Диагностические электронные системы.

Устройства съема медицинской информации (УСМИ) - это устройства, обеспечивающие получение сигналов, связанных с явлениями и процессами, происходящими в живых организмах.

Классификация УСМИ представлена на рис. 1.3.2.

Основные требования, предъявляемые к УСМИ.

1. Минимум искажения полезного сигнала.

2. Максимальная помехозащитность.

3. Удобство размещения в необходимом для измерения месте.

4. Отсутствие раздражающего действия.

5. Возможность многократного использования и стерилизации без изменения характеристик.

Электроды - это проводники специальной формы для съема электрических сигналов реально существующих в организме.

Различного вида электроды используются и для подведения к организму внешнего воздействия.

Электроды как устройства съема различаются:

1. По виду регистрируемого сигнала (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, ЭГГ, ЭОГ и др.).

2. По материалу (металлические, угольные, стеклянные). Стеклянные правильно называть электролитическими, т. к. проводником является раствор электролита (KCl и др.), который заключен в стеклянную канюлю.

3. По конструкции (плоские, игольчатые, многоточечные).

4. По площади (чем меньше площадь, тем более локально отводятся биопотенциалы).

5. По назначению: одноразовые - используются в кабинете функциональной диагностики; длительного наблюдения - в палатах реанимации; динамического наблюдения - в физиологии труда и спорта; экстренного применения - скорая помощь.

6. По месту расположения (поверхностные и вкалывающие). Поверхностные электроды должны иметь контактное сопротивление 10 - 15 кОм, поэтому их накладывают через токопроводящие пасты и прокладки.

Очень часто приходится регистрировать изменение характиристик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлектрические величины, обусловленные жизненными функциями, к ним относятся:

1. Механические (перемещение, скорость, ускорение, акустические параметры, давление, вибрации и др.).

2. Физические (тепловые: температура, энергия, количество теплоты; электрические: характеристики электрического (Е,e,g), магнитного поля (B,m,n), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядерные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излучения, дозы и др.).

3. Химические (химический состав, концентрация, pH).

4. Физиологические (кровенаполнение, пульс и др.).

Для измерения этих величин используются датчики (преобразователи).

ДАТЧИКИ - это УСМИ, которые своим чувствительным элементом реагируют на воздействие измеряемой величины и осуществляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в электрические сигналы)

В энергетических датчиках создается немодулированный (с неменяющимися параметрами) поток энергии. Измеряемый параметр изменяет этот поток (модулирует), эти изменения регистрируются чувствительным элементом. Таким образом, общую схему измерения энергетическими датчиками можно представить так: источник энергии - объект исследования - чувствительный элемент. В качестве примера рассмотрим три вида энергетических датчиков, представленных на рис. 1.3.3.

В фотоэлектрическом датчике (1) создается световой поток Ф₀. При прохождении через ткани организма поток меняется, в качестве регистрирующего устройства может использоваться фоторезистор, фотоэлемент, фотопластинка.

В рентгеновских датчиках(аппаратах) (2) в качестве излучения используются рентгеновские лучи, а в качестве чувствительного элемента - фотопластинка, люминесцентный экран, рентгеночувстительный экран.

При ультразвуковом исследовании - (УЗИ) (3) используется поток УЗ-волн, а для регистрации, как правило, пьезодатчики.

В биоуправляемых активных(генераторных) датчиках под воздействием измеряемой величины генерируются пропорциональные ей электрические сигналы. Наиболее часто употребляемые датчики: термопары (1), тензодатчики (2), индукционные (3), полупроводниковые вентильные фотоэлементы (4). Их схемы представлены на рис. 1.3.4.

В термопарах имеются два спая, в которых соединяются два различных проводника или полупроводника. В каждом из спаев создаются контактные разности потенциалов. Суммарная разность потенