. Возможность многократного использования и стерилизации без изменения характеристик.

Электроды - это проводники специальной формы для съе­ма электрических сигналов ре­ально существующих в организме.

Классификация УСМИ

Различного вида электроды используются и для подведения к организму внешнего воздействия.

Электроды как устройства съема различа­ются:

1.По виду регистрируемого сигнала (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, ЭГГ, ЭОГ и др.).

2.По материалу (металлические, угольные, стек­лянные). Стек­лянные правильно называть элек­тролитическими, т. к. проводни­ком является рас­твор электролита (КС1 и др.), который заключен в стеклянную канюлю.

3.По конструкции (плоские, игольчатые, много­точечные).

4.По площади (чем меньше площадь, тем более локально от­водятся биопотенциалы).

5.По назначению: одноразовые — используются в кабинете функциональной диагностики; дли­тельного наблюдения - в пала­тах реанимации; динамического наблюдения - в физиологии тру­да и спорта; экстренного применения - скорая по­мощь.

6.По месту расположения (поверхностные и вка­лывающие). Поверхностные электроды должны иметь контактное сопротивле­ние 10-15 кОм, по­этому их накладывают через токопрово­дящие пасты и прокладки.

Очень часто приходится регистрировать измене­ние характери­стик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлек­тричес­кие величины, обусловленные жизнен­ными функциями, к ним от­носятся:

1. Механические (перемещение, скорость, уско­рение, акусти­ческие параметры, давление, виб­рации и др.).

2. Физические (тепловые: температура, энергия, количество теплоты; электрические: характери­стики электрического (Е, ε, у), магнитного поля (B, μ ,v), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядер­ные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излу­чения, дозы и др.).

3. Химические (химический состав, концентра­ция, рН).

4. Физиологические (кровенаполнение, пульс и др.).

Для измерения этих величин используются дат­чики (преобра­зователи).

ДАТЧИКИ— это УСМИ, которые своим чув­ствительным элементом реагируют на воз­действие измеряемой величины и осущест­в­ляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в элек­трические сигналы)

В энергетических датчиках создается смодули­рованный (с неменяющимися параметрами) по­ток энергии. Измеряемый пара­метр изменяет этот поток (модулирует), эти изменения регистри­руются чувствительным элементом. Та­ким образом, общую схе­му измерения энерге­ти­ческими датчиками можно представить так: ис­точник энергии - объект исследования - чувстви­тельный элемент.

В фотоэлектрическом датчике (1) создается световой поток Фо. При прохождении через ткани организма поток меняется, в качестве реги­стрирующего устройства может использо­ваться фо­торезистор, фотоэлемент, фотопла­стинка. В рентгеновских датчиках (аппаратах) (2) в каче­стве излу­чения используются рентге­новские лучи, а в качестве чувстви­тельного элемента - фотопластинка, люминесцентный экран, рентге­ночувстительный экран. При ультразвуковом исследовании - (УЗИ) (3) использует­ся поток УЗ-волн, а для регистрации, как правило, пьезо­датчики. В биоуправляемых активных (гене­раторных) датчиках под воз­действием измеряе­мой величины генерируются пропорциональ­ные ей электрические сигналы. Наиболее часто упот­ребляемые датчики: термо­пары (1), тензодатчики (2), индукционные (3), полу­проводниковые вен­тильные фотоэлементы (4).

