Система получения медико-биологической информации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система получения медико-биологической информации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сдала:Карпунина Елена 111-1П

                                                                         Принял:

Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией соответствующей информации. Несмотря на разнообразие устройств и методов, употребляемых для этой цели, можно указать их общие схемы и принципы действия.

Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.

Первичный элемент этой совокупности — чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, —

 

 

 

непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико-биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений.

Структурная схема измерительной цепи изображена на рис.. Эта схема является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики.

Завершающим элементом измерительной цепи в медицинской электронике является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал  и передающие его на расстояние.

В структурной схеме X означает некоторый измеряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Y обозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количественной информации о биологической системе должна быть известна зависимость Y = f(X).

 

Электроды для съема  биоэлектрического сигнала

Электроды для съема биоэлектрического сигнала — это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии. В медицине электроды используются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не

создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т. п. Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод — кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды, изображена на рис. 17.2 (£_6п — ЭДС источника биопотенциалов; г — сопротивление внутренних тканей биологической системы; R — сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; R_Bx — входное сопротивление усилителя биопотенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках контура одинакова, имеем

Ебп = Ir+IR + IR_SX = IR_t + IR_BX, где Д. = г + R.      (17.1)

Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя IR_BX «полезным», так как усилитель увеличивает именно эту часть ЭДС источника. Падения напряжения Ir и IR внутри биологической системы и на системе электрод — кожа в этом смысле «бесполезны». Так как величина Е_6п задана, а уменьшить г невозможно, то увеличить IR_BX можно лишь уменьшением R, и прежде всего уменьшением сопротивления контакта электрод — кожа.

Для уменьшения переходного сопротивления электрод — кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод — кожа, т. е. увеличив размер электрода, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей и истинная картина электрического поля будет искажена.

По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы: 1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы; 2) для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии; 3) для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях проявится своя специфика применения электродов: физиологический раствор может высохнуть и сопротивление изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессознательном состоянии пациента надежнее использовать игольчатые электроды и т. п.

При пользовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них— возникновение гальванической ЭДС при контакте электродов с биологической тканью. Другая — электролитическая поляризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возникает встречная по отношению к основной ЭДС.

В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приемы относятся к электрохимии и в этом курсе не рассматриваются.

В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов. Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды — металлические пластинки с клеммами 1 , в которые вставляют и закрепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электроды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2. Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет клемму для штыря кабеля отведений.

В микроэлектродной практике используют стеклянные микроэлектроды. Профиль такого электрода изображен на рис., кончик его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолятором, внутри находится проводник в виде электролита. Изготовление микроэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности, однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки и проводить внутриклеточные исследования.

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; 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 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 — баллистокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ — давление в желудочно-кишечном тракте.

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

z =∆ у/∆х.

Она в зависимости от вида датчика выражается, например, в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (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/dt 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 доплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный).

Этот датчик 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 / и уменьшается площадь S сечения столбика угля и согласно формуле увеличивается сопротивление R

R = pl/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.

 

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-