Биолгиялық таяқшалар

Жоспар:

І.Кіріспе

ІІ.Негізгі бөлім

А) Медициналық аппараттар мен құралдардың негізгі топтары

Ә) Медико-биологиялық ақпаратты алу, тіркеу және жеткізудің құрылымдық сызба кестесі

Б)Медико-биологиялық ақпараттарды алуда қолданылатын электродтар.

В)Медико-биологиялық ақпараттардың датчиктері.

Г) Сигнал күшейткіштері (усилители)

ІІІ.Қорытынды

ІҮ.Қолданылған әдебиеттер. 

Кіріспе

Қазіргі заман – ғылыми техникалық прогрестің дамып, шарықтаған заманы. Адамзат биология әлемінде сан қилы жұмбақ құбылыстардың қыр-сырын ашып, неше түрлі реакцияларды, процестерді, ауытқуларды зерттеп,оларды өздерінің бақылауына алуда.Көптеген ғалымдар, оқымыстылар түрлі тәжірибелерді іске асырып, өз еңбектерін жарыққа шығара отырып, өздерін әлемге танытқандарымен қоса медицина саласына да орасан зор пайдаларын тигізген.Сондай атақты ғалымдардың теорияларын пайдалана отырып,әрине техниканың да көмегімен біз медико-биологиялық ақпаратты ала аламыз. Және де осы аталған жетістікке жету жолында нәтижелілігіне, нақтылығына, ыңғайлы түрде көркемделуіне жауап беретін, сонымен қатар өзі де бір жағынан сол ерең еңбектің нәтижесі, жемісі болып табылатын адамзаттың  айнымас негізгі көмекшілері – бұл әр-түрлі аппараттар мен құралдар, яғни бір сөзбен айтқанда техника болып табылады. Ал бұл көмекшілердің берген көмегі жоғары нәтижелі болудың басты алғышарты – алынған ақпаратты өндеп, жеткізу әдістерін толық түрде меңгеру.  

Медициналық аппараттар мен құралдардың негізгі топтары.

Медициналық электронды аппаратураны 2классқа бөлуге болады:медициналық  құрал-жабдықтар және медициналық  аппаратуралар. Медициналық құрал-жабдықтар  дегеніміз-диагностикалық және емдеу  мақсатындағы өлшейтін техникалық жабдықтар (медициналық термометр,электрокардиограф).

Медициналық аппараттар-энергетикалық  әсер етуші техникалық құралдар.

Медициналық құралдар мен  аппараттардың медико-биологиялық  мақсатта қолданылатын бірнеше түрін  ерекше атап өтуге болады:

-медико-биологиялық ақпараттарды  алатын және тіркейтін құралдар. Осы құралдардың көбісі өзінің  сызба кестесінде электрлік сигналдарды  күшейтетін күшейткіштерден құралады.

-ағзаның әр түрлі физикалық  факторларына емдеу мақсатында  әсер ететін құрылғы.Физикалық  көз қарастар бойынша бұл құрылғы  әртүрлі электрлік сигналдардың  генераторы болып табылады.

-кибернетикалық электронды  құрылғы.

Медицинада қолданылатын құралдар мен ақпараттардың негізін  медициналық электроника құрайды. Электроника-өткізгіштерге және жартылай өткізгіштерде өтетін электрлік құбылыстар туралы ілім. Медициналық электроникаға электрондық құралдарды, аппараттарды және жүйелерді жасау және оларды медицинада қолдану мәселелері кіреді. Электрондық құралдардың жұмыс принципі электр зарядтарының вакуумда, газда немесе қатты денелердегі қозғалысына негізделген.

Электрондық құралдардың  көмегімен энергияны бір түрден екінші түрге түрлендіруге болады. Мысалы жарық сәулесінің энергиясын электр энергиясына айналдыруға; жылдамдық  температура және қысым сияқты электрлік  емес шамаларды электр сигналдарына түрлендіруге болады.

Медициналық электрондық  техника медико-биологиялық ақпаратты  алуға  

тіркеуге және таратуға қолданумен қатар адам ағзасына әсер ету үшін де (физиотерапияда және электрохирургияда) кеңінен қолданылады.