В термопарах имеются два спая, в которых со­единяются два различных проводника или полу­проводника. В каждом из спаев создаются кон­тактные разности потенциалов. Суммарная раз­ность потенциалов определяет ЭДС термо­пары. ЭДС пропорциональна разности темпера­тур спаев ε = к (Т1 - Т2), где к зависит от типа со­еди­няемых проводников или полупроводников. В тензодатчиках используется прямой пьезо­элек­трический эффект - при воздействии на некото­рые кристаллы (кварца, титанат бария и других) внешней силой, в результате структур­ной поля­ризации, на поверхности этих кристал­лов появ­ляется разность потенциалов, пропор­циональная приложенной силе. В индукцион­ных датчиках, при перемещении постоянного магнита относи­тельно катушки, возникает ЭДС индукции, кото­рая определяется по закону Фарадея ε = - ∆Ф/∆t. В конечном итоге ЭДС пропорциональна скоро­сти перемещения постоянно­го магнита. В полу­проводниковых вентильных фотоэлементах исполь­зуются кристаллы селена. Внутри селено­вой пластины за счет тех­нологии изготовления создается запи­рающий слой, который не пропус­кает основных носителей заряда. При освещении фотоэле­мента в верхнем слое возникают пары электрон-дырка. За счет за­пирающего слоя они разделяются и образуется фото ЭДС, про­пор­циональная световому потоку.

Биоуправляемые пассивные (па­раметриче­ские) датчики представляют собой замкнутую электрическую цепь, в состав которой входят: ис­точник постоянного или переменно­го напря­же­ния, измерительный при­бор (амперметр) и со­противление R, величина которого меняется пропор­ционально изменению измеряемого

неэлектрического сигнала организма. По закону Ома пропорцио­нально изменяется и ток в цепи, поэтому шкала измерительного прибора градуи­руется в единицах измеряемой неэлектрической ве­личины. По виду сопротивления параметриче­ские датчики подраз­деляются на: резистивные, емкостные, индуктивные и контактные.

В резистивных датчиках используются: актив­ное переменное сопротивление, движок которого перемещается пропорциональ­но механическому перемещению органов тела человека; термо­рези­стор, величина которого меняется пропор­цио­нально темпе­ратуре измеряемого объекта; фото­резистор, его сопротивление меняется при изме­нении светового потока; в качестве сопротив­ле­ния можно подключать непосредст­венно ткани организма. В этом случае измеряется импеданс (общее сопротивление ткани перемен­ному току). В емкостныхдатчиках сопротивле­нием является конденсатор. Как известно емкость конденсатора определяется формулой: C = (εε₀S)/(4πd),

а величина емкостного сопротивления R = 1/(ωC)

Таким образом, емкостное сопротивление будет меняться при изменении относительной диэлек­трической проницаемости (е), площади пластин (S), расстояния между пластинами (d). Величина этих параметров меняется, либо при механиче­ской перемещении частей тела, либо при измене­нии влажности и температуры среды между пла­стинами конденсатора. В индуктивных датчи­ках используется катушка с ферромаг­нитным сердечником. Ее индуктивность (L) зависит от магнитной проницаемости сердечника (μ), числа витков катушки (n), разме­ров катушки (d,l). Ве­личина индуктивного сопротивления опреде­ля­ется формулой R_L = ωL. В контактных датчиках вместо сопротивления используются два кон­такта, которые замыкаются или размы­каются при периоди­ческом движении, например, при изме­нении размеров грудной клетки при вдохе и вы­дохе.Для правильного использования датчиков необходимо знать их метрологические характе­ристики. Датчики должны периоди­чески прове­ряться метрологическими службами. К метроло­ги­ческим характеристикам относятся:

1. Чувствительность - это изменение выходного сигнала при изменении входного сигнала на еди­ницу. Например, чувствитель­ность термо­пары определяется формулой: k =∆ε/∆t

2. Предел чувствительности - минимальное зна­чение измене­ния входного сигнала, которое можно зарегистрировать с помо­щью датчика.

3. Динамический диапазон - диапазон входных неэлектричес­ких величин от предела чувстви­тельности до максимального зна­чения, регистри­руемого датчиком без искажения.

4. Погрешность - разность между измеренным и действи­тельным значением величины.

5. Время реакции (инерционность) показывает, на сколько ве­личина выходного сигнала датчика отстает по времени (по фазе) от входного.

