Общие характеристики и классификация датчиков.

Общие характеристики и классификация датчиков.

Датчик-преобразователь медицинской информаци (неэлектрической величины) в форму(в электрическую), удобную для последующего усиления, регистрации, обработки.

Устройства, работающие с электрическими сигналами, имеют ряд преимуществ: высокую чувствительность и малую инерционность; возможность проводить измерения на расстоянии; удобство регистрации и обработки данных на ЭВМ.

Датчики характеризуются функцией преобразования F(x): зависимостью выходной величины Y от входной величины х: Y=F(x).Величина Z=DY/Dx, показывающая изменение выходной величины при единичном изменении входной, называется чувствительностью датчика. Минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком, называется порогом чувствительности.

Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (давление, частота, колебание), физические (температура, освещенность, влажность), физиологические (наполнение ткани кровью).

Выходными электрическим величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление и т. д.

Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. Подразделяются на:

*Активные - измеряемый параметр преобразуется в электрический сигнал, (датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты).

*Пассивные под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность

Каждый датчик характеризуется определенными показателями:

*чувствительность - минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;

*динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений;

*погрешность;

*время реакции - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.

 

Термоэлектрические явления. Термопары и термисторы

Термоэлектрические явления – класс явлений: изменение температуры Ме или полупроводника вызывает появление электрического тока в нѐм.

Термистор-это тепловой резистор, сопротивление которого изменяется с температурой.

С помощью температурных датчиков можно измерять тепловые потоки, осуществлять калориметрию, измерять температуру на опр. участках тела человека и следить за распределением температурных полей на теле.Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов.

Терморезисторы особенно важны при реализации процессов, зависящих от правильности настройки температурного режима.

 

Пьезоэлектрический эффект и его применение

Пъезоэффект –когда поляризация может возникнуть при отсутствии эл. поля из-за деформации кристалич. ячеек. Есть 2  типа: поперечный и продольный. Поляризованность при небольших  деформ. пропорциональна их величине.

К кристаллу  приложены Ме пластинки, которые замкнуты через неоновую лампу Н. При ударе по кристаллу появл-ся напряжение на его гранях и на Ме пластинах и неоновая лампа вспыхивает. Обратный ПЭ - при наложении на кристаллы электрич. поля последние деформируются. Оба пьезоэффекта применяют в случаях, когда необходимо преобразовать мех. величи­ну в электрич. и наоборот. Пр. ПЭ применяется в датчиках для регистрации пульса, для измерения вибраций, а обратный— для создания мех.колебаний и волн ультразвук. частоты.

 

 

Датчики в медицине

Термометры сопротивления (терморезисторы,) – датчики, в основе действия которых лежит изменение электрического сопротивления при изменении температуры. При этом у металлов сопротивление с ростом температуры увеличивается, а у полупроводников уменьшается.

Для измерения температуры человеческого тела - проволочные и полу-проводниковые терморезисторы и термоэлементы. Действие основано: при увеличении температуры полупроводника его сопротивление уменьшается.

Термисторы являются основной частью электротермометра. Осн. достоинства- малая тепловая инерция и высокая чувствительность при малом объеме рабочего тела.

Резистивный датчик частоты дыхания - из резиновой эластич. трубки, наполненной угольным порошком, в торцах трубки выставлены электроды. К концам трубки крепится опоясывающий грудную клетку ремень. При вдохе трубка растягивается, контакт между частичками угля ухудшается, сопротивление цепи меняется и ток изменяется, по изменению тока судят о частоте дыхания.

Для оценки деятельности сердечно-сосуд. системы используются такие хар-ки: частота сокращений, давление, тоны, шумы сердца,. Для регистрации частоты пульса используют пьезоэффект. Пьезоэффект состоит в возникновении эл. зарядов разных знаков на противопол. по-верхностях некоторых кристал. тел при их механ. деформациях (растяжении, изгибе). Датчики, работающие на основе пьезоэл. эффекта→актив. биоуправляемые датчики. Для исследования токов и шумов сердца →электродинамические и пьезоэлектрические микрофоны.

Аккомодация

Это приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов. Её можно осущ. II способами: измен. расстояние от хрусталика до сетчатки; измен. кривизну хрусталика, меняя фокусное расстояние глаза. Расстояние наилучшего зре­ния a 0 - до 25см - акк-ция соверш. без особ. напряжения.

