ЛЕКЦИЯ 2 Б Г У

§ 17.3. Датчики медико-

биологической информации

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).

Датчиком называют 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 генераторные и параметрические.

Генераторные датчики под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некоторые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны: 1) пьезоэлектрические, пьезоэлектрический эффект (см. § 12.7); 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 датчики под 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 (тен- зодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д.

Приведем возможные медико-биологические применения указанных типов датчиков (табл. 26).

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

Таблица 26

Датчик

Механический

Акустический

Оптический

Температурный

Пьезоэлектрический

АД

ФКГ

Термоэлектрический

Т

Индукционный

БКГ

ФКГ

Фотоэлектрический

ОГГ

Емкостной

ФКГ

_

Реостатный

АД,БКГ

т

Индуктивный

ДЖ

Обозначения: АД — артериальное давление крови, БКГ — бал- листокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ — давление в желудочно-кишечном тракте.

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

г = Ау/Ах.

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

Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особенность приводит к зависимости чувствительности датчика от скорости изменения входной величины dx/df или от частоты при изменении х по гармоническому закону.

При работе с датчиками следует учитывать возможные, специфические для них, погрешности. Причинами погрешностей могут

быть следующие факторы: 1) температурная зависимость функции преобразования; 2) гистерезис — запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции преобразования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др.

Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма разнообразна: от простейших (типа термопары) до сложных допле- ровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный).

Этот датчик (рис. 17.5) выполнен в виде резиновой трубки 1, которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов трубки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника 4.

При растяжении трубки увеличивается длина I и уменьшается площадь S сечения столбика угля и согласно формуле увеличивается сопротивление R

R = р 1/S,

где р — удельное сопротивление угольного порошка.

Таким образом, если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе — сокращается. Сила тока в цепи будет изменяться с частотой дыхания, что можно зафиксировать, используя соответствующую измерительную схему.

В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.

§ 17.4. 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 сложной проблемой. Однако измерительная часть может находиться и на рас-Рис. 17.6

стоянии от биологической системы, такие измерения относят к телеметрии или, возможно, к биотелеметрии. Связь между устройством съема и регистрирующим прибором при этом 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. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Миниатюрная капсула с радиопередатчиком (эндорадио-зонд) заглатывается больным (рис. 17.6). По изменению частоты передатчика приемником, расположенным вблизи пациента, можно измерять давление, степень кислотности или щелочности, температуру и другие параметры в месте расположения капсулы.

На рис. 17.7 показана схема эндорадиозонда для определения активности пищеварительных ферментов. Он состоит из трех основных частей: 1 — источник напряжения, размещаемый в съемной торцовой насадке; 2 — диск, спрессованный из ферромагнитного порошка и частиц, растворяющихся ферментом; 3 — транзистор и другие детали радиосхемы. Диск расположен в съемной насадке и так же, как источник напряжения, после однократного употребления может быть заменен другим. Диск прижимается к катушке индуктивности 4 и образует с ней замкнутый магнитопро- вод. По мере растворения диска пищеварительными ферментами уменьшается индуктивность L цепи и [см. (14.9)] увеличивается частота генератора. Таким образом, по воспринимаемой частоте можно судить об активности ферментов.

§ 17.5. Аналоговые регистрирующие устройства

Конечным элементом технической схемы, изображенной на рис. 17.1, является измерительное (контролирующее) устройство, отображающее или регистрирующее медико-биологическую информацию.

Под устройством отображения понимают устройство, которое временно представляет информацию, при появлении новой информации прежняя информация бесследно исчезает. Такими являются, в частности, стрелочные приборы: амперметр, вольтметр и др. Стрелочный амперметр, например, показывает силу тока в данный момент и не фиксирует ее. При изменении силы тока в цепи информация о прежнем значении безвозвратно утрачивается. Для запоминания информации, отображаемой такими устройствами, необходимо специально ее фиксировать, что, например, и делают студенты в физической лаборатории, снимая показания приборов. Медико-биологическое применение устройств отображения достаточно мало: электротермометр сопротивления, частотомер пульса и др.