Медициналық электрондық  аппараттардың дамуының басты бағыты-күрделі  жүйе түрінде қарастыру,блоктары мен  бөлшектерін стандарттау, көлемін  кішірейту тұтынатын электр энергиясын аазайту, беріктігін арттыру және басқару  жүйесін қарапайым ету.

Қолдану бағытына байланысты электрондық-медициналық аппараттарды шартты түрде мынандай үш топқа бөлуге болады: функционалды диагностика, емдеу  мақсатында адам ағзасына әсер ету (физиотерапия және электрохирургия), электрондық-есептеуіш машиналар жүйесі.

Функционалды диагностикада әдістер үш топқа бөлінеді: а)ағзаның биопотенциалдарын тіркеу (электрография); б) электрлік емес шамаларды тіркеу (фонокардиография, баллистокардиография, сфигмография, реография, және т.б); в) эндо-және радиотелеметрия (адам ағзасының функциясын кашыктан бақылау).

Электротерапия және электрохирургия адам ағзасына электрлік факторлармен әсер етіп емдеу мақсатында қолданылады. Бұл топта тұрақты және айнымалы токтар, тұрақты электр және магнит өрістері қолданылады.

Электрондық есептеуіш машинаны қолдану аясы аса кең. Ол мәселені қарастыру медициналық биофизиканын шеңберінен бөлек, информатика пәнінің  еншісі болады.

Адам ағзасында өтетін және өлшеуге болатын параметрлерді  екі топқа бөлуге болады: тікелей  өлшеуге болатын парметрлер және тікелей өлшеуге болмайтын, бірақ  жанама тәсілмен анықталатын параметрлер.

Тікелей өлшеуге болатын  параметрлерге жүрек бұлшық еттерінің  жиырылуы, температура, биоэлектрлік потенциалдар жатады. Тікелей өлшеуге болмайтын, бірақ жанама тәсілмен анықталатын  параметрлерге мыналарды жатқызуға  болады: адам денесінің бір учаскесінің  электрлік кедергісін анықтау арқылы сол учаскенің қанмен қамтамасыз ету шамасын анықтауға болады; тіндердің жарықты жұту шамасы сол  ағзаның көлемі туралы ақпарат береді және т.с.с көптеген әдістер бар.

Медициналық-биологиялық  ақпаратты алуға арналған құралдар электродтар мен датчиктер болып  екі топқа бөлінеді. Электродтар  адам ағзасында пайда болған  

биопотенциалдарды алу үшін, ал датчиктер адам ағзасында өтетін электрлік сигналдарына түрлендіру үшін қолданылады.

Медико-биологиялық  ақпаратты алу, тіркеу және жеткізудің құрылымдық сызба кестесі

Медико-биологиялық ақпараттарды алу және тіркеу үшін медициналық  құрылғылардың бірнеше түрлерін қолдану қажет. Кесте

Сурет 1.Медико-биологиялық ақпарат алудың құрылымдық сызба кестесі

Мұнда Х-биологиялық параметрді өлшеуші система, У-шығыста өлшеуші  прибормен тіркелетін үлкендік болып  табылады. 

Медико-биологиялық  ақпараттарды алуда қолданылатын электродтар.

Медико-биологиялық ақпарат  алудың құрылымдық сызба кестесінің ең бірінші элементі болып электродтар  саналады.

Электродтар деп электр тізбегінің бір нүктесін сол тізбектің екінші нүктесімен қосуға арналған арнайы пішінді  өткізгішті айтады.

Электрофизиологиялық  зерттеулерді өткізуінің кезінде электродтарды  электір сигналдарды қабылдау үшін қолданылады.

Электродтар тез  фиксироваться етіліп, тез шешілуі  қажет және берік болып,тітіркендірмеуі  керек.