Угол зрения. Размер изобр на сетчатке зав. от размера предмета и его удаления от глаза, т.е. от угла, под кот. он виден.

Формулу для размера изображения: b=Bl/L

Разрешающая способность -это спо-сть глаза различать две близкие точки предмета раздельно.

Наименьший угол зрения - угол, при кот. чел. глаз еще различает две точки предмета по раздельности.

Предел разрешения глаза Z- это наименьшее расст-е м/у II точками предмета, при кот.они различимы. Z=a0*бетта

 

22) Недостатки оптической системы глаза. Глаз почти не имеет аберраций. В норме в глазу при отсутствии аккомодации задний фокус совпадает с сетчаткой. Такой глаз наз. эмметропическим. Если нет – аметропическим (близорукость и дальноз-ть). Близор. глаз не может видеть четко далекие объекты - задний фокус лежит перед сетчаткой Исправление: исп.рассеив.линзы.           

Дальноз. глаз – не может видеть четко близкие объек­ты - задний фокус лежит за сетчаткой. Исправл: исп. собирающ. линзу.

Острота зрения. Разрешающую способ-ть глаза оцен. остротой зрения (V)-вел-на, обратная наимен. углу зрения: V=1/бетта. Для нормал. глаза острота зрения =1

 

 

Устройство лазеров

Лазер включает в себя: активную среду, систему накачки и оптический резонатор (многократно усиливающий излучение и формирующий на выходе направленный пучок). Активная среда может быть твердой, жидкой, газообразной или плазмой. Накачку осуществляют непрерывно или импульсно. При непрерывной накачке, подводимая в среду мощность ограничивается перегревом среды и последствиями этого перегрева. При накачке импульсной, вводимая порциями в среду полезная энергия получается больше за счет высокой мощности каждого отдельного импульса.

 

33)Свойства лазерного излучения.

Лазер – оптический квантовый генератор

Высокая монохроматичность: при разложении лазерного излучения в спектр получается линия уже, чем для естественного света.

Малое угловое расхождение пучка. Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм. По этому показателю лазерное излучение превосходит излучение всех других источников света.

Высокая интенсивность и короткая длительность. Она позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию. Лазер не требует времени для нагрева, поэтому возможно получать импульсы длительностью 10^-15с.

Когерентность и поляризованность. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.

 

Лазеры в медицине

Лазеры используются в офтальмологии, гинекологии, урологии, дерматологии, оториноларингологии, стоматологии и др. Так как кожные покровы наиболее доступны в организме для воздействия на них физическими факторами, лазеры высокоэффективны при воздействии на сосудистые и пигментные поражения кожи, на эпителиальные и соединительнотканные образования, рубцы и татуировки. Лазер позволяет осуществлять селективное воздействие на патологические участки с минимальной травматизацией окружающих тканей (лечение меланоцитарных поражений, татуировок, «винных» пятен). Большой популярностью пользуются лазеры, избирательно воздействующие на вены и волосяные фолликулы. Неселективными методами принято считать удаление новообразований кожи контактным методом, с помощью световода типа «открытое волокно».

 

Теория Бора

1: атом и атомные сис. могут длительно пребывать только в опред. стационарных со­ст. Находясь в таких сост., атом не излучает и не по­глощает энергии. Стационарным сост. соответствуют диск­ретные значения энергии: E1, Е2 Любое изменение энергии атома или атомной сис. связано со скачкообразным переходом из одного стационарного сост. в другое.

