Методы и принципы физиологии

    Фотоэлементы с запирающим слоем используют в ряде медицинских приборов (например, в пульсотахометрах, оксигемометрах и др.). Фотоэлемент этого типа  представляет собой железную или стальную пластинку 1, на которую нанесен слой полупроводника 2. Поверхность полупроводникового слоя покрыта тонкой металлической пленкой 4. Одним из электродов является пластинка, другим - металлическая пленка на полупроводнике 5. Для надежности контакта пленка по периметру уплотнена более толстым слоем металла 3. При изготовлении фотодиода запирающий слой формируется или между полупроводником и пластиной, или между полупроводником и пленкой.

При освещении фотодиода кванты света выбивают из полупроводника электроны, которые проходят через запирающий слой и заряжают отрицательно один электрод; сам полупроводник и другой электрод приобретают положительный заряд. Следовательно, фотодиод при его освещении становится генератором электрической энергии, величина которой зависит от интенсивности светового потока. Фототек у фотодиодов можно значительно увеличить, если к электродам фотодиода приложить напряжение от внешнего источника постоянного тока.

    Фоторезисторы обладают свойством менять свое активное сопротивление под влиянием светового потока. Они имеют высокую чувствительность в широком диапазоне излучения от инфракрасного до рентгеновского. Их чувствительность зависит от величины напряжения измерительной схемы. Фоторезисторы включают в цепь измерительного моста, который питается от источника постоянного тока. Изменение сопротивления фоторезистора под действием света нарушает балансировку моста, что приводит к изменению величины тока, текущего через измерительную диагональ моста.

    Фотодиоды менее чувствительны, чем фоторезисторы, но и менее инерционны. Внешний вид датчика с фотоэлементом, используемого для пульсотахометрии.

    Индукционные датчики. Этот тип датчиков применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений, например вибрации. Электродвижущая сила в индукционных датчиках возникает пропорционально скорости перемещения проводника в магнитном поле перпендикулярно направлению магнитных силовых линий или при перемещении магнитного поля относительно проводника.

    Омические датчики. Эти датчики способны изменять свое сопротивление при линейных и угловых перемещениях, а также при деформации и вибрации.

    Существуют различные типы омических датчиков. В реостатных и потенииометрических омических датчиках изменение их сопротивления достигается за счет перемещения подвижного контакта, который имеет механическую связь с объектом преобразуемого перемещения. Чувствительность этих датчиков сравнительно невелика и составляет 3-5 В/мм. Точность преобразования может быть довольно высокой (до 0,5%) и зависит от стабильности питающего напряжения, точности изготовления сопротивления датчика, его атурной стабильности и других факторов. Эти датчики имеют простую конструкцию, малые габариты и массу, могут быть включены в цепь постоянного и переменного токов. Однако наличие подвижного контакта ограничивает срок службы этих датчиков.

    В проволочных омических датчиках  (тензодатчиках)  подвижный акт отсутствует (рис. 8, Г). Под влиянием внешних сил эти датчики меняют свое сопротивление за счет изменения длины, сечения и удельного сопротивления металлической проволоки. Точность преобразования составляет 1 - 2%. Тензодатчики имеют малые габариты, массу  инерциальность и удобны для исследования малых перемещений.

    Кроме обычных проволочных датчиков в последние годы находят широкое применение полупроводниковые датчики (например, гедисторы), у которых тензочувствительность в 100 раз выше, чем у проволочных.

    Емкостные датчики. Принцип действия этих датчиков основан на том что преобразуемые физиологические показатели (давление, изменение объема органа) влияют на определенные параметры датчика (диэлектрическую проницаемость, площадь обкладок, расстояние между обкладками) и тем самым изменяют его емкость. Эти датчики имеют высокую чувствительность и малоинерционных Использование дифференциальных емкостных датчиков позволяет повышать их чувствительность и помехоустойчивость. Этот тип датчиков нашел широкое применение в электрофизиологической и диагностической аппаратуре. Они используются, например, в измерителях кровяного давления, плетизмографах, сфигмографах и других приборах, которые предназначены для преобразования неэлектрических величин, отражающих физиологические функции, в пропорциональные электрические величины. Реальная конструкция емкостного датчика приведена на рис. 2, Г и 7, Г, а на рис. 81 показана схема установки для регистрации моторики желудка с помощью емкостного датчика.