В качестве примеров использования датчиков рассмотрим из­мерение температуры, параметров системы дыхания и сердечно­сосудистой сис­темы. Различают температуру поверхности и температуру ядра тела. Температура поверхности тела зависит не только от состояния организма, но и от внешней среды: температуры и давления воз­духа, его влажности. Поэтому, как правило, температуру поверх­ности измеряют с точки зре­ния симметричности температурных полей левой и правой области тела человека. Темпера­тура ядра является более стабильным показате­лем и она определяется в ос­новном состоянием внут­ренней среды организма. Измеряют тем­пературу ядра непосредственным помещением датчика в мышцу и отдельные органы, ректаль­ную темпе­ратуру, в полости рта, в подмышечной впадине, паховой области, пупочной ямке. Для из­мерения температуры человеческого тела в качестве дат­чиков ис­пользуются: полупроводни­ковые термо­сопротивления (термисторы), и термоэлементы (термопары).

Основными параметрами, измеряемыми в сис­теме дыхания, являются частота дыхания и глу­бина дыхания. Измерение этих па­раметров про­изводится по механическому перемещению грудной клетки и по противоположно направ­ленным потокам воздуха при вдохе и выдохе, имеющими разную температуру и влажность. Механические перемещения грудной клетки оценивают контакт­ными и резистивными (с ак­тивным сопротивлением) датчиками. Потоки воздуха измеряют емкостными датчиками, тер­мисторами, термопарой. Для оценки деятель­но­сти сердечно-сосудистой системы ис­пользу­ются неэлектрические параметры: частота пульса, па­рамет­ры пульсовой волны, систоличе­ское и диа­столическое давление, тоны и шумы сердца, ме­ханические перемещения органов и тка­ней, свя­занные с одномоментым выбрасыва­нием удар­ного объе­ма крови из левого желу­дочка и др. Частоту пульса и пульсовые волны (сфигмогра­фия) измеряют тензодатчиками. Механические перемещения грудной клетки в области верху­шечного толчка (сейсмография) оценивают ин­дукционными датчиками. Тоны и шумы сердца (фонокардиография) измеряют с помощью мик­ро­фонов, которые по сути пред­ставляют также датчики индукцион­ной системы. Для измерения давления используют тензодат­чики, основанные на пьезоэффекте. Эти датчики вносят в крупные кро­веносные сосуды и в полости сердца. Иссле­дование кровенапол­нения и оценка тонуса кро­веносных сосудов (плетизмо­графия) произво­дится импедансометрическими датчиками, энер­гетичес­кими, фотоэлектриче­скими и тензодатчи­ками. Определение ско­рости кровотока произво­дится энергетическими ультразвуковыми датчи­ками, метод измерения основан на эффекте Доп­плера.

Электрические сигналы на выходе УСМИ, как правило, имеют малую величину (амплитуду). Для регистрации их необходимо усилить. Для этих целей используются устройства усиления (УУ).

Устройства усиления напряжения, тока, мощности элект­рических колебаний за счет энергии постороннего источника называются усилителем колебаний.

Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или полупроводнковый (транзистор). Не вдаваясь в подробности работы усилителя, рассмотрим общие принципы усилителя на­пря­жения.

1.Колебания входного напряжения на сетке лампы создают пропорциональные колебания анодного тока (в случае использо­вания транзи­стора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).

2. Изменяющийся анодный ток создает на нагру­зочном со­противлении R пульсирующее напря­жение, состоящее из посто­янной и пере­менной составляющей.

3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с помощью разделительного конден­сатора, и является усиленным выходным напря­жением.

Из рассмотренного видно, что принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзи­сторного усилителей иден­тичны. Главным пара­метром усилителя является коэффициент усиле­ния. Он показывает во сколько раз ампли­туда выходного напряже­ния больше амплитуды входного напряжения.

k = U_mвых/U_mвх

Приведенные схемы усилителей являются одно­каскадными. Для регистрации электриче­ских сигналов одного каскада, как правило, бывает не­достаточно. Поэтому используют усилители, со­стоящие из нескольких каскадов, которые под­ключаются пос­ледовательно друг с другом. Ко­эффициент усиления многокас­кадного усилителя равен произведению коэффи­циентов усиле­ния всех каскадов.

