Прецизійний перетворювач аналогових сигналів для системи прикроватного моніторингу

    На  каналах з низькочастотною характеристикою реєструються III і IV тони, добре видні I і II тони в тих випадках, коли вони закриті шумом на аускультативном каналі. Низькочастотні коливання а систолі і діастолі при відсутності осцилляции на аускультативном каналі не можна розцінювати як шуми. У цих випадках шум не чутний і при аускультації.

    На  високочастотному каналі добре реєструються високочастотні шуми.

    Для виявлення особливостей частотної  характеристики чи шумів тонів можуть використовуватися всі передбачені  в даному апараті комбінації частотних каналів. Для практичної роботи можна використовувати аускультативную низькочастотну і високочастотну характеристики.

    Швидкість руху стрічки вибирається в залежності від частоти серцевих скорочень. При нормальному ритмі і брадикардії практично зручної є швидкість 50 мм/сек. При тахікардії (особливо в дітей з уродженими пороками серця) — 100 мм/сек.

    На  ФКГ повинні бути наступні спеціальні позначення (крім номера, прізвища досліджуваного, дати й ін.): відведення ЭКГ (звичайно II стандартне), частотна характеристика каналів (по позначеннях на апараті), швидкість руху стрічки (для апаратів з міліметровою стрічкою), посилення і крапки запису. Усі позначення, кроні крапок запису, виставляються на початку ФКГ і у випадку зміни їх — у різних крапках.

    Відзначаються також усі додаткові прийоми: запис у положенні на лівому боці, після фізичного навантаження, при  подиху і т.п.

    ФКГ передує запис чи мілівольта стандартного сигналу. 

    1.3.2. Медичні датчики

    Датчики (первинні вимірювальні перетворювачі) - конструктивно   відособлена   ланка   вимірювального приладу або інформаційного каналу, що здійснює енергетичний  зв'язок   контрольованого об'єкта з  вимірювальною системою. Датчики   призначені   для   сприйняття контрольованої  величини й перетворення її в сигнал,  зручні для передачі на вторинну (реєструючу) апаратуру з метою його перетворення, обробки, подання й керування. Вторинна апаратура являє собою електричні, рідше пневматичні й гідравлічні прилади.

    У медичній практиці датчики використають при різних медико-біологічних дослідженнях для виміру фізіологічних показників організму, що виражаються безпосередньо через відповідні фізичні величини (температура, тиск, швидкість й ін.), реєстрації енергетичних проявів біологічних процесів й актів, що не мають однозначних фізичних еквівалентів (пульс, перистальтика, ковтання, миготіння й ін.), визначення властивостей біологічних тканин і структур (кольори, електропровідність, прозорість й ін.), а також специфічних біол. показників (чутливість, біохімічні процеси й ін.).

    Перші датчики являли собою різні знімні пристрої, що перетворювали переважно  механічні сигнали в пневматичні, потім з'явилися датчики з електричним  виходом — контактні пристрої, що замикають електричний ланцюг у відповідь на рухи об'єкта (актографічні датчики), мікрофони для фонокардіографії, термопари для виміру температури. Удосконалювання датчиків почалося в 20-і роки у зв'язку із впровадженням у практику фізіологічних досліджень вторинних вимірювальних апаратур — підсилювальної й універсальної осцилографічної техніки. Серед сучасних приладів, що реєструють, основне місце займає електрична й електронна апаратура. Тому перетворення величин різної фізичної природи роблять головним чином в електричну напругу або струм, що забезпечує точний і швидкий вимір, передачу на відстань, різнобічну обробку інформації, а також використання її для автоматичного керування біологічними процесами. [  ]