    Индуктивные датчики. Преобразующее действие этих датчиков основано на свойстве катушки индуктивности изменять свое сопротивление. Этого можно достигнуть при введении в нее ферромагнитного сердечника или при изменении величины зазора в магнитном сердечнике, на котором находится катушка.

    Для преобразования сравнительно больших перемещений (более 5-10мм) используют индуктивные датчики с подвижным сердечником. Такой тип датчика использован в некоторых конструкциях баллистокардиографов. Для преобразования малых перемещений (менее 5мм) могут использоваться датчики с изменяющимся зазором магнитопровода. Индуктивные датчики могут быть выполнены в виде трансформатора или дифференциального трансформатора с двумя встречными обмотками. В последнем случае выходной сигнал будет более мощным. Индуктивные датчики высокочувствительны. Их инерционность зависит от Динамических свойств подвижных элементов датчика. 

    ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ 

    Любой тип датчика, преобразующего ту или иную функцию в электрический сигнал, должен быть включен в измерительную цепь. Наиболее широкое распространение получили следующие измерительные схемы: мостовая схема с питанием постоянным или переменным током, дифференциальная схема, а также колебательный контур, в которые включаются измерительные (регистрирующие) приборы. Чувствительность дифференциальных измерительных схем выше, чем мостовых.

    Таким образом, электрические приборы, применяемые для измерения неэлектрических величин различных функций, состоят из датчика, измерительной схемы и измерителя, или регистратора. Часто выходной сигнал датчика, имея малую величину, не может быть зарегистрирован измерительной схемой, поэтому в нее вводят усилители постоянного или переменного тока.

    Преобразование неэлектрических процессов в электрические представляет широкие возможности для их регистрации. Это объясняется не только чисто техническими преимуществами, но и точностью измерения регистрируемых величин, удобством сопоставления данных различных опытов и возможностью их обработки с помощью вычислительных машин. Важно, что этот метод позволяет в одних и тех же временных координатах вести синхронную запись электрических и неэлектрических процессов, сопоставлять их, выявлять существующие между ними причинно-следственные отношения и т. д., т. е. дает новые возможности изучения физиологических процессов. 

    УСИЛИТЕЛИ 

    Электрическая активность биологических объектов и электриче-параметры многих датчиков, преобразующих неэлектрические процессы в электрические, характеризуются относительно малыми величинами: сила тока - милли- и микроамперами, напряжение - милли-микровольтами. Поэтому регистрировать их без предварительного усиления чрезвычайно трудно или вообще невозможно. Для усиления электрических сигналов малой величины используют усилители. Они необходимы для многих измерительных схем и конструируются с использованием электронных ламп или полупроводниковых приборов.

    Кратко рассмотрим принцип работы триода и усилителя, сконструированного на основе этой лампы. Если в цепь накала триода (А) включить источник питания, то катод нагревается и испускает электроны, т. е. возникает электронная эмиссия катода (Б). При дополнительном включении источника постоянного тока между анодом и катодом электроны, испускаемые разогретым катодом, перемещаются к аноду, что вызывает появление тока определенной силы (В). Силой этого тока можно управлять, прикладывая напряжение к сетке триода. Если к сетке триода прикладывается положительный потенциал, то поток электронов от катода к аноду и ток, проходящий через лампу (анодный ток), увеличиваются (Г), при отрицательном потенциале на сетке поток электронов и ток уменьшаются (Ц).

    Чтобы зафиксировать изменения тока, проходящего через триод, и преобразовать его в изменяющееся напряжение, в анодную цепь включают сопротивление R_a (E), величина которого существенно влияет на свойства усилительного каскада. Допустим, что на вход усилителя подается переменное напряжение V_BX, равное 1 В. Оно вызывает изменение анодного тока на 0,001 А; причем сопротивление анодной цепи составляет 10 кОм, тогда перепад напряжений на этом сопротивлении будет равен 10 В. При увеличении одного сопротивления до 100 кОм и прочих равных условиях перепад напряжений составит 100В. Следовательно, в первом случае входное напряжение усиливается в 10, а во втором - в 100 раз, т.е. коэффициент усиления соответственно будет равен 10 и 100.

