Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации. 2

АО «Медицинский Университет  Астана»

Кафедра: _____________________________________

 

 

 

 

Реферат

На тему: Структурная схема  съема, передачи и регистрации медико-биологической  информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовил(а):______________

Проверил(а):________________

 

 

 

Астана, 2012

План:

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Общая схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации……………………………………………………………...…5
2. Электроды для съема биологической информации………………..….....6
3. Датчики медико-биологической информации. Название и классификация датчиков, характеристики датчиков. Погрешности датчиков…………………………………………………………………….8
4. Аналоговые регистрирующие устройства. Различные виды регистрации непрерывной информации и их эксплуатационные характеристики…14

Литература…………………………………………………………………...…..19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Электроника. Медицинская  электроника

Электроника - область  науки и техники, в которой  рассматривается работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств.

Выделяют следующие  виды электроники:

1. Вакуумная электроника, основана на применении электровакуумных приборов (рентгеновские трубки, электронные лампы, газоразрядные приборы и т. д.).

Исторически, внимание исследователей на начальном этапе развития электроники  было обращено на процессы переноса электронов в вакууме и в газах. На основе этих исследований были созданы электровакуумные приборы - электронные лампы, которые  могли решать задачи усиления и генерирования  электрических сигналов. Простейшая электронная лампа состоит из стеклянного корпуса (баллона), в  котором в вакууме расположены  катод, сетка и анод. Электроны  эмитируются катодом и под  действием электрического поля, приложенного между анодом и катодом (+ к аноду), движутся через сетку к аноду. Величина тока, образуемого потоком  электронов зависит не только от разности потенциалов между анодом и катодом, но и от величины потенциала сетки. Таким образом, величиной тока анода  можно управлять, изменяя потенциал  сетки. На этом эффекте и строятся различные электронные устройства. На основе электронных ламп создавались  практически все электронные  устройства до 50-х годов прошлого века: приемники и передатчики  радиосигналов, усилители, магнитофоны, локационные станции и другие устройства. Первые телевизоры и вычислительные машины также создавались на основе электронных ламп.

2. Твердотельная электроника, изучающая полупроводниковые приборы, интегральные схемы.

Этот этап развития электроника  получила с изобретением транзистора  в 50-е годы прошлого века. Транзистор - электронный прибор, в котором  используются полупроводниковые материалы  как с электронной проводимостью (движение электронов), так и с "дырочной" (перемещение места в кристаллической  решетке, где отсутствует электрон). Транзистор имеет соединенные между  собой три области, к которым  подключаются электроды: эмиттер, база и коллектор. Между эмиттером  и базой, а также между базой и коллектором имеются р- n переходы, т.е., если область эмиттера имеет электронную проводимость (n- тип), то область базы имеет дырочную проводимость (р-тип) и область коллектора имеет опять электронную проводимость (n-тип) - это транзистор типа n-р- n. Также используются транзисторы с обратным чередованием областей: р-n-р тип. Напряжение питания подводится к электродам: эмиттер-коллектор. Ток в цепи эмиттер-коллектор определяется разностью потенциалов между эмиттером и коллектором и током базы. Таким образом, транзистор усиливает ток (базы) в отличие от электронной лампы, которая усиливает напряжение (на управляющей сетке). На основе транзистора были созданы интегральные схемы, включающие по мере их совершенствования все большее количество элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и других элементов. Применение интегральных микросхем позволило резко сократить размеры, вес, энергопотребление и стоимость электронной аппаратуры, позволило создать мощные вычислительные машины малых размеров с малым потреблением электроэнергии, в том числе широко используемый в настоящее время класс персональных компьютеров.

3. Квантовая электроника, связана прежде всего с лазерами.

Медицинская электроника - это разделы электроники, в которых рассматриваются устройство и работа соответствующей медицинской аппаратуры

В медицинских  электронных приборах неэлектрические  характеристики типа температуры, давления, перемещения органов и т. д. преобразуют в электрический сигнал. Это связано с тем, что информацию, представленную электрическим сигналом, удобно регистрировать и передавать на расстояние.

Медицинскую электронику  классифицируют по областям применения. Обычно выделяют четыре области применения, которые подразделяются на многочисленные подобласти. Далеко не полная схема классификации медицинской электроники представлена на рис. 1.1.а.