Электродтарға қойылатын  талаптар:

• олар потенциалдарды әрқашан өзгертпеу керек
• тітіркіндірмеу керек
• олар потенциалдарды қабылдаған кезде ешқандай артефакттар өз әсерін тигізбеу керек
• олардың механикалық қабілеті өте берік болу керек, бірақ эластикалық қасиеттері сақталу керек,
• дайындау технологиясы жоғары деңгейде болу керк және олар үнемді болу керек.

Тағайындалуына  сәйкес төрт топ электродтарды ажыратады:

• функционалды диагностика кабинеттердегі бір рет қолдану үшін арналған электродтар;
• реанимация, интенсивті терапия палаталары үшін арналған биоэлектір сигналдарын үзіліссіз қабылдайтын электродтар

• Спорт медицинасында және қалпына келу палаталарында қолданылатын динамикалық үзіліссіз түрінде биосигналдарды қабылдайтын электродтар
• Жедел жәрдем көмек көрсету жағдайында қолданылатын электродтар

Сыртқы электродтарға  қойылатын жалпы талап – электрод-тері көшпелі қарсыласудың азайтуы. Бұл  қарсыласудың мәңі электродтың материалынан, терінің қасиеттерінен, оның электродпен  әрекеттесетін ауданынан және электрод пен тері арасындағы қатынасқа түсетін  қабаттын қасиеттерінен тәуелді.

Биоэлектрлік потенциалдарды алынатын мүшесіне байланысты электродтарды түрліше айтады. Мысалы, ЭКГ (электрокардиография)-жүрек потенциалдарын зерттеу ЭЭГ (электроэнцефалограф)-мидың биопотенциалын зерттеу, ЭМГ (электромиография)-жүйке бағанасы мен бұлшық еттердің биопотенциалдарын зерттеу және т.б әдістер бар. Сонымен қатар электродтар адам ағзасына электр сигналдарымен әсер ету үшін де қолданылады. Мысалы: кардиостимулятор-жүректің функционалдық мүмкіншілігін арттыру үшін және адам ағзасына арнайы пішінді электр сигналдарын енгізіп, шығыс жолында сол сигналдың пішінінің өзгеруін диагностикада қолдануға болады.

Қорыты айтқанда, электродтар  медицинада мынандай үш бағытта қолданылады:

а) адам ағзасындағы биопотенциалдарды  тіркеп, оны диагностикада қолдану;

ә) адам ағзасына үздікті  электр сигналдарымен әсер ету. Сол  арқылы жүйенің функционалдық қабілетін  арттыру (электростимуляция);

б)адам ағзасына түрліше  пішінді сигналдармен әсер етіп, олардың  өзгерісін диагностикада қолдану (электродиагностика).

Адам ағзасынағы пайда  болатын биопотенциалдар өте  әлсіз болады. Сондықтан да оларды диагностика қолдану мақсатына жеткізу үшін күшейткіштер қолданылады.

Сигналдарды күшейткенде  күшейткіштің биологиялық жүйенің  сыртқы кедергісі мен ара қатынасын  ескеру керек.

Егер күшейткіштің кірісіндегі  ішкі кедергімен сыртқы кедергі тең  болса, онда күшейтілген сигналдың  максималды қуаты күшейткіштің кірісінде  төмендейді. Ом заңы q бойынша

=+

Мұндағы -биопотенциал көзінің электр қозғаушы күші.

Осы формуладан ток күшін  табуға болады:

I=

Күшейткіштің кірісіндегі  кернеудің формуласындағы ток күшінің  мәнін (2)орнына қоямыз.

==*

Осыдан мынандай қорытынды  шығарамыз:

Егер →0 болса, онда →0 және →∞ онда → олай болса кіріс тізбегінде ток болмайды, яғни сигнал көзінен ток таралмайды. Осы мәселе тізбектің ішкі кедергісінің мәндерін сәйкестендіріп алуға мәжбүр етеді. Көпшілік тәжірибелерде ішкі кедергі сыртқыдан 15-20 есе көп болатындай етіп алынады. Күшейткіштің кедергісіндегі сыртқы кедергісі деп адам терісі мен электродтың арасында пайда болған кедергіні айтады.