    В тех случаях, когда один усилительный каскад не дает нужного усиления, используют усилители с несколькими каскадами. Связь между каскадами в усилителях переменного тока осуществляется через разделительные конденсаторы C₁ и С₂, с помощью которых переменная составляющая анодного напряжения от предшествующего каскада передается на вход следующего. В усилителях постоянного тока разделительных конденсаторов нет. Коэффициент усиления всего усилителя зависит от коэффициента усиления отдельных каскадов, их количества и определяется произведением коэффициентов усиления всех каскадов усилителя.

    Усилители выполняют роль промежуточного звена между объектом исследования (а также электродами, датчиками) и регистраторами, т. е. представляют собой канал связи. Они не должны искажать характер исследуемого процесса. Поэтому, прежде чем обращаться к техническим характеристикам усилителя, необходимо знать электрические свойства сигнала (биопотенциала) живого объекта или датчика, а также учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала

    Достаточно полную характеристику сигнала дает формула, опр деляющая объем сигнала: V = TFH, где V - объем сигнала (биопотенциала), Т - его длительность, F - ширина частотного спектра сигнала Н - превышение амплитуды сигнала над шумом. Канал связи также можно охарактеризовать тремя величинами: Т_к - время, в течение которого канал выполняет свои функции, F_K - полоса частот, которую канал способен пропустить, и Н_к - полоса уровней, зависящая от допустимых пределов нагрузок, т. е. минимальная чувствительность и предельная амплитуда сигнала, подаваемого на вход усилителя Произведение этих величин называют емкостью канала: V_K = Г_к * F_K * Я_к

    Передача сигнала по каналу связи (через усилитель) возможна лишь в том случае, когда основные характеристики сигнала не выходят за соответствующие границы характеристик канала связи. Если же параметры сигнала превышают характеристики канала связи, то передача сигнала по этому каналу без потери информации невозможна.

    Некоторые влияния усилителя на амплитудно-временные характеристики сигнала иллюстрирует рис. 12.

    Верхний и нижний потенциалы на каждом рисунке регистрировались одновременно от одного электрода с помощью двух одинаковых усилителей, у которых были заданы разные постоянные времени входа. Параметры вызванных потенциалов и характеристики усилителей представлены в виде таблицы, геометрические эквиваленты этих же потенциалов - на рис. 13.

    Несмотря на то, что в каждом кадре регистрировался один и тот же потенциал, амплитудно-временные характеристики полученных записей заметно отличаются друг от друга, что определяется только параметрами усилителей. Усилитель, с помощью которого регистрировались нижние записи, имел параметры, превышающие характеристики сигнала, поэтому вызванные потенциалы записаны без искажений. Усилитель, с помощью которого регистрировались верхние записи, имел разные параметры, но во всех случаях не превышающие характеристики сигнала, поэтому вызванные потенциалы искажены (потеря информации).

    Значение внутреннего сопротивления источника сигнала, зависящего не только от свойств объекта исследования, но и от свойств выходных цепей (например, размеров, формы и сопротивления электродов, коммутирующих проводов и Т. п.), можно показать на следующем примере. Если внутреннее сопротивление источника сигнала больше или равно входному сопротивлению усилителя, то сигнал вообще не будет регистрироваться или его амплитуда будет значительно уменьшена. Поэтому иногда возникает необходимость значительно увеличить входное сопротивление усилителя. В этих случаях используют усилители с катодным повторителем, а в транзисторных схемах - с эмиттерным повторителем, выполненным на полевых транзисторах.

    В физиологических лабораториях наиболее часто применяют два типа усилителей: усилители переменного тока и усилители постоянного тока.

    Усилители переменного тока. Усилители этого типа состоят из нескольких усилительных каскадов, соединенных между собой с помощью разделительных конденсаторов. Такие приборы используют для усиления переменных составляющих сигнала благодаря их способности пропускать частоты от 0,1 Гц до 10-15 кГц. Они, как правило, имеют большой коэффициент усиления и могут усиливать входной сигнал в миллионы раз, что позволяет отчетливо регистрировать сигналы с исходной амплитудой в несколько микровольт. Усиление и полоса пропускания частот обычно регулируются. В качестве примеров усилителей отечественного производства можно назвать УБП-1-03, УБФ-4-03. Эти устройства применяют для усиления биопотенциалов мозга и сердца, а также сигналов, генерируемых различными датчиками; по выходным характеристикам они легко согласуются с большинством отечественных регистраторов.