МЕДИЦИНСКАЯ                  ЭЛЕКТРОНИКА

Устройства для оказания воздействия  на организм с целью лечения

Устройства для получения  медико-биологичесокой информации

 

 

           

Терапевтические

В КДЛ

Хирургические

Непосредственно у пациента (функциональная диагностика)

При сан.-бак. исследованиях

              

                                                   

              

                                                                                                 Рис.1.1.а

 

 

рис.1

 Важной и  сложной частью медицинской электроники  являются приборы функциональной  диагностики (рис.1). Современные  диагностические приборы, например, магнито-резонансные томографы, позитронно-эмиссионные томографы и т.д. - это очень сложные и дорогие устройства. Для их выпуска нужна научно-техническая база, которой обладают очень небольшое число самых развитых стран мира. Можно сказать, что возможность производства современной диагностической аппаратуры является индикатором развития страны.

Приборы функциональной диагностики часто используются для съёма биопотенциалов.

 

1.  Общая 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, —

Выходной измерительный

(регистрирующий прибор)

передатчик

усилитель

Устройство съёма (электрод или датчик)

приёмник

 

 

Рис.2

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.2. 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).

 

2. Электроды для съема биологической информации.

Электроды - это  проводники специальной формы, соединяющие  измерительную цепь с биологической системой.

В зависимости от назначения, электроды изготавливают из нержавеющей стали, свинца, золота, платины, серебра, палладия и т.д.

Электроды используются для съёма  электрической информации и для  подведения внешнего электромагнитного  воздействия на организм при диагностике, терапии или хирургии (реография, хирургическая диатермия,  электростимуляция  и т.д.)

 

Рассмотрим следующие  виды электродов.

1. Электроды для многократного  кратковременного использования,  например, в виде металлической пластинки, рис.3.

Рис. 3

 Эти электроды используются  в кабинетах функциональной диагностики  для съема ЭКГ. После процедур  они должны обезжириваться и  использоваться снова. В электрокардиографии применяются также электроды- присоски, снабженные резиновым баллончиком для создания небольшого разрежения между телом и электродом. Они позволяют быстро установить электрод в нужной точке тела человека.                                  

Электроды многократного использования  могут накладываться на тело как  непосредственно, так и через  марлевые прокладки, смоченные физраствором. Используются также различные проводящие пасты для снижения сопротивления  электрод-кожа. Высокое сопротивление  электрод - кожа приводит к тому, что  большая часть исследуемого потенциала падает на этом сопротивлении, а не подается на устройство регистрации  или отображения информации. Это  уменьшает регистрируемую величину биопотенциалов.

Для быстрой установки  на пациента применяются так же электроды  – зажимы.

2. Электроды для длительного  непрерывного наблюдения или  регистрации биопотенциалов. Иногда  их называют монитродами. Используются  в палатах реанимации. Мониторингом  или мониторированием называется  длительное непрерывное или периодическое  наблюдение какого-либо параметра  (электрокардиограммы, мониторирование  артериального давления, температуры  и т.д.).

  Рис..4

На рис. 4 показана схема монитрода. Сетка 1 из хлористого серебра находится в проводящей пасте 4, контактирующей с телом человека. Паста заключена в тарелкообразный пластмассовый корпус 5, прикрепляемый к телу например, круговым лейкопластырем 6. С сеткой 1 соединена кнопка 2, на которую надевается клипса 3 с отводящим потенциал проводником. 

       3. Электроды для динамического наблюдения в условиях физических нагрузок (например, в спортивной медицине). Применяются игольчатые инъецируемые электроды(см. рис.5)

 

 

Рис.5          Электрод состоит из инъекционной иглы 1, внутри которой находится контактирующая часть электрода 2 изготовленная из проволоки, платиновой или нержавеющей стали. После введения иглы в тело она вынимается, а проволока остается в теле. Для прочности удерживания и неподвижности при съеме биопотенциалов проволока часто делается спиральной. Для регистрации ЭКГ, с целью исключения биопотенциалов, генерируемых работающими мышцами, электрод устанавливается в том месте, где отсутствуют работающие мышцы, а под кожей находится кость, например, над грудиной.