Второй постулат: при переходе атома из одного сост. в другое атом испуск. или поглощает фотон частоты v, энергия кот. определяется разностью энергий Еi, Ек атомных состо­яний: hv = Ei - Ek. Переход из сост. с больш. энергией в сост. с мень­ш. энергией сопровождается излучением фотона. Обратн. про­цесс - при поглощении фотона. По теор. Б., электрон в атоме Н вращ. по круговой орбите вокруг ядра. Из всех возможных орбит стаци­онар. сост. соответствуют только тем, для кот. мо­мент импульса (орбитальный механич. момент) = цел. числу h/2π: mv_nr_n= h/2π, где n=1,2,3 и тд, m — масса электрона, v_n— его скорость на n-й орбите, r_n — ее радиус. На электрон, вращающ. по круговой орбите в атоме (ионе), действует кулоновская сила притяж. со стороны + заряженного ядра, кот., по 2 з-ну Ньютона, = произвед. массы электрона на центростремит. ускоре­ние: Ze·e/4πε_or_n²=Ze²/4πε_or_n²=mv_n²/r_n где е — заряд электрона, Ze — заряд ядра. Для водорода Z = 1, для водородоподобных ионов Z > 1. r_n =ε₀h²n²/πZe²m. Находим кинетич. энергию электрона: E_к=mv_n²/2=Ze²/8πε_or_n. Cумма кинетической и потенциальной энергий дает полную энергию электрона: E=Eк+Eп= Ze² /8πε_or_n – Ze²/4πε_or_n=-Ze²/8πε_or_n. Дискретные знач. энергии Е_п= -me⁴Z²/8ε_o²h²n². На основании 2 пост. Б. получил формулу, объясняющую сериальные закономернос­ти спектра атома H и водородоподобных ионов. ν = me⁴/8ε₀²h³[1/n_k²-1/n_i²]. Несмотря на успех теор. Б., не удалось объяснить раз­личия интенсивностей спектральных линий (почему одни переходы между энергетич. уровнями бо­лее вероятны, чем другие). Теор. Б. не раскрыла спектральн. закономерностей более сложн. атомных сис. Недостаток теор. Б. - ее внутр. противоречи­вость. Эта теория объединяла в себе положения принципиально отличных теорий: классич. и квантовой физики. В первой четверти двадцатого века стало ясно, что теория Бора должна быть заменена другой теорией атома, в связи с чем и по­явилась квантовая механика.

 

Ядерный магнитный резонанс

ЯМР – резонансное поглощение электромагн. волн атомн. ядрами, происходящее при изменении ориентации векторов их собственных моментов количества движения (спинов). ЯМР возникает в образцах, помещённых в сильное пост. магн. поле, при одновременном воздействии на них слабого переменного электромагн. поля. ЯМР широко используется в физике, химии и биохимии для исследования структуры твёрдых тел и сложных молекул. В медицине с помощью ЯМР с разрешением 0.5–1 мм получают пространственное изображение внутренних органов человека.

 

Методы лучевой терапии

Лучевая терапия является важной составляющей частью комбинированного лечения злокачественных опухолей. Целью является уничтожение опухолевых клеток ионизирующим излучением, что в свою очередь приводит к снижению риска рецидива рака. Также радиотерапия может использоваться как самостоятельный метод лечения (например, при раке кожи).

При дистанционной лучевой терапии используется внешний источник излучения, генерирующий радиационные пучки, например, фотоны или электроны. В поле ионизирующего облучения включаются сама опухоль и рядом расположенные ткани. Таким образом, радиация, воздействуя на генетический аппарат клетки, повреждает  его и клетка гибнет.

Контактная ЛТ подразумевает временное или постоянное размещение радиоактивных источников внутри опухоли. Существует две основные формы брахитерапии – внутриполостная и внутритканевая. При внутриполостной радиоактивные источники размещаются в пространстве рядом с опухолью. При внутритканевом лечении радиоактивные источники устанавливаются непосредственно в ткани. Радиотерапия, лучевая терапия, радиационная терапия, радиационная онкология — лечение ионизирующей радиацией (рентгеновским, гамма-излучением, бета-излучением, нейтронным излучением, пучками элементарных частиц из медицинского ускорителя).

 

Общие характеристики и классификация датчиков.

Датчик-преобразователь медицинской информаци (неэлектрической величины) в форму(в электрическую), удобную для последующего усиления, регистрации, обработки.

Устройства, работающие с электрическими сигналами, имеют ряд преимуществ: высокую чувствительность и малую инерционность; возможность проводить измерения на расстоянии; удобство регистрации и обработки данных на ЭВМ.

Датчики характеризуются функцией преобразования F(x): зависимостью выходной величины Y от входной величины х: Y=F(x).Величина Z=DY/Dx, показывающая изменение выходной величины при единичном изменении входной, называется чувствительностью датчика. Минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком, называется порогом чувствительности.

Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (давление, частота, колебание), физические (температура, освещенность, влажность), физиологические (наполнение ткани кровью).

Выходными электрическим величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление и т. д.

Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. Подразделяются на:

*Активные - измеряемый параметр преобразуется в электрический сигнал, (датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты).

*Пассивные под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность

Каждый датчик характеризуется определенными показателями:

*чувствительность - минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;

*динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений;

*погрешность;

*время реакции - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.