Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации. Источники погрешностей при регистрации медицинских пок

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра медицинской биофизики  и информатики

СРС

На тему: Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации. Источники погрешностей при регистрации медицинских показателей.

Выполнила:

Проверил:

Караганда 2012

Содержание:

Введение  ……………………………………………………………………………………. 2

Глава I. Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации…………………………………………………………………………………..3

1.1. Система получения медико-биологической информации…………………………….4

1.2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала…………………………………....5

1.3. Датчики медико-биологической информации………………………………………….8

1.4. Передача сигнала. Радиотелеметрия……………………………………………..…….11

1.5 Аналоговые регистрирующие устройства…………………………………………...…12

Глава II.

Заключение 

Список  используемой литературы  

Введение

Биофи́зика (от др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. φύσις — природа)

• раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;
• это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Обобщённо можно сказать, что биофизика  изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества.

«Важнейшее содержание биофизики  составляют: нахождение общих принципов  биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие  их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим  явлениям»

Медицинская биофизика ориентирована на использовании в медицине результатов фундаментальных исследований в области мембранных процессов, фотобиологии, биофизики клетки.

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, —

передатчик

усилитель

Устройство съёма (электрод или датчик)

приёмник

Выходной измерительный

(регистрирующий прибор)

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).

1.1. Система получения  медико-биологической информации

Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией отсутствующей 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.

В устройствах медицинской электроники  чувствительный элемент либо прямо  выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в  сигнал электронного устройства. В  медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды  и датчики.

Электроды – 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.

Многие медико-биологические характеристики нельзя «снять» электродами, так  как они не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В  некоторых случаях медико-биологическая  информация связана с электрическим  сигналом, в этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее  измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или  регистрации. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого  сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. К таким типам  датчиков относятся:

1) пьезоэлектрические;

2) термоэлектрические;

3) индукционные;

4) фотоэлектрические.

Параметрические – это датчики, в которых под воздействием измеряемого  сигнала изменяется какой-либо параметр.

К таким датчикам относятся:

1) емкостные;

2) реостатные;

3) индуктивные.

В зависимости от энергии, являющейся носителем информации, различают  механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.

Биоэлектрические потенциалы являются существенным диагностическим показателем  многих заболеваний. Поэтому очень  важно правильно регистрировать эти потенциалы и извлекать необходимую  медицинскую информацию.

1.2. 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.

1.3. 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

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.

1.4. 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-

Рис. 17.7

стоянии от биологической системы, такие измерения относят к телеметрии или, возможно, к биотелеметрии. Связь между устройством съема и регистрирующим прибором при этом осуществляется либо по проводам, либо по радио. Последний вариант телеметрии называют радиотелеметрией. Этот вид связи широко используют в космических исследованиях для получения информации о состоянии космического корабля и его экипажа, в спортивной медицине — о физиологическом состоянии спортсмена во время упражнений. Например, с помощью антенны передатчика на шлеме спортсмена, излучающей радиоволны, на расстоянии 300—500 м (т. е. в пределах стадиона) можно фиксировать данные о его состоянии.

Радиотелеметрия применяется также  для эндорадиозондирования пищеварительного тракта. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Миниатюрная капсула с радиопередатчиком (эндорадио-зонд) 
заглатывается больным. По изменению

частоты передатчика приемником, расположенным  вблизи пациента, можно измерять

 давление, степень кислотности или щелочности, температуру и другие параметры в месте расположения капсулы.

На рис показана схема эндорадиозонда для определения активности пищеварительных  ферментов. Он состоит из трех основных частей: 1 — источник напряжения, размещаемый в съемной торцовой насадке; 2 — диск, спрессованный из ' ферромагнитного порошка и частиц, растворяющихся ферментом; 3 — транзистор и другие детали радиосхемы. Диск расположен в съемной насадке и так же, как источник напряжения, после однократного употребления может быть заменен другим. Диск прижимается к катушке индуктивности 4 и образует с ней замкнутый магнитопровод. По мере растворения диска пищеварительными ферментами уменьшается индуктивность L цепи и [см. (14.9)] увеличивается частота генератора. Таким образом, по воспринимаемой частоте можно судить об активности ферментов.

1.5 Аналоговые регистрирующие устройства

Аналоговые регистрирующие устройства

Конечным элементом технической  схемы, изображенной на рис. 17.1, 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 или самописцами.

В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие  способы регистрации информации на носителе: а) нанесение слоя вещества (красителя): чернильно-перьевая и струеписная 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 , 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. Равномерное перемещение носителя (бумага, фотопленка) означает, что абсцисса прямо пропорциональна времени t. В результате полученная кривая отражает зависимость у = f(t).

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.

Направление перемещения бумаги (носителя)

В качестве примера на рис. 17.10 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 под давлением вылетают чернила, оставляя след у, пропорциональный отклонению постоянного магнита и, следовательно, силе тока в электромагните.

Важной характеристикой самописца  является диапазон частот колебаний, которые  они успевают регистрировать. Чем  больше инерция подвижной части  самописца, тем больше запаздывание регистрации относительно истинного  изменения регистрируемой величины и тем хуже характеристика прибора.

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 двухкоординатные самописцы. На рис. 17.11 показан внешний вид такого самописца. При регистрации поперечная рейка перемещается поступательно, ее смещение пропорционально одному из подаваемых сигналов — параметров х. Вдоль рейки пропорционально изменению второго параметра у перемещается каретка с писчиком. В результате писчик совершает сложное движение и оставляет на бумаге график функции у = f(x).