Өтпелі кедергінің мәні электрод жасалған металдың табиғатына, адам терісінің қасиетіне, электродтың ауданына байланыста болады. Электрод пен құрғақ терінің арасындағы өтпелі кедергі өте көп болады. Оны азайту үшін электрод пен терінің арасында физиологиялық ерітіндіге шыланған жұқа дәке салынады.Ол кедергінің электродтың ауданын үлкейту арқылы да кішірейтуге болады. Алайда электрод ауданы үлкейген сайын оған қоршаған орта әсері де көбейе түседі. Осылайша қабылданатын 

сигналға ақау енеді. Егер де мысал келтірсек ЭЭГ-ны алуға  болады.ЭЭГ-ны алу үшін электродтардың ауданын ЭКГ-ны алудағы электродтардың ауданынан кішкентай етіп алынады.

Тізбек бойымен электр тогы өткенде адамның терісі мен  электрод арасында пайда болатын  гальваникалық ЭҚК әсерінен потенциалдар айырымы өзгереді. Гальваникалық  ЭҚК электр қозғаушы күшіне қарама-қарсы  бағытта бағытталады. Оны электродтың  гальваникалық поляризациалануы деп  атаймыз. Поляризациалану потенциалдарының себептері болып мыналар есептеледі: электродтың табиғаты, электролиттің құрамы,температура т.б. Осындай өзгерістер тіркелетін сигналдың пішініне ақау енгізеді. Мысалы, металл электродты электролитке батырсақ ол екеуі арасында қажетсіз потенциалдар айырмасы пайда болады. Осыны азайту үшін электрод матеиалын,электролит құрамын абайлап таңдап алған жөн. Сол себепті медициналық ақпарат алатын электродтар көбінесе алтын,күміс, палладийдан, платинадан жасалады.

Электродтар түрлі пішінді  болып келеді: шар,жалпақ,ине тәрізді, сорғышқа бекітілген,теріге кіретін  т.б. ЭЭГ-ны алу үшін шар тәрізді электрод қолданылады, ал ЭКГ ны алуда сорғышқа бекітілген немесе жалпақ түрі қолданылады. Жалпақ электродтары келесі топтарға бөлінеді: металлдық, сыйымдық, резистивті және резистивті-сыйымдылық.

Металлдық электродтар ең тараған топ. Оларды алтыннан, күмістен және тот баспайтын металлдардан жасайды.

Ең жиі қолданылатын металлдақ  электродтар – ауданы 20 шаршы  сантиметр тот баспайтын темірден жасалған тілік.

ЭКГ тіркеу үшін арналған арнайы электрод 2 суретте бейнеленген. Бұл электродтың конструкциясы жайпақ тәрелке тәрізді. Оны теріге бекітеді де тоқты өткізетін пастасымен толтырады.

Бас миының потенциалдарын тіркеу үшін ауданы 1,1-1,5 шаршылы см. Аспайтын электродтар қолданылады. Бұндай электродтардың әр түрлі конструкциялары  болады. Оның ішінде пастамен толтырылған  цилиндр тәрізді электродтар (сурет 3).

Сыйымдылық электродтары. Олардың негізгі артықшылығы – металлдық электродты қолданатын кездегі пайда болатын контакттық және поляризациялық потенциалдардың болмауы.

Сыйымдылық электроды  дегеніміз диэлектриктің жұқа қабаты себілген металлдан тұратын пластина. Бірінші электродтар анодтырылған аллюминийден жасалған. Бұл типті  электродтардың ең жақсысы анодтылған танталдан жасалады.

Резистивті-сыйымдылық электродтардың  сыйымдылық электродтарынан айырмашылығы – сыйымдылықты құрастыратын диэлектригінің өткізгіштігі төмен. Оның эквивалентті электір схемасы келесі суретте келтірілген:

Диэлектриктің өткізгіштігі өте төмен болғандықтан ондай  электродтар интактты және полярлық потенциалдарды азайтады және потенциалдардың  бүкіл инфратөменжиілік спектрін тіркейді. 

Медико-биологиялық  ақпараттардың датчиктері.