Значительно большее распространение в медицинской электронике получили регистрирующие приборы, которые фиксируют информацию на каком-либо носителе. Это позволяет документировать, хранить, многократно использовать, обрабатывать и анализировать полученную медико-биологическую информацию.

Отображающие и регистрирующие приборы подразделяют на аналоговые — непрерывные, дискретные и комбинированные, сочетающие возможности аналоговых и дискретных.

Рассмотрим подробнее наиболее распространенные в практике медико-биологических исследований аналоговые регистрирующие устройства. Некоторые из них называют также самопишущими приборами или самописцами.

В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие способы регистрации информации на носителе: а) нанесение слоя вещества (красителя): чернильно-перьевая и струепис- ная системы; б) изменение состояния вещества носителя: фоторегистрация, электрохимическая, электрофотографическая (ксерография) и магнитная запись; в) снятие слоя вещества с носителя: закопченная поверхность, тепловая запись. Простейшим самописцем, находящим и сегодня применение в физиологическом эксперименте, является кимограф (рис. 17.8), работающий от заведенной пружины, или электрокимограф, равномерное вращение барабана которого осуществляется электродвигателем.

Идея кимографа — равномерное вращение или перемещение поверхности носителя — сохраняется в подавляющем большинстве современных аналоговых регистрирующих приборов, фиксирующих временную зависимость исследуемой величины. Смещение у писчика или светового пятна, пропорциональное регистрируемой величине, является ординатой полученного графика (рис. 17.9). Равномерное перемещение носителя (бумага, фотопленка) означает, что абсцисса прямо пропорциональна времени t. В результате полученная кривая отражает зависимость у = f(t).

Самопишущие приборы, используемые в медицинской аппаратуре, преобразуют электрический сигнал в механическое перемещение. Физически они являются гальванометрами — высокочувствительными электроизмерительными приборами, реагирующими на достаточно малую силу тока. В этих приборах ток, проходящий по катушкам, проволочной рамке или по петле, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате этого взаимодействия подвижная часть (магнит, проволочная рамка или части петли) отклоняется пропорционально силе тока, т. е. пропорционально электрическому сигналу.

С подвижной частью соединен пишущий элемент, оставляющий след на движущемся носителе записи: специальное капиллярное перо, либо стеклянный капилляр с соплом в струйном самописце, либо зеркальце, отражающее луч света, или что-то другое.

п

17

45

Рис. 17.8

Y

Направление перемещения бумаги (носителя)

о

t

Рис. 17.9

В качестве примера на рис. 17.10 схематически изображен струйный самописец. Здесь 1 — электромагнит, через обмотки которого проходит регистрируемый электрический сигнал; 2 — постоянный магнит в форме цилиндра, он жестко связан со стеклянным капилляром 3. Из сопла капилляра 4 под давлением вылетают чернила, оставляя след у, пропорциональный отклонению постоянного магнита и, следовательно, силе тока в электромагните.

Важной характеристикой самописца является диапазон частот колебаний, которые они успевают регистрировать. Чем больше инерция подвижной части самописца, тем больше запаздывание регистрации относительно истинного изменения регистрируемой величины и тем хуже характеристика прибора.

В самопишущих устройствах наряду с обычными погрешностями измерительных приборов возникают также погрешности, обусловленные записью.

Причинами погрешности записи могут быть неточность работы механизма перемещения бумаги или фотопленки, запаздывание, вызванное инерцией пишущей системы прибора, изменение размеров бумаги под влиянием влажности воздуха, неточность отметки времени и др.

Кроме однокоординатных самописцев, фиксирующих временную зависимость, в исследовательской практике получили распространение двухкоординатные самописцы. На рис. 17.11 показан внешний вид такого самописца. При регистрации поперечная рейка перемещается поступательно, ее смещение пропорционально одному из подаваемых сигналов — параметров х. Вдоль рейки пропорционально изменению второго параметра у перемещается каретка с писчиком. В результате писчик совершает сложное движение и оставляет на бумаге график функции у = f(x).