K = k₁*k₂*k₃

При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения со­ответствовала форме входного напряжения, го­ворят, чтобы усилитель не искажал усиливае­мый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в уси­лителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разра­ботчиками усилителей, соглас­но представ­ленной информации о параметрах усиливаемых сиг­на­лов. Частотные искажения связаны с так назы­ваемой полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется ча­стотная ха­рактеристика — это зависимость коэффици­ента усиле­ния от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частот­ная харак­теристика представлена в графической форме.

Полоса частот от v, до v2, в пределах которой ко­эффициент усиления практи­чески не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не явля­ются гармониче­скими, однако их можно разложить на сумму гар­моник, различающихся по часто­те и ампли­туде. Если все частоты гармоник входят в полосу про­пускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоничес­кая составляющая выходит за пределы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаются по гармони­ческому спектру, то усилители для одного сиг­нала, например ЭКГ, не мо­гут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др. Для того, чтобы использовать усилители для усиления элект­рических потенциалов, возни­кающих в организме человека и жи­вотных, необ­ходимо четко представлять себе биоэлек­триче­скую активность органов человека и их характе­ристики.

Биоэлектрическая активность характеризуется следующими параметрами:

1. Диапазон амплитуд электрических колебаний составляет от единиц мкВ до единиц мВ.

2. Диапазон частот охватывает область частот от долей Гц до 10 кГц.

3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто актив­ным и составляет порядка тысяч и де­сятков тысяч Ом.

Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особен­ностями:

а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, производится при одновременной за­писи нескольких сигналов.

б) при регистрации объект находится в поле дей­ствия различ­ного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.

Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с од­ной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистриру­ющие устрой­ства, с другой стороны, заставляют конструиро­вать усилители с большим коэффициентом уси­ления (до нескольких миллионов раз). Малые входные напряжения приводят к тому, что в уси­лите­лях приходится считаться с собствен­ными шумами входных каска­дов, а из-за боль­шого ко­эффициента усиления со склонностью та­ких усилителей к самовозбуждению. Необхо­димость пропускания очень низких частот усложняет пи­тание усилителя от одного общего источника пи­тания. Это де­лает усилитель очень чувствитель­ным к медленным изменени­ям напряжения ис­точников питания, а работу усилителя не­устой­чивой. В связи с большим сопротивлением ткани входное сопротив­ление усилителя должно быть большим. Одновремен­ная регистрация несколь­ких процессов на одном объекте приводит к тому, что входы усилителей оказываются со­еди­ненными между собой через сопротивление тка­ней. Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и входные элементы усилителей и сами усилители.

Входные каскады усилителей должны удов­летворять следую­щим требованиям:

1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.

2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усили­теля должно быть большим.

3. Каскад должен быть защищен от механиче­ских колебаний.

4. Схема каскада должна давать возможность производить ре­гистрацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.

В таблице перечислены основные параметры электрогра­фических сигналов.

Устройства отображения и регистрации ме­дицинской инфор­мации (УОРМИ) позво­ляют получать в графической или иной форме харак­теристики параметров контролируемого объекта. Устройства отображения осуществляют времен­ное представ­ление информации, а устрой­ства ре­гистрации позволяют длитель­ное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа.

Класси­фикация УОРМИ

.

Аналоговыерегистрирующие и отображающие устройства применяются для представления ин­формации об изменении одно­го или несколь­ких параметров, которые желательно контролиро­вать непрерывно (например, при регистрации ЭКГ). Действие аналоговых УОРМИ основано на об­щем принципе действие по­стоянного магнитного поля на проводник с током. Проволочную рамку помещают между полюсами постоянно­го маг­нита.