    Датчик  випробовує різні зовнішні впливи (тепло, світло, вібрації, вологість, гравітація й т.д.), але має специфічну чутливість до сприйманого їм (вхідному) сигналу, що представляє собою енергетичний потік тієї або іншої фізичної природи (механічної, електричної, теплової, світлової і т.п.), у кожному окремому випадку по-різному сформований у часі й по інтенсивності (коливання, імпульси, серія імпульсів і т. і.). Характер сприйманої інформації істотно залежить від форми передачі сигналу, що визначається взаємодією джерела енергії, об'єкта дослідження й датчика. Виділяють три основних форми передачі інформації, при яких датчик сприймає енергетичні прояви об'єкта (організму) — біоелектричні потенціали  й біоструми, тиски й витрати, сили й переміщення, звукова тиск  і т.і.; енергію, привнесену в об'єкт ззовні (радіоактивна, теплова й ін.) і використовувану для кількісної і якісної оцінки різних процесів, у тому числі для вивчення руху потоку й розподілу речовин в організмі; енергетичний потік від зовнішнього джерела, що пройшов через об'єкт і характеризує його передатні властивості — прозорість, кольори, електричний або акустичний опір, електрична ємність й ін. [  ]

    Відповідно  до виду енергії вхідного сигналу (електрична, механічна, теплова, променева, хімічна, світлова й т.п.) датчики характеризують як механіко-, термо-, фото- або хемоелектричні. З їхньою допомогою сприймають інформацію про явища й властивості, що відповідають цим видам енергії.

    Датчик  є вхідним дзенькотом вимірювального інформаційного приладу (системи) і  від нього залежить якість одержуваної  інформації. Тому до датчиків пред'являються  високі метрологічні вимоги, головним з яких є точність (статична й динамічна) — кількісна відповідність знамення вихідного сигналу вхідної величини. Статична точність виражається через дві основні метрологічні характеристики — діапазон і погрішності виміру. Під діапазоном розуміють область значень вхідної величини, у межах якої забезпечується її вимір із заданої (паспортної) погрішністі, що характеризує відхилення результату виміру від правдивого значення вимірюваної величини. Погрішність звичайно виражається у відсотках від діапазону виміру (приведена погрішність) і характеризує клас вимірювального приладу (1% -  перший клас, 2% — другий клас і т.п.). Високі вимоги пред'являються й до якості виміру швидкозмінюючих величин (динамічна точність) - звукові явища, тиски, сили, витрати й т.п. Найважливішою динамічною характеристикою є амплітудна частотна характеристика, що визначає частотний діапазон зміни вхідного сигналу, у якому погрішність перетворення по амплітуді укладається в заданих межах. [  ]

    Висока  точність (мала погрішність) забезпечується, як правило, шляхом багатоступінчастого перетворення сигналу. Тому сучасні датчики виготовляють у вигляді єдиного блоку перетворювачів. Структурною основою датчика є вимірювальний канал, що служить для сприйняття й перетворення сигналу, що надходить із об'єкта. Датчик може містити й канал формування енергетичного потоку, якщо для виміру використають зовнішнє джерело енергії; створюваний енергетичний вплив на живий об'єкт повинне бути нижче порога його чутливості до цього впливу.

    Головними ланками основного вимірювального каналу датчика є чутливий елемент, або детектор, і проміжний перетворювач. Чутливий елемент сприймає сигнал з  об'єкта в його натуральній енергетичній формі й перетворить його в  параметр або величину, зручну для  наступного перетворення. Проміжний вимірювальний перетворювач трансформує сигнал чутливого елемента у форму, зручну для посилення й формування вихідного сигналу. [  ]

    Датчики, у яких енергія вхідного сигналу  перетвориться за допомогою чутливого  елемента (напр., фото- або п'єзоелемента) у напругу або струм, називають енергетичними. Роль проміжного перетворювача в цьому випадку виконує підсилювач, що формує вихідний сигнал. Датчики, у яких енергія вхідного сигналу використається тільки для зміни пасивного параметра тієї або іншої схеми (напр., повертає ротор змінного резистора або конденсатора), називають параметричними. Проміжний перетворювач у цих датчиках змінює опір або ємність у напругу або струм.