Рис.6 

 

 

 

4.   Электроды  для экстренного применения, рис.6, например, в условиях скорой помощи. Это могут быть плоские или овальные электроды, снабженные короткими иглами, высота которых равна высоте эпителия кожи (7-2 мм). Используются одно- и многоточечные электроды. При прижатии такого электрода к телу происходит прокалывание эпителия, что

снижает сопротивление  электрод - кожа и   повышает качество регистрации сигнала. Немалое значение имеет и быстрота наложения электрода.

     Существуют и другие виды электродов, например, электроды дефибрилляторов, реографов, электроретинографов и т.д.

При пользовании  электродами возможны поляризационные эффекты: возникновение ЭДС поляризации, выделение под электродами газообразных продуктов реакций, накопление под электродами прижигающих кожу веществ - кислот, щелочей. Но существуют и специальные неполяризующиеся электроды.

3.Датчики медико-биологической информации

Датчик-это устройство, преобразующее измеряемую величину в электрический сигнал, удобный  для передачи, преобразования и регистрации. Рассмотрим классификацию датчиков, представленную на рис.7.

Генераторными называются датчики, в которых энергия сигнала, несущего информацию (входная величина), преобразуется в ЭДС соответствующего значения (выходная величина). Параметрическими называются датчики, в которых под воздействием энергии измеряемого сигнала изменяются их электрические параметры: сопротивление, емкость, индуктивность, коэффициент взаимоиндукции и т.д.

 

 

 

   Рис.7.

 

 

В энергетических датчиках, рис.8, существует источник энергии 1. При прохождении через объект (органы, ткани организма), поток энергии от источника 1 изменяется                                                                                    Рис.8

пропорционально измеряемым параметрам объекта, после чего преобразуется чувствительным элементом 2 в электрический сигнал. 

К энергетическим датчикам относится, например, оксигемометр, который  применяется для определения степени насыщения крови кислородом. Метод основан на наблюдении изменения оптического спектра поглощения крови при переходе гемоглобина в оксигемоглобин. При этом хрящевой участок ушной раковины или мочка уха просвечивается светом от источника. Свет, проходя через ткань, падает на фотоэлемент. Изменение спектра поглощения крови вызывает изменение тока в электрической цепи фотоэлемента.

Метрологические параметры датчиков.

1. Чувствительность - это  изменение выходной величины  датчика ∆у при изменении входной  ∆х на единицу.

Чувствительность Z датчика  измеряется, например, в микроамперах на нанометр мкА/нм, в милливольтах на Кельвин мВ/К,  в миллиамперах на грамм мА/г и т.д.

2. Порог чувствительности  датчика - минимальное значение  входной величины, которое можно  обнаружить с помощью датчика.

3. Динамический диапазон  датчика - диапазон частот и  амплитуд входного сигнала, измеряемый  без заметных погрешностей.

4. Погрешность измерений  - максимальная разность между  результатом измерений и действительным  значением измеряемой величины.

5. Время реакции (инерционность) - минимальный промежуток времени,  в течение которого выходная  величина принимает значение, соответствующее  входной. Дело в том, что  процессы в датчиках происходят  не мгновенно и это приводит  к запаздыванию изменения выходной  величины по сравнению с входной.  Поэтому регистрация результатов  измерений с помощью датчика  должна производиться с учетом  промежутка времени, соответствующего  времени реакции прибора.

Виды  биоуправляемых датчиков.

По типу преобразуемых  величин датчики могут подразделяться на механоэлектрические, термоэлектрические, фотоэлектрические, хемиэлектрические и т.д. Например, в механоэлектрических датчиках механическая величина (сила, деформация, перемещение и т.д.) преобразуется в электрическую величину; в термоэлектрических – в электрическую величину преобразуются тепловые характеристики, и т.п.

Рассмотрим некоторые  виды примеры. Пример 1. Механоэлектрический пьезодатчик (рис.9), основан на явлении пьезоэффекта. В пьезодатчике возникает напряжение U при воздействии на пьезокристалл К силой F. Эта разность потенциалов пропорциональна деформирующей силе или деформации кристалла.

U = kF, где k - чувствительность датчика.

Рис.9

Входной величиной  для этого датчика является сила или абсолютная   деформация, выходной - напряжение на гранях кристалла. Пьезодатчик применяется для снятия сфигмограммы, в автоматических измерителях артериального давления по методу Короткова, где он встраивается в манжету и дает сигнал о начале и конце колебаний стенок сосуда.