На клеммы рамки подается переменное напря­жение от устройства усиления, по форме соот­ветствую­щее изменению регистрируемого пара­метра организма челове­ка. В рамке возни­кает ток, пропорциональный приложенному напря­жению. В левой и правой части рамки токи про­тивопо­ложно направлены. Возникает пара сил, которые поворачивают рамку вокруг оси. Угол поворота пропорционален приложенно­му на­пряжению. Приборы, основанные на этом прин­ципе, называются приборами электромаг­нитной системы. В показывающих (стрелоч­ных) при­борах рамка соединена со стрелкой, которая по­ворачива­ется вместе с рамкой и указы­вает на шкале величину регист­рируемого параметра. Шкала прибора проградуирована в единицах из­мерения регистри­руемого параметра. В светолу­чевых регистраторах на рамку наклеивают лег­кое зеркальце. На зеркальце посыла­ется луч света. Отраженный луч вычерчи­вает на движу­щейся фо­топленке или фотобумаге график изме­нения во времени регист­рируемой величины. Этот вид регистраторов имеет наи­меньшую из аналоговых инерционность и используется для регистрации быстроменяю­щихся параметров. В самописцах рамка соеди­няется со специальным пером, ко­торое вычерчи­вает на движущейся бу­маге развернутую диа­грам­му контролируемой величины.

- в перьевых самописцах перо представляет стержень, запол­ненный чернилами (можно ис­пользовать стержень авторучки);

- в струйных самописцах перо не касается бу­маги, чернила выбрасываются под давлением из специального отверстия.

- при тепловой и электрохимической регистра­ции пером служит заостренный металлический стержень. В этих видах записи используется спе­циальное покрытие бумаги, которое разлага­ется и меняет цвет по следу, в тепловых в резуль­тате трения пера о бу­магу, в электрохимических под действием напряжения, приложен­ного между пером и бумагой.

В дискретных УОРМИ измеряемый параметр регистрируется в буквенном или цифровом виде не непрерывно, а через опреде­ленные проме­жутки времени. В цифропечатающих устройст­вах буквы или цифры отобра­жаются на обычной бумаге. При последовательной печати печа­тание каждого знака требует одного механического пе­ремещения литеры. При параллельной печати при однократном механичес­ком перемещении может печататься слово, строка, абзац, лист, что значительно сокращает время печати.

Цифровые индикаторы отображают цифры, буквы, знаки на экране.

- оптические регистраторы отображают инфор­мацию на обычном стекле путем просвечивания через трафарет (в совре­менных приборах прак­тически не используются);

- газоразрядные индикаторы основаны на прин­ципе свече­ния разряженных газов вокруг про­водника, на который подается достаточно высо­кое постоянное напряжение. Проводником явля­ется обычная проволока, изогнутая по форме бу­квы или цифры;

- наиболее часто в современных регистраторах используется люминесцентная индикация. Экран такого индикатора представля­ет совокупность кристалликов, которые меняют цвет или контрас­тность, если на них подается постоянное напря­жение. Совокуп­ность таких контрастных кри­сталликов и создает изображение бук­вы или цифры.

В комбинированных УОРМИ информация может отображать­ся как непрерывно, так и дис­кретно. Электронно - лучевая трубка использу­ется для отображения информации в электрон­ных осцилографах и видеоприемниках. Принцип действия их достаточно хорошо известен. Ос­новным до­стоинством этих регист­раторов явля­ется их малая инерционность, они способны ре­гистрировать самые быстро меняю­щиеся про­цессы. Принцип магнитной записи основан на том, что записываю­щая головка создает пере­менное магнитное поле пропорцио­наль­ное вели­чине регистрируемого сигнала. Магнитное поле соответ­ственно меняет состоя­ние магнитного порошка на магнитной ленте или диске. Магнит­ная запись это единственное УОРМИ, ко­торое не требует преобразования регистрируемой инфор­мации для дальнейшей передачи и обработки информации на ЭВМ. В современных диагнос­тических системах исполь­зуются в комплексе все виды рассмот­ренных электронных устройств, начиная от УСМИ и кончая СОМИ. Примером может служить УЗИ, компьютерная томогра­фия, видеомониторинго­вые системы.