Наряду с аналоговыми регистрирующими устройствами в медицинской практике для фиксирования информации используют-

ся и такие безынерционные комбинированные устройства, как электронно-лучевые трубки (см. § 18.8).

Так, например, в портативном вектор-кардиоскопе (см. рис. 1 7.14) электронно-лучевая трубка является основным элементом, который отображает, а при дополнительном фотографировании и регистрирует электро- и вектор-кардиограммы.

Электронно-лучевая трубка относится к группе комбинированных устройств, так как может отображать (при дополнительном фотографировании — регистрировать) выходную информацию не только в аналоговой, но и в дискретной форме (цифры, буквы).

§ 17.6. Принцип работы медицинских приборов, регистрирующих биопотенциалы

Биоэлектрические потенциалы являются существенным диагностическим показателем многих заболеваний. Поэтому очень важно, во-первых, правильно регистрировать эти потенциалы, а во-вторых, уметь извлекать из измерений необходимую медицинскую информацию.

Структурная схема медицинских приборов, регистрирующих биопотенциалы, изображена на рис. 17.12. Она является частным случаем общей схемы, показанной на рис. 17.1.

В клинической практике биопотенциалы отводят поверхностными накожными электродами (см. § 17.2), запись осуществляется аналоговыми регистрирующими устройствами (см. § 17.5). Переход от одних отведений к другим осуществляется специальным переключателем. Так как биопотенциалы сравнительно медленно изменяются со временем, то в приборах обычно используют усилители постоянного тока (см. § 18.4).

Биопотенциалы, применяемые в электрокардиографии, имеют величины порядка нескольких милливольт, в электроэнцефалографии — микровольт, поэтому для их регистрации необходимо усиление в несколько тысяч раз, что достигается с помощью многокаскадного усилителя.

Электрический сигнал

Рис. 17.12

На рис. 17.13 изображен портативный электрокардиограф, предназначенный для записи электрокардиограммы, а на рис. 17.14 — век-Рис. 17.14

тор-кардиоскоп. Этот прибор позволяет вести исследования электрической активности сердца как методом электрокардиографии, так и методом вектор-кардиографии. Процесс наблюдается на экране электронно-лучевой трубки, а также может быть сфотографирован.

В некоторых случаях целесообразно одним прибором определять одновременно ряд параметров, например биопотенциалы, отводимые от разных точек головного мозга. При этом используют многоканальные устройства, состоящие из нескольких независимых усилителей, регистрация по всем каналам фиксируется на общей ленте. На рис. 17.15 показан 16-канальный энцефалограф.

При снятии и регистрации биопотенциалов используют и некоторые вспомогательные устройства, не представленные структурной схемой на рис. 17.12. К ним можно отнести отметчики времени, которые определяют масштаб оси t (см. рис. 17.9). В тех случаях, если лентопротяжный механизм обеспечивает строгое постоянство скорости перемещения носителя, необходимости в отметчике времени нет.

Рис. 17.13

• • Г | • CJ • * « * • • •

i ^ 1 • * 2 £ 2 » 11*1» 5Tft.ft.ft. « . . _ _ft. ft. ft, | л | о.9- 9-ft- ft. а.Для определения биопотенциалов, иначе говоря, для определения масштаба оси у (см. рис. 17.9) в единицах напряжения используют калибраторы напряжения. Запись калибровочного напряжения делают до или после записи биопотенциала. При снятии электрокардиограммы используют калибровочный сигнал, равный 1 мВ.Рис. 17.15

ГЛАВА

Усилители и генераторы и их возможные использования в медицинской аппаратуре

Усилителями электрических сигналов (электронными усилителями) называют устройства, увеличивающие эти сигналы за счет энергии постороннего источника. Генераторами (электронными генераторами) называют устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы. В главе рассматриваются некоторые общие вопросы этих устройств и специфика их применения в медицине. Как практически важный прибор, включающий в себя и усилитель и генератор, рассматривается электронный осциллограф.

§ 18.1. Коэффициент усиления усилителя

Усилители могут создаваться на основе различных элементов (транзисторы, триоды и др.), однако в общих вопросах все усилители могут быть представлены достаточно едино. Они имеют вход, на который подается усиливаемый электрический сигнал, и выход, с которого снимается усиленный сигнал (рис. 18.1).

Непременной частью всей системы является источник электрической энергии.

Наиболее распространенным принципом усиления сигнала является воздействие входной цепи на электрическое сопротивление выходной цепи. Это воздействие соответствует форме усиливаемого сигнала, и поэтому форма сигнала воспроизводится в выходной цепи.

Существенным требованием к усилителям является воспроизведение усиливаемого сигнала (усиление) без искажения его формы.

Вход

Усилитель >

Выход

Источник питания

На практике это требование выглядит как стремление усилить электриче- Рис. 18.1ский сигнал с наименьшими искажениями. Возможность усилителя увеличить поданный на его вход сигнал количественно оценивается коэффициентом усиления.

Он равен отношению приращения напряжения (силы тока, мощности) на выходе усилителя к вызвавшему его приращению напряжения (силы тока, мощности) на входе:

В зависимости от целей различают усилители напряжения, силы тока или мощности. В дальнейшем, ради определенности, все иллюстрации и выводы будут относиться к коэффициенту усиления по напряжению kv, который будет обозначаться без индекса.

При усилении сигнала синусоидальной формы в выражениях

обычно используют амплитуды входного и выходного сигналов:

k = U /U .(18.2)

вых т’ вх mv-*

Если k имеет значения, недостаточные для получения на выходе сигнала нужного напряжения, то соединяют несколько усилителей. Каждый отдельный усилитель при этом называют усилительным каскадом. По существу, рис. 18.1 и выражения (18.1) и

следует отнести к каскаду. Коэффициент усиления усилителя из нескольких каскадов равен произведению коэффициентов усиления всех используемых каскадов:

=(18.3)

§ 18.2. Амплитудная

характеристика усилителя. Нелинейные искажения

Рассмотрим усиление синусоидального (гармонического) сигнала. Для того чтобы форма сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пре- Тг^ выхделах изменения входного сигнала.

В этом случае зависимость „ =

^вых m

\Um m), называемая амплитудной характеристикой усилителя, имеет линейный вид С/выхш = швхт (рис. 18.2; прямая линия). На самом деле линейнаяОив.

зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного напря-Рис. 18.2

жения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается (штриховая линия).

Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.

Графически усиление гармонического (синусоидального) сигнала иллюстрируется рис. 18.3 без искажения (а) и с искажением (б).

Каждый из этих рисунков содержит три графика. На одном (оси UbX и Ublx) показана амплитудная характеристика: линейная (а) и нелинейная (б). На нижнем графике приведена зависимость входного напряжения от времени. Эта зависимость синусоидальная, но сдвинутая относительно UBx = 0 на некоторую постоянную величину. График расположен необычно (ось времени t идет вертикально), так как используется общая ось UBX с предыдущей зависимостью. На левом графике дана временная зависимость выходного напряжения. Здесь тоже ось £/пых принадлежит двум графикам. Этот график строится следующим образом. Из нижнего графика находят значения UBX для некоторых фиксированных моментов времени, затем по амплитудной характеристике устанавливают соответствующие значения UBblx и переносят их на левый график (штриховые линии; точки с одинаковыми символами соответствуют одному и тому же времени).

На рис. 18.3 масштаб по оси ординат для J7BbIX больше, чем по оси абсцисс для UBX (сигнал усиливается).

V,

ВЫХ вых

1

t

t

и,

а)

На графиках зависимости UBblx = f(t) в случае линейной амплитудной характеристики (а) видна синусоида; следовательно, усиленный сигнал не искажен. При нелинейной характеристике (б) выходной сигнал периодический, но не синусоидальный; следовательно, происходит искажение сигнала при усилении. Периодический сигнал может быть представлен суммой гармоник (см. § 5.4), поэтому нелинейные искажения можно рассматривать как появление новых гармоник в сигнале при его усилении. Чем больше новых гармоник, чем выше их амплитуда, тем сильнее нелинейные искажения, что оценивается коэффициентом нелинейных искажений

y=JuL + uLt(184)

Ulm

где Ulm — амплитуда напряжения основной гармоники, U2m, U3m … — амплитуды новых гармоник. Для точного воспроизведения сигнала коэффициент у, очевидно, должен быть минимален.

