Предмет электроники и направление ее развития

государственный медицинский  университет

Кафедра «Биомедфизики, информатики с курсом математики»

Самостоятельная работа №1

тема:

«Предмет электроники  и направление ее развития»

Выполнил:

Проверил:

Содержание:

1. Электроника и направления  ее развития.

Прогресс современной  медицины неразрывно связан с созданием  и эффективным применением новой медицинской техники, которая отличается широким использованием достижений электроники и микроэлектроники, компьютеров и информационных технологий. Многие НИИ и предприятия расширяют разработки и осваивают выпуск различных медицинских электронных приборов. Постоянно растет количество новейшей интеллектоемкой техники, поступающей в медицинские учреждения.

Электроника. Это понятие  широко распространено в настоящее  время. Являясь технической наукой, электроника основывается прежде всего  на достижениях физики. Можно смело сказать, что без электронной аппаратуры сегодня невозможна ни диагностика заболеваний, ни эффективное лечение. Термин "электроника" в значительной степени условный, ему трудно дать четкое определение. Правильнее всего, вероятно, под электроникой понимать область науки и техники, в которой рассматриваются работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств.

Электронику можно подразделить на 3 крупные области:

• вакуумная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения электровакуумных приборов (электронные лампы, фотоэлектронные устройства, рентгеновские трубки);
• твердотельная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения полупроводниковых приборов;
• квантовая электроника - специфический раздел электроники, имеющий отношение к лазерам и мазерам.

Электроника - весьма динамичная отрасль науки и техники. На базе новых эффектов создаются электронные устройства, в том числе и такие, которые находят применение в биологии и медицине. Для примера рассмотрим эффект Джозефсона.

Английский физик Б. Джозефсон в 1962 году предсказал, что через очень тонкий слой диэлектрика (толщиной около  1нм), расположенный между двумя сверхпроводниками, сможет протекать электрический ток. Вскоре такое явление действительно было обнаружено. Если сила тока была меньше некоторого   критического  значения, то на диэлектрике не создавалось падении я напряжения, если же сила тока превышала критическое значение, то на диэлектрике возникало падение напряжения и контакт сверхпроводник – диэлектрик – сверхпроводник излучал электромагнитные волны. Недавно эффект Джозефсона стали применять для измерения индукции магнитного поля биотоков сердца. Применение электроники в медицине многообразны, это постоянно расширяющаяся область. В настоящее время многие традиционно «неэлектрические» характеристики – температура, смещение тела, биохимические показатели и др. – стремятся при измерениях преобразовать в электрический сигнал. Информацию, представленную электрическим сигналом, удобно передавать на расстояние и надежно регистрировать. Разработчики электронных устройств стремятся модернизировать и сделать их более надежными и потребляющими меньше энергии, малогабаритными. Наиболее перспективная тенденция – миниатюризация электронных устройств. Существенным сдвигом в миниатюризации электронных устройств было внедрение полупроводниковых диодов и триодов, что позволило довести плотность электронных устройств до 2 – 3 элементов в 1 см³.

Следующим этапом миниатюризации электроники, который развивается и в настоящее время, является создание интегральных схем. Это микроминиатюрное электронные устройство, у которого все элементы (или их части) нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают два типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые интегральные схемы изготовляют из особо чистых полупроводников. Путем термической, диффузной и иной обработки изменяют кристаллическую решетку полупроводника так, что отдельные его области становятся различными элементами схемы. Это позволяет из пластины в 1 мм² создать схему, эквивалентную радиотехническому блоку, состоящему из 100 деталей и более.

Пленочные интегральные схемы изготовляют путем осаждения различных материалов в вакууме на основании подложки. Используют также гибридные интегральные схемы – сочетание полупроводниковых и пленочных схем. Размеры отдельных элементов интегральных схем порядка 0,5 – 10 мкм, поэтому малейшие пылинки, соринки и т.п. могут повлиять на их работу. Это обязывает изготовление интегральных схем проводить в условиях повышенной чистоты окружающей среды. Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, получили название больших интегральных схем.

Создание  интегральных схем, миниатюризация электронных  устройств, являются одним из главных направлений развития современной электроники.

2. Основные группы электронных медицинских приборов и аппаратов.

Разделы электроники, в  которых рассматриваются особенности  применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Можно выделить следующие  основные группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико-биологических целей:

• устройства для получения, передачи и регистрации медико-биологической информации (это большая часть диагностической аппаратуры: баллистокардиографы, фонокардиографы, реографы и т.д.);
• электронные устройства, обеспечивающие дозирующие воздействие наорганизм различными физическими факторами (ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля) с целью лечения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохирургии, кардиостимуляторы;
• кибернетические электронные устройства: ЭВМ для переработки, хранения и автоматического анализа медико-биологической информации, устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием человека среды, электронные модели биологических процессов.

В настоящее время  широко используются медицинские системы  для индивидуального контроля состояния здоровья человека: мини-компьютерные системы и цифровые анализаторы, позволяющие оценивать показатели физического и психического состояния, прогнозировать их изменения, определять резервы организма, оценивать эффективность оздоровительных, спортивных и лечебных мероприятий. В состав таких систем входят микропроцессорные регистрирующие устройства, кардиографические электроды. Такие системы предназначены для анализа биологических ритмов организма человека, выделяемых из электрокардиосигнала в широкой полосе частот.

В ближайшем будущем найдут широкое применение такие технологии, как миниатюрные цифровые слуховые аппараты, в состав которых входит мощный процессор, который преобразует звуковой сигнал, чтобы обеспечить человеку любого возраста с нарушениями слуха такие же возможности для общения, какими обладает человек с нормальным слухом, в любой звуковой обстановке; автономное и компактное вживленное искусственное сердце, имплантируемое пациенту, аккумулятор которого размещается на теле больного; аппараты искусственного электронного зрения, состоящие из видеокамеры, установленной перед глазом пациента, радиопередатчика и специального микрочипа, который имплантируется непосредственно в глаз и заменяет ему часть сетчатки глаза. Следующим шагом электроника внедриться нам под кожу. Для того, чтобы конкурировать с постоянно возрастающими возможностями компьютеров, люди будут вынуждены прибегнуть к помощи генетических и компьютерных имплантантов. Уже сегодня существуют реальные технологии внедрения компьютеров в тело человека.

3. Электробезопасность медицинской аппаратуры.

Одним из важных вопросов, связанных с использованием электронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопасность как для пациентов, так и для медицинского персонала. Больной вследствие различных причин (ослабленность организма, действие наркоза, отсутствие сознания, наличие электродов на теле и т.д.) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. Медицинский персонал, работающий с медицинской аппаратурой, также находиться в условиях риска поражения электрическим током.

При работе с электронной  медицинской аппаратурой должны быть предусмотрены все возможные меры по обеспечению безопасности. Основное и главное требование – сделать недоступным касание частей аппаратуры, находящейся под напряжением. Для этого, прежде всего, изолируют части приборов и аппаратов, находящихся под напряжением, друг от друга и  от корпуса аппаратуры. Изоляция, выполняющая такую роль, называется основной или рабочей. Отверстия в корпусе должны исключать возможность случайного проникновения и касания внутренних частей аппаратуры пальцами, цепочками для украшений. Однако даже если части аппаратуры, находящейся под напряжением, и закрыты от прикосновения, это еще не обеспечивает полной безопасности, по крайней мере, по двум причинам:

1. Какой бы ни была изоляция между внутренними частями аппаратуры и ее корпусом, сопротивление приборов и аппаратов переменному току не бесконечно. Не бесконечно и  сопротивление между проводами электросети и земли. Поэтому при касании человеком  корпуса аппаратуры через тело человека пройдет некоторый ток, называемый током утечки.
2. Не исключено, чти благодаря порче рабочей изоляции (старение, влажность окружающего воздуха) возникает электрическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом – «пробой на корпус» и внешняя, доступная для касания часть аппаратуры – корпус – окажется под напряжением.

И в одном и в  другом случае должны  быть приняты  меры, которые исключали бы поражения током лиц при касании корпуса прибора или аппарата. К основным защитным мерам относятся заземление и зануление аппаратуры. Защитные заземления или зануления должны обеспечивать в установках с изолированной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через тело человека, при замыкании сети на заземленные части аппаратуры; в установках с заземленной нейтралью – автоматическое отключение аппаратуры от электрической сети. Однако не всякая электромедицинская аппаратура надежно защищена заземлением или занулением. В зависимости от способа дополнительной защиты от поражения током питающей сети аппаратура делится на четыре класса.

Основные требования электробезопасности при работе с электромедицинской аппаратурой:

• не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;
• не работайте на влажном, сыром полу, на земле;
• не касайтесь труб (газ, вода, отопление), металлических конструкций при работе с электроаппаратурой;
• не касайтесь одновременно металлических частей двух аппаратов.

4. Надежность медицинской аппаратуры.

Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Врач, использующий медицинскую аппаратуру, должен иметь представление о вероятности отказа эксплуатируемого изделия, т.е. о вероятности порчи прибора (аппарата) или его частей, превышения или понижения допустимых параметров. Устройство, не отвечающее техническим условиям, становиться неработоспособным.

Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином надежность. Для медицинской аппаратуры проблема надежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только к экономическим потерям, но и к гибели пациентов. В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса:

1. изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала.
2. изделия, отказ которых вызывает искажение информации о состоянии организма и окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала.
3. изделия, отказ которых снижает эффективность или задерживает лечебно-диагностический процесс в некритических ситуациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий персонал, либо приводит только к материальному ущербу.
4. изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электромедицинская аппаратура к этому классу не относиться.

5. Усилители. Специфика усиления биоэлектрических сигналов.

Усилителями электрических сигналов или электронными усилителями называют устройства, увеличивающие эти сигналы за счет энергии постороннего источника.

Усилители могут создаваться  на основе различных элементов (транзисторы, триоды и т.д.), 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. 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 воспроизводиться в выходной цепи. В соответствии с понятиями кибернетики входную цепь можно считать системой управления, а выходную – объектом управления. Существенным требованием к усилителям является воспроизведение усиливаемого сигнала без искажении его формы.

Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующими основными особенностями этой разновидности электрических колебаний:

1. выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно высокое;
2. биопотенциалы – медленно изменяющиеся сигналы;
3. биопотенциалы – слабые сигналы.

Малость биопотенциалов побуждает использовать усилители с достаточно большим коэффициентом усиления, поэтому даже небольшие помехи, попадающие на вход усилителя, могут исказить полезный биоэлектрический сигнал и вызвать ложную информацию. Помехами можно/считать любые токи или напряжение на выходе усилителя при отсутствии на его входе полезного сигнала.

От  одних помех можно избавиться или уменьшить их влияние, усложнив и удорожив конструкцию усилителя. От других избавиться в принципе невозможно, и поэтому приходиться использовать каскад с небольшим коэффициентом усиления.

Наиболее распространенными  усилителями для решения медико-биологических  задач являются усилители с глубокой отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь препятствует развитию, изменению процесса и стабилизирует его. Это важно и для электронных устройств. Применительно к усилителю обратная связь означает воздействие сигнала с его выхода на вход. Усилители со стопроцентной отрицательной обратной связью получили название повторителей. Их используют как промежуточные усилители и располагают между биологической системой и основным усилителем для согласования сопротивлений. Для усиления биопотенциалов нужны усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю границу w=0. Усилители такого вида получили название усилителей постоянного тока независимо от того, усиливают они силу тока или напряжения.

6. Характеристики усилителей.

Для того чтобы форма  сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. В этом случае амплитудная характеристика усилителя имеет линейный вид.

На самом деле линейная зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного  напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается. Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнет нелинейные искажения. Использование линейного участка характеристики еще не является гарантией неискаженного усиления электрического сигнала. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты, то коэффициент усиления для разных гармонических составляющих может оказаться разным. Отметим, что индуктивные свойства резисторов и емкостные свойства проводников, сколь малы они ни были, при увеличении частоты тоже могут оказать существенное влияние на коэффициент усиления. Таким образом, существенна зависимость k=f(w), 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.

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.

7. Генераторы их разновидности и назначение.

Генераторами (электронными генераторами) называют устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы. Большая группа медицинских по назначению аппаратов является конструктивно генераторами разнообразных  электромагнитных колебаний.

По принципу работы различают  генераторы с самовозбуждением (автоколебательные системы или автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые, по существу, являются усилителями мощности высокой частоты. Технической основой генератора могут быть вакуумные устройства (электронные лампы), газонаполненные (газоразрядные) лампы, полупроводниковые элементы и интегральные схемы. Два последних понятия объединяют единым термином – «твердотельные» устройства, от физического понятия «твердое тело».

Генераторы  также подразделяют по частоте и  мощности колебаний. В медицине электронные генераторы находят три основных применения:

• в физиотерапевтической электронной аппаратуре;
• в электронных стимуляторах;
• в отдельных диагностических приборах, например реографе.

Литература:

1. Ливенцев Н.М. Курс физики (Атомная и ядерная физика, основы медицинской электроники и основы медицинской кибернетики): Учебник для вузов. М., Высшая школа, 1978.
2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., Высшая школа,1999.
3. Ясногорский В.Г. Электротерапия. – М., Медицина, 1987.