  Пример 2.  Механоэлектрические индукционные датчики разных модификаций применяются в различных областях диагностики. Например, при регистрации фонокардиограммы, изменений диаметра крупных сосудов         при прохождении пульсовой волны, изменения давления в сосудах и т.д

В датчике, рис.10, перемещение магнитного сердечника относительно катушки приводит к возникновению ЭДС индукции ε.                       

Рис.10

                                                                                           

ε =kV

Скорость изменения магнитного потока Ф, пересекающего витки катушки, пропорциональна относительной скорости V перемещения магнитного сердечника и катушки. Поэтому генерируемая ЭДС индукции   пропорциональна скорости V.

где k - чувствительность датчика. Входной величиной такого датчика является скорость V, а выходной – ЭДС индукции ε.                                                                                                              

Пример 3. Термоэлектрический датчик или термопара, рис.11. В таких датчиках за счет тепловой энергии объекта нагревается контакт разнородных металлов или полупроводников, что приводит к возникновению термозлектродвижушей силы:

                                                             ε=α∆Т

где α- коэффициент  пропорциональности-чувствительность термопары. Входной величиной датчика является разность температур между нагретым и холодным контактами ∆Т=Т_н-Т_х, выходной - термоэлектродвижущая сила ε. Термопара может применяться для измерения температуры тела.

Рис.11

 

 

            Рассмотрим некоторые виды параметрических датчиков.

Механоэлектрический емкостной датчик, рис.12. При изменении расстояния между пластинами конденсатора в процессе измерения некоторого размера изменяется емкость датчика С~1/d

Соответственно изменяется его емкостное сопротивление Х_с =1/ωС  и, как следствие, переменный ток в измерительной цепи с источником питания ε. Измерительное устройство показывающего типа на рис. 12- 14.представлено условно. Чаще используется записывающее устройство.

Механоэлектрический индуктивный датчик перемещения, рис.13.

 

 

 

       Рис.12                                                                                     Рис.13

      

ЭДС электромагнитной индукции в измерительной катушке 2 пропорциональна скорости изменения тока в первичной катушке 1

 Рис.14

Поэтому, при  передвижении стального конического сердечника, проходящего через обе катушки, изменяется коэффициент взаимной индукции М катушек питания 1, в которую включен источник переменного тока ε_i и измерительной 2, в которой возникает ЭДС взаимной индукции ε₂. Соответственно перемещению сердечника изменяется ток в измерительной катушке 2.

Механоэлектрический тензодатчик, рис.14. применяется, например, при исследовании деформационных свойств костей, мягких тканей, стенок сосудов. При удлинении за счет силы F проводника длиной l, по которому течет ток, уменьшается площадь сечения проводника S. Оба эти фактора приводят к увеличению сопротивления проводника  где ρ - удельное сопротивление материала проводника. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению тока в измерительной цепи, которое пропорционально силе F.

Существуют и более специализированные датчики. Например, в резистивном датчике дыхания, рис. 15, в качестве чувствительного элемента используется пояс из токопроводящей   резины.

Рис.15

 

Пояс одевается  на пациента. При дыхании резина деформируется в такт вдоху и выдоху, что ведет к изменению ее сопротивления. Соответственно, изменяется и ток в измерительной цепи.

 

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.

В заключение отметим, что  датчики являются техническими аналогами  рецепторов биологических систем.

4. Аналоговые регистрирующие устройства

Конечным элементом технической  схемы, изображенной на рис.2, является измерительное (контролирующее) устройство, отображающее или регистрирующее медико-биологическую информацию.

Под устройством отображения  понимают устройство, которое временно представляет информацию, при появлении  новой информации прежняя информация бесследно исчезает. Такими являются, в частности, стрелочные приборы: амперметр, вольтметр и др. Стрелочный амперметр, например, показывает силу тока в данный момент и не фиксирует ее. При изменении силы тока в цепи информация о прежнем значении безвозвратно утрачивается. Для запоминания информации, отображаемой такими устройствами, необходимо специально ее фиксировать, что, например, и делают студенты в физической лаборатории, снимая показания приборов. Медико-биологическое применение устройств отображения достаточно мало: электротермометр сопротивления, частотомер пульса и др.