§ 18.3. Частотная характеристика усилителя. Линейные искажения

Использование линейного участка характеристики еще не является гарантией неискаженного усиления электрического сигнала.

Если усиливаемый сигнал несинусоидальный, то он может быть разложен на отдельные гармонические составляющие, каждой из которых соответствует своя частота. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты (см. § 14.3), то коэффициент усиления для разных гармонических составляющих может оказаться разным. Отметим, что индуктивные свойства резисторов и емкостные свойства проводников, сколь бы малы они ни были, при увеличении частоты тоже могут оказать существенное влияние на коэффициент усиления. Таким образом, существенна зависимость k = /(ю) или k = f(y), которая получила название частотной характеристики усилителя. Для того чтобы ангармонический сигнал был усилен без искажения (даже при использовании линейной части амплитудной характеристики), необходима независимость коэффициента усиления от частоты.

Частотная характеристика должна иметь вид k = const. На практике это не реализуется и приводит к искажениям, получившим название линейных или частотных.

Линейные искажения иллюстрируются рис. 18.4. На рис. 18.4, а изображен периодический сигнал 3, который является суммой двух синусоид (1 и 2), а на рис. 18.4, б — те же сигналы после усиления. Если синусоидальные сигналы разной частоты усиливаются по-разному, например, один с ftj = 2, а другой с ft2 = 0,5, то результирующий усиленный сигнал отличается от входного (сравните кривые 3 на рис. 18.4, а и б).

Частотную характеристику усилителя обычно изображают графически (рис. 18.5). Из этого рисунка видно, что в пределах со2 — (Од коэффициент усиления примерно постоянен. В радиотехнике принято считать, что уменьшение его до 0,7ft ~ ftmax/«/2 практически не искажает сигнала. Диапазон частот cOj — со4 называют полосой пропускания усилителя.

k

О COj С02 С03 С04 СО

Рис. 18.5

Для расширения полосы пропускания приходится усложнять усилительные схемы. Однако диапазон частот, которые надо усиливать без искажения, определяется задачами усиления. Так, для усиления звука достаточно полосы 60 Гц — 15 кГц, а усиление видеоимпульсов требует значительно большей полосы пропускания.

Частотная характеристика имеет большое значение при выборе усилителя для записи биопотенциалов, имеющих характер сложного колебания с различными пределами частот в их гармоническом спектре. Поэтому не всегда усилитель, предназначенный для записи одних биопотенциалов, может быть использован для записи других.

§ 18.4. Усиление биоэлектрических сигналов

и

и

t

Рис. 18.4

о

Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала, или сигнала, созданного на выходе генераторного датчика, является трудновыполнимой задачей, так как эти сигналы обычновесьма малы. Именно поэтому в структурной схеме (см. рис. 17.1) вторым элементом показан усилитель электрических сигналов.

Ради определенности проиллюстрируем особенности усиления медико-биологических электрических сигналов на примере биоэлектрических сигналов, т. е. тех сигналов, которые снимаются электродами с биологического объекта.

Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующими основными особенностями этой разновидности электрических колебаний: 1) выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно высоко; 2) биопотенциалы — медленно изменяющиеся сигналы; 3) биопотенциалы — слабые сигналы.

Рассмотрим подробнее эти вопросы. В § 17.2 отмечалась роль переходного сопротивления электрод — кожа на передачу биоэлектрического сигнала последующим элементам схемы. Оказывается, этим во‘просом проблема сопротивлений не ограничивается: при усилении сигнала следует учитывать соотношения сопротивлений Ri и RBX [см. (17.1)]. Необходимо, как принято говорить, согласование сопротивления входной цепи усилителя и выходного сопротивления биологической системы.



Страницы: 1 | 2 | Весь текст