Көптеген медико-биологиялық  ақпараттар электрлік емес болып  табылады,яғни қанның қысымы,температура,пульс.Осы  электрлік емес сигналдарды электрлік  сигналдарға айналдыру үшін арнайы датчиктер қолданылады.

Датчиктер сыртқы әсерлерден өздерінің электрлік параметрлерін  яғни кедергілерін сыйымдылығын индуктивтілігін  өзгертеді де тізбектегі ток пен  кернеудің шамасына да әсер етеді. Сол  себепті датчиктер электрлік  емес сигналдарды электрлік  

сигналдарға түрлендіреді. Осыдан пайда болған электрлік шамаларды күшейтуге тіркеуге қолдануға болады. Сондықтан датчиктерді кей кездері түрлендіргіштер деп те атайды.

Датчик типтері, конструкциялық ерекшеліктері сол датчик арқылы түрленетін сигнал түріне, кірістегі  электрлік емес сигналдардың физикалық  параметрлерін және шығыстағы электрлік  сигналдардың пішіндері мен амплитудаларына  тәуелді болады.

Датчиктерге берілетін электрлік  емес сигналдар:

• механикалық шамалар-сызықтық және айнымалы қозғалыс, жылдамдық, үдеу, қысым, тербеліс жиілігі;
• физикалық шамалар-температура, жарықталу, ылғалдылық;
• химиялық шамалар-заттың ерітіндідегі таралымы, құрамы;
• физиологиялық шамалар-тіннің қанмен қамтамасыз етілуі, тыныс алу көлемі, қанның пульстық көлемі және т.б.

Датчиктер өзі 2–ге бөлінеді:

1. Активті (генераторлық)
2. Пассивті (параметрлік)

Активті датчиктерде кірістегі  электрлік емес сигналдардың әсерінен шығыста электрлік сигналдар  пайда болады. Сыртқы әсердің салдарынан активті датчиктер өздері электрлік  сигналдардын қорытып шығарады. Сол  себептен оларды генераторлық деп те атайды. Ол сигналдардың жиілігі мен  амплитудасы кірістегі электрлік  емес сигналдардың жиілігі мен амплитудасына  сәйкес келеді. Ондай датчиктерге  пьезоэлектрлік индукциялық датчиктер  және термоэлементтер жатады.

Пассивті датчиктер кірістегі  электрлік емес сигналдардың әсерінен өздерінің электрлік параметрлерін  өзгертеді. Электрлік параметрлеріне олардың кедергілері,

сыйымдылықтары және индуктивтілігі жатады. Сондықтан ондай датчиктері параметрлік датчиктер деп те атайды. Пассивті датчиктер сыртқы ток көзі бар электрлік тізбегіне қосылады.

Резистивті датчиктерді  тыныс алу жиілігін анықтау үшін қолданады. Резина түтік көмір ұнтағымен  толтырылған болады. Датчиктің 2 басын  адамның кеудесіне бекітеді.Датчик ток көзіне өткізгішпен және электродпен қосылады. Тыныс алу кезінде резина түтік созылады.Сол кезде оның көлденең қимасының ауданы кішірейеді.

Резистивті датчиктің  тағы бір түрінде электр тогының  өзгерісін сезгіш ретінде ток  өткізетін резина қолданылады. Оның жұмыс принципі алдындағы датчиктікіне ұқсас болады.

Қазіргі кезде клиникалық практикаларда қан тамырының  ішіндегі  және жүрек қуысындағы қанның қысымын анықтауда электрлік  тензо-датчиктерді қолданады.Олардың  жұмыс принциптері кейбір материалдардың механикалық деформация әсерінен кедергілердің  өзгеруіне негізделген. Ондай заттарға селикон, смола т.б жатады.

Пьезоэлектрлік датчиктер  активті датчиктер қатарына жатады. Олар жүрек-қанайналым жүйесінің күін, яғни пульст,систолалық және диастолалық  қысым, жүректің тоны,шуын және тыныс  алу жиілігі мен көлемін анықтауға қолданылады.  

