Методы и принципы физиологии

    Усилители постоянного тока. Эти усилители не имеют разделительных конденсаторов. Между отдельными каскадами у них существует гальваническая связь, поэтому нижняя граница пропускаемых частот доходит до нуля. Следовательно, данный тип усилителей может усиливать сколь угодно медленные колебания. По сравнению с усилителями переменного тока эти усилители имеют значительно меньший коэффициент усиления. Например, УБП-1-0,2 имеет коэффициент усиления по переменному току 2,5-1 0⁶, а по постоянному - 8 · 10³. jto связано с тем, что у усилителя постоянного тока с увеличением коэффициента усиления уменьшается стабильность работы, появляется дрейф нуля. Поэтому они применяются для усиления сигналов, величина которых превышает 1 мВ (например, мембранный потенциал нейронов, мышечных и нервных волокон и т. п.). 

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ (РЕГИСТРАТОРЫ) ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ 

    Регистраторы необходимы для трансформации электрических потенциалов, которые поступают к ним от отводящих электродов или датчиков (чаще после необходимого усиления), в процессы, воспринимаемые нашими органами чувств. Регистраторы могут преобразовывать и отображать исследуемый процесс или функцию в различных формах, например, в отклонении стрелки измерительного прибора, цифровой индикации, отклонении луча на экране осциллографа, графической регистрации на бумаге, фотографической или магнитной ленте, а также в виде световых или звуковых сигналов и пр.

    В большинстве типов регистраторов основными элементами являются: преобразователь энергии колебаний электрических потенциалов в механические (гальванометр, вибратор), инструмент записи (перо с чернилами, струя чернил, пишущий стержень, электронный луч и др.) и механизм развертки процесса во времени (лентопротяжный механизм, электронная развертка). Кроме того, современные регистраторы могут содержать ряд вспомогательных блоков и систем, например коммутаторы, усилители, калибраторы усиления и времени, оптические системы для фотографирования и др.

    В медицинской регистрирующей аппаратуре наиболее широко используются три вида преобразователей, создаваемых на основе трех различных принципов трансформации энергии колебаний электрических потенциалов.

    1. Использование силы, действующей на проводник с током или ферромагнетик в магнитном поле. На основе этого принципа конструируют различные системы гальванометров, вибраторов, которые применяются в шлейфных и чернильно-пишущих осциллографах (регистраторах).

    2. Использование отклонения потока электронов (электронного луча) в электрическом и электромагнитном поле. Этот принцип реализуют с помощью электронно-лучевых трубок, которые являются основной частью электронных (катодных) осциллографов.

    3. Использование свойства ферромагнитных материалов намагничиваться под влиянием магнитного поля и сохранять это состояние. На этом принципе конструируют различные типы магнитофонов и магнитографов.

    Гальванометры и вибраторы. Эти приборы имеют одинаковый принцип действия, но отличаются по конструктивному исполнению, в связи с чем значительно разнятся друг от друга по чувствительности, инерционности и способности воспроизводить сигналы различной частоты. Существуют гальванометры и вибраторы магнитоэлектрической и электромагнитной системы.

    В гальванометрах (вибраторах) магнитоэлектрической системы преобразование электрических сигналов в механический эффект достигается за счет движения проводника (по которому течет электрический ток) в постоянном магнитном поле. Проводник электрического тока может быть выполнен в виде тонкой струны, петли или многовитковой рамки. Многовитковую рамку используют для конструирования магнитоэлектрических вибраторов.

    В гальванометрах (вибраторах) электромагнитной системы магнитное поле, в которое помещается ферромагнетик 8, создается за счет постоянного магнита 1 и специальной обмотки 4. Эта обмотка при прохождении через нее электрического тока создает электромагнитное поле, свойства которого определяются направлением силой тока, проходящего через обмотку. При взаимодействии эти, полей создается вращающий момент, под влиянием которого перемещается ферромагнитный якорь.

    Использование различных систем, способных отображать перемещение подвижных элементов гальванометров (вибраторов), позволяет конструировать различные типы регистраторов, например, струнный гальванометр, зеркальный гальванометр, шлейфный осциллограф, регистраторы с непосредственно видимой записью (чернильно-перьёвой, струйной, копировальной, тепловой, печатной и др.).

    Струнный гальванометр. В этих приборах направление перемещения струны в сильном магнитном поле определяется направлением приложенного к ней тока, а величина перемещения определяется силой тока, проходящего через нее. Колебания струны _с помощью оптической системы можно проецировать на экран, а для записи - на движущуюся фотографическую бумагу или пленку.

    Струнные гальванометры сравнительно малоинерционны; их совершенные модели способны воспроизводить сигналы с частотой до 1000 Гц. Их чувствительность зависит от величины магнитного поля и свойств струны (упругости и диаметра). Чем тоньше струна (2-5 мкм) и чем сильнее магнитное поле, тем выше чувствительность струнного гальванометра. Многие струнные гальванометры имеют такую чувствительность, что могут использоваться без усилителей. Раньше их применяли для регистрации электрокардиограммы и мембранных потенциалов клеток.

    Зеркальный гальванометр. Если на петле или многовитковой рамке укрепить маленькое легкое зеркальце 6, то при пропускании тока оно будет перемещаться вместе с петлей или рамкой (направление движения на рис. 14 показано стрелкой). На зеркальце с помощью осветителя направляется луч света, а отраженный луч (зайчик) проецируется на полупрозрачный экран, по шкале которого судят о направлении и величине отклонения отраженного луча. При этом зеркальные гальванометры могут использоваться как самостоятельные регистрирующие приборы.

    В настоящее время зеркальные гальванометры применяют в качестве выходных устройств в так называемых шлейфных осциллографах.

    Для регистрации исследуемого прогресса и наблюдения за ним в шлейфных осциллографах используется особая оптическая система. От лампы осветителя 1 луч света через линзу 2 и диафрагму 3 с помощью зеркала 4 направляется на зеркальце гальванометра 5 и линзой 6 делится на два пучка. Один пучок света линзой 7 фокусируется на поверхности движущейся фотобумаги (фотопленки), которая протягивается лентопротяжным механизмом 8. Второй пучок с помощью цилиндрической линзы - призмы 9 направляется на вращающийся многогранный зеркальный барабан 10 и, отражаясь от него, падает на матовый экран 11. За счет вращения зеркального барабана исследуемый процесс развертывается на экране и служит для визуального наблюдения.

    Сочетание струнных и зеркальных гальванометров с оптическими системами позволяет производить регистрацию исследуемых процессов с применением фотографического метода или метода ультрафиолетовой записи. Последний позволяет получать видимую запись спустя несколько секунд после экспозиции без проявления.

    Регистраторы с непосредственно видимой записью. В регистраторах этого типа преобразователями электрических сигналов являются магнитоэлектрические (рамочные) или электромагнитные вибраторы, на подвижные элементы которых вместо зеркальца укрепляют различные инструменты записи.

    Чернильно-перьевые регистраторы. Этот тип устройств широко используют при регистрации физиологических функций. В них перо 5 укреплено на рамке или ферромагнитном якоре 2, которые находятся в поле магнита 1. Перо соединено эластичной трубкой 4 с резервуаром для чернил 3. Исследуемый процесс записывается на бумажной ленте 6. Чернильно-перьевые регистраторы удобны в эксплуатации и вполне пригодны для решения многих задач. Их успешно используют в электроэнцефалографах, электрокардиографах, электрогастрографах и других приборах. Однако чернильно-перьевые регистраторы имеют ряд существенных недостатков. Они инерционны и не позволяют регистрировать электрические колебания с частотой, превышающей 150 Гц. В связи с этим они непригодны, например, для регистрации быстрых процессов, таких как биотоки нервов и нервных клеток и т. п. Кроме того, чернильно-перьевая регистрация (без специальной коррекции) вносит в исследуемый процесс радиальные искажения, обусловленные дугообразным движением пера на бумаге.

    Струйный метод регистрации. Этот метод основан на пропускании через капилляр (диаметром 5-8 мкм), укрепленный на вибраторе, струи чернил под давлением 20 кг/см²: чернила, попадая на движущуюся бумажную ленту, оставляют след в виде кривой исследуемого процесса.

    Струйный метод регистрации высокочувствителен и малоинерционен. Он позволяет совмещать удобство видимой записи с возможностью регистрации электрических сигналов в широком частотной диапазоне (от 0 до 1500 Гц). Однако эти регистраторы требуют применения особых чернил, обладающих весьма высоким качеством (однородность состава).

    Во всех регистраторах с непосредственно видимой записью скорость движения носителя записи (бумаги) определяется механической разверткой и не превышает 200 мм/с, в то время как для развертывания быстропротекающих процессов требуются большие скорости записи, что достигается с помощью электронной развертки в катодных осциллографах.

    Электронные (катодные) осциллографы. Это - универсальные регистрирующие приборы. Они практически безынерционны и за счет наличия усилителей имеют высокую чувствительность. Эти приборы позволяют исследовать и регистрировать как медленные, так и быстрые колебания электрических потенциалов с амплитудой до 1 мкВ и менее. Выходным регистрирующим устройством катодного осциллографа является электронно-лучевая трубка с электростатическим или электромагнитным отклонением электронного луча.

    Принцип действия электронно-лучевой трубки заключается во взаимодействии потока электронов, испускаемого катодом и сфокусированного системой электронных линз, с электростатическим или электромагнитным полем отклоняющих электродов.

    Электронно-лучевая трубка состоит из стеклянного баллона, внутри которого в высоком вакууме находятся источник электронов и системы электродов (направляющие, фокусирующие и отклоняющие), управляющие электронным лучом.

    Источником электронов является катод 2, подогреваемый нитью накала 1. Отрицательно заряженные электроны через управляющую сетку 3 притягиваются системой положительно заряженных анодов 4, 5 и 6. При этом из электронов формируется электронный луч, который проходит между вертикальными 7 и горизонтальными 8 отклоняющими пластинами и направляется на экран 9, покрытый люминофором (веществом, обладающим способностью светиться при взаимодействии с электронами). Управляющая сетка 3 имеет по отношению к катоду отрицательный потенциал, величина которого регулируется потенциометром 10. При изменении (с помощью потенциометра) потенциала сетки изменяется плотность потока электронов в электронном луче, а следовательно, яркость свечения луча на экране. Фокусирование электронного луча осуществляется потенциометром 10, т. е. за счет изменения положительного потенциала на втором аноде 5.

    Горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины управляют движением электрического луча соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, для чего на них подаются потенциалы с усилителей горизонтального (б, х₁ и х₂) и вертикального (а, у₁ и у₂) отклонения луча. Если на горизонтальные отклоняющие пластины подавать пилообразное напряжение, то луч осциллографа будет перемещаться в горизонтальной плоскости слева направо. Изменяя режим работы генератора пилообразного напряжения, можно регулировать скорость развертки, т. е. скорость прохождения луча по экрану осциллографа. Это необходимо потому, что исследуемые процессы (сигналы) имеют разные частотно-временные параметры.

    Исследуемый процесс (сигнал) обычно подается на вертикальные отклоняющие пластины, которые перемещают луч вверх или вниз, в зависимости от знака и величины приложенного к ним напряжения. Таким образом, потенциалы, приложенные к пластинам, управляют перемещением луча по горизонтальной (х) и вертикальной (у) осям, т. е. развертывают исследуемый процесс.