Значительно большее распространение  в медицинской электронике получили регистрирующие приборы, которые фиксируют  информацию на каком-либо носителе. Это  позволяет документировать, хранить, многократно использовать, обрабатывать и анализировать полученную медико-биологическую  информацию.

Отображающие и регистрирующие приборы подразделяют на аналоговые — непрерывные, дискретные и комбинированные, сочетающие возможности аналоговых и дискретных.

Рассмотрим подробнее  наиболее распространенные в практике медико-биологических исследований аналоговые регистрирующие устройства. Некоторые из них называют также  самопишущими приборами илн самописцами.

В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие  способы регистрации информации на носителе:

а) нанесение слоя вещества (красителя):  чернильно-перьевая и  струеписные системы;

б)  изменение состояния вещества носителя: фоторегистрация, электрохимическая,   электрофотографическая   (ксерография)   и магнитная запись;

в) снятие слоя вещества с носителя: закопченная поверхность, тепловая запись.

Простейшим самописцем, находящим  и сегодня применение в физиологическом  эксперименте, является кимограф (рис. 16), работающий от заведенной пружины, или электрокимограф, равномерное вращение барабана которого осуществляется электродвигателем.

Идея кимографа — равномерное  вращение или перемещение поверхности  носителя сохраняется в подавляющем  большинстве современных аналоговых регистрирующих приборов, фиксирующих  временную зависимость исследуемой  величины. Смещение у писчика или  светового пятна, пропорциональное регистрируемой величине, является ординатой полученного графика (рис.17).

                                     

Рис.17

Рис. 16

 

Равномерное перемещение  носителя (бумага, фотопленка) означает, что абсцисса прямо пропорциональна  времени £ В результате полученная кривая отражает зависимость у — /<).

Самопишущие приборы, используемые в медицинской аппаратуре, преобразуют  электрический сигнал в механическое перемещение. Физически они являются гальванометрами — высокочувствительными  электроизмерительными приборами, реагирующими на достаточно малую силу тока. В этих приборах ток, проходящий по катушкам, проволочной рамке или  по петле, взаимодействует с магнитным  полем постоянного магнита. В  результате этого взаимодействия подвижная  часть (магнит, проволочная рамка или части петли) отклоняется пропорционально силе тока, т.е. пропорционально электрическому сигналу.

С подвижной частью соединен пишущий элемент, оставляющий след на движущемся носителе записи: специальное  капиллярное перо, либо стеклянный капилляр с соплом в струйном самописце, либо зеркальце, отражающее луч света  или что-то другое.

В качестве примера на рис. 18 схематически изображен струйный самописец. Здесь 1 — электромагнит, через обмотки которого проходит регистрируемый электрический сигнал; 2 — постоянный магнит в форме цилиндра, он жестко связан со стеклянным капилляром 3. Из сопла капилляра 4 П°Д давлением вылетают чернила, оставляя след у, пропорциональ-ньвй отклонению постоянного магнита и, следовательно, силе тока в электромагните.

Рис. 18

                 Рис.19

Важной характеристикой  самописца является диапазон частот колебаний, которые они успевают регистрировать. Чем больше момент инерции подвижной части самописца, тем больше запаздывание регистрации  относительно истинного изменения  регистрируемой величины, частотная  характеристика будет хуже.

В самопишущих устройствах  наряду с обычными погрешностями  измерительных приборов возникают  также погрешности, обусловленные  записью.

Причинами погрешности записи могут быть неточность работы механизма  перемещения бумаги или фотопленки, запаздывание, вызванное инерцией пишущей  системы прибора, изменение размеров бумаги под влиянием влажности воздуха, неточность отметки времени и  др.

Кроме однокоординатных самописцев, фиксирующих временную зависимость, в исследовательской практике получили распространение двухкоор-динатные самописцы. На рис.19 изображен внешний вид такого самописца модели ПДС-21М. При регистрации поперечная рейка перемещается поступательно, ее смещение пропорционально одному из подаваемых сигналов (параметров) г. Вдоль рейки пропорционально изменению второго параметра у перемещается каретка с писчиком. В результате писчик совершает сложное движение и оставляет на бумаге график функции у = £х).