    У медичній практиці широко застосовуються як енергетичні (п'єзоелектричні, індукційні, іонізаційні), так і параметричні (ємнісні, резистивні, індуктивні) датчики для виміру або реєстрації параметрів кровообігу, подиху, м'язової активності,  а також активних скорочень серця, кістякових м'язів і м'язів порожнинних органів. [  ]

    Датчики можуть містити також логічні, вирішальні, коригувальні, компенсаційні й інші ланки й ланцюги. Канал формування потоку звичайно включає випромінювач енергії й формувач енергетичного  потоку. Якщо як детектор енергії використається оборотний перетворювач, наприклад п'єзоелемент, то він одночасно може виконувати й функцію випромінювача.

    Сигнальний  зв'язок датчика з об'єктом здійснюється через приймачі - катетери, щупи, пневмоприйомники й т.п.; для зв'язку із вторинними апаратурами є кабель (трубопровід). Для орієнтації датчика стосовно об'єкта використаються штативи, пристрої для механічного сканування, спостереження й т.п. [  ]

    Передача  інформації з об'єкта на сприймаючу ланку приладу в ряді випадків піддана випадковим збурюванням  внаслідок активності живого об'єкта, нестабільності умов передачі сигналу в зоні контакту датчика з об'єктом і під впливом інших факторів, що ведуть до перекручування даних (артефактам). Сукупність цих факторів визначає так називану методичну погрішність виміру. З метою підвищення точності виміру датчик або його сприймаюча ланка розміщають безпосередньо на органі або в порожнині, у яких необхідно виконати вимір, застосовуючи аплікації або зондування. Однак ці втручання небайдужі для організму. Тому найбільш раціональним рішенням проблеми точності й безпеки досліджень за допомогою датчиків є, з одного боку, підвищення точності нетравматичних методів дослідження (фонокардіографія, тетраполярна реографія та ін.) шляхом корекції погрішностей, з іншого боку - поглиблений аналіз й автоматична обробка отриманих даних за допомогою ЕОМ з метою виділення найбільш важливих ознак (аналіз серцевого ритму, сигналів електричної активності м'язів, спирограмм і т.п.). Ці два шляхи визначають розвиток таких високоінформативних і безпечних методів дослідження, як тепловидення, камерна пневмографія, світопроменева й електроємкістна актографія, а також порівняно малотравматичних методів - звуковий інтероскопії й гамматопографії. Розвиток засобів первинного знімання інформації відкриває широкі можливості для оснащення медицини апаратурами з використанням мікромініатюрних датчиків, що вводять або вживлених в органи, технікою для безконтактних досліджень і точними багатофункціональними вимірювальними комплексами. [  ]

       У різних  вимірювальних, що   реєструємих   і   регулюмих   медичних   приладах знаходять    застосування    різні    типи    й конструкції      датчиків.     Термоелектричні    датчики    служать   для  виміру температури. Термопара — система  двох  провідників з  різних  металів (діаметром 0,05 — 0,5 мм і довжиною 1—2 м), що утворять     замкнутий     контур.      Якщо крапки з'єднання    металів    (спаї) мають різну температуру, то в  контурі виникає е. д. с., що залежить від сполучення   речовин, що  утворять  термопару,  і пропорційна   різниці   температур.   У   медичних дослідженнях    частіше    вживають    мідь-константанові   й   залізо-константанові термопари, що  дають близько 50  мкв на   10  . У розрив одного із провідників підключають   вимірювальний   прилад   (дзеркальний або стрілочний    гальванометр).    Інший тип  термоелектричних  датчиків— термоопори,   у   яких   використається   залежність електричного опору речовини від температури. Дротові термо-опір  виготовляють із декількох метрів     тонкого     (0,01—0,1 мм)    мідного дроту,, покладеного  спіраллю  на   ізольованій   пластинці.    При   нагріванні опір   дроту   збільшується, що   реєструється   вимірювальним   приладом,    градуйованим   у   градусах   по еталонному термометру.  Напівпровідникові  термоелектричні   датчики,   або  термістори,   виготовляють  із  окислів  марганцю, нікелю,    кобальту, і міді.    Вони   мають великий негативний температурний коефіцієнт  (при  нагріванні  їхній  опір зменшується). Термоопорі, установлювані     в     електротермометрах ТСМ-2    і    ТЕМП-60,    мають вигляд кульок діаметром 0,5 мм, мають малу  теплоємність   і   дозволяють   вимірювати   точечно-шкірну   температуру в короткі   проміжки  часу. [  ]

