Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

 

 

 

   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).