Анықтамалары:АД-артериальное давление крови,БКГ-баллист кардиограмма, ФКГ-фонокардиограмма,ОГГ-оксигемография, Т-температура, ДЖ-давление в желудочно-кишечном тракте. 

Сигнал күшейткіштері (усилители)

Көптеген медициналық  электронды құрылғылардың құрамына күшейткіштер кіреді. Оларды медико-биологиялық  ақпараттарды тіркеуші системалардың  әлсіз сигналдарының амплитудасын жоғарылату үшін қолданады.Электр сигналдарын  күшейткіш-осындай сигналдарды олардың  ешқандай формасын өзгертусіз күшейтетін құрылғылар.

Мақсатына тәуелді күшейткіштер ток күшінің напряжениесына және күштілігіне байланысты ажыратылады.Болашақта осы анықтамалардың барлығы қосымша күш түсіретін күшейткішке қатысты болады. Мұндай күшейткіштің функционалды схемасы 4-суретте көрсетілген. Күшейткіштің кіреберіс клеммаларына қосымша Uкір күші түсіріледі. Күшейткіштің электронды сызбасы оның сырттан келетін электроэнергияның амплитудасының үлкеюін қамтамасыз етеді. Күшейтілген сигнал Uшығ шығыс клеммалардан шешіледі.

Күшейткіштің электронды сызбасы

 Uкір  Uшығ

Электрлік энергияның

көзі

Күшейткіш жеке блок түрінде  жасалуы мүмкін немесе медициналық  аппараттың құрамына кіретін болуы  мүмкін.Соңғы жағдайда сигнал датчиктан  тікелей күшейткішке барады.Күшейтілген  сигнал ары қарай құрылғыға жіберіледі.Ол құрылғыда электрлік сигналды көрінетін ақпарат түріне келтіреді. Мысалға алатын болсақ сұйық кристалды дисплейлар. 

Қорытынды

Осы жұмыс барысында мен  тірі ағзаларды медико-биологиялық  аппараттар арқылы зерттеуді қарастырдым. Медико-биологиялық ақпаратты жалпы  қалай ненің көмегімен алатыны  жайында қысқаша тоқталдым. Солардың барлығын қорытындылай келсем адам ағзасында  болып жатқан және өтетін параметрлерді  тікелей немесе жанама өлшеуде датчиктер мен электродтар қолданылады. Және ол қндырғыларға бірнеше талаптар қойылады. Соның ішінде қондырғыларға қойылатын басты талаптар:

• адам ағзасынан алынатын биопотенциалдардың және басқадай медико-биологиялық ақпараттардың пішініне ақаудың мейлінше аз болуы;
• алынатын ақпаратты қоршаған ортаның зиянды әсерінен қорғау;
• ағзаға зиянсыз болуы
• залалсыздауға (стерильдеуге) қолайлы және бірнеше рет қолданылатындай болуы керек;

Жалпы медико-биологиялық  ақпаратты тірі ағзаларды зерттеуде, ағзадағы ауруды анықтауда, белгілі  мүшелердің жұмыс жасау қалыпын  тексеру мақсатымен алады.

Қазіргі дамыған заманда  ауру да дамып, жетілуде. Соған орай медицина да бір орында тұрмай белсенді дамуда. Осындай құрылғылардың арқасында  дәрігерлер ауруды анықтап, оны емдеудің жолдарын қарастырады. Сондықтан да осы жұмыста қарастырған электродтар  мен дакчиктердің медико-биологиялық  ақпаратты алудағы маңызы өте  зор және медицинаның дамуына да әсері өте көп деп айтуға болады. 

Қолданылған әдебиеттер

1.Бират Көшенов «Медициналық  биофизика», Алматы 2008, 155-161 беттер

2.http://chemisk.narod.ru/html/ib01.html

3.Http://bugtraq.ru/library/books/attack/charper03/01.html

4. Ремизов А.Н. Медицинская  и биологическая физика., Высшая школа, 2004. с. 307 – 319.

5.Антонов В.Ф «Практикум  по биофизике» М.ВЛАДОС 2011