    П'єзоелектричні  датчики, звичайно виготовлені із сегнетової солі, титанату барію або фосфату амонію, призначені для перетворення малих переміщень, зусиль і деформації за допомогою прямого п'єзоелектричного ефекту (поява електричних зарядів на поверхні п'езоелемента під впливом стиску, розтягання або вигину). Для передачі зусилля від досліджуваного органа п'єзоэлемент з'єднують з ним або безпосередньо, або за допомогою важеля або пневматичної системи й закріплюють спеціальним тримачем. П'єзоелектричні датчики мають широкий діапазон реєструємих частот і застосовуються для реєстрації біомеханічних процесів, що швидко протікають (пульсова хвиля, тони серця, тремор кінцівок, різні рухові реакції). Повільні коливання реєструються з більшими  перекручуваннями.   Висока чутливість  і простота    цих    датчиків   дозволяють     підключати    їх безпосередньо   до осцилографів  й електрографічних приборів з електронними підсилювачами. 

    Фотоелектричні  датчики  - перетворювачі    променистої   енергії - використаються в    приладах    для   спектрального    аналізу речовин, визначення концентрації розчинів  і   деяких   характеристик   крові,  для   спостереження   за   реакціями кровоносних посудин й об'ємних змін тканин.   У  методиці  денсітометрії   фотоелектричні   датчики   служать для    реєстрації    зміні    оптичної щільності. У медичних дослідженнях одержали поширення вентильні фотоелементи й фотоопори (під дією світла опір   зменшується).   Перші   виготовляють із    напівпровідників    (закис міді,   селенів,    германій   і   кремній);    їхня спектральна    характеристика    близька    до спектральної чутливості ока.   Випускають   промисловістю   фотоопору  із   сірчистого   свинцю   (ФО-A1) і сірчистого кадмію   (ФО-К1)   високочутливі,  що дозволяє підключати  їх до  вимірювальних  приладів  без   додаткового   посилення. [  ]

    Недоліком фотоопорів є залежність величини опору  від температури.

    Датчики омічного опору     служать   для    перетворення  механічних   величин   в   електричні    внаслідок    змін    опору  датчика.    Для    реєстрації     грубих переміщень  використають  реостатні   або потенціометричні датчики, у яких   переміщення досліджуваного органа викликає рух   повзунка   реостата   (електроміотонометр ЭТ-3). Для реєстрації дихальних рухів грудної клітки  або русі кінцівок   на   шлейфному осцилографі   застосовують   датчики   з   гумової   еластичної трубки,  наповненої вугільним порошком або електролітом (при розтяганні трубки електричний   опір    збільшується, але струм у ланцюзі, замкнутої через гальванометр,    зменшується).    Для    виміру малих деформацій і коливань широко використають дротові   (тензометричні) датчики (рис. 1).   Чутливим   елементом тут служить тонка (0,02—0,05 мм) дріт з константану або ніхрому,  наклеєна  зігзагоподібно   на   цигарковий  папір.   Такий   елемент   приклеюється   до еластичної  пластинки,  з'єднаної  з  досліджуваним об'єктом.  Вимір деформації заснований  на   залежності   електричного опору дроту від розтягання. Дротові датчики мають малу вагу й розміри, зручні й стабільні в роботі. Їхній   недолік - мала   величина    зміни опору, що вимагає використання електронних підсилювачів і  високочутливих    вимірювальних     схем. Дротові датчики в сполученні з електронними   підсилювачами   застосовують   для   реєстрація    різних    біомеханічних процесів у міографах, сфігмографах, стабілографах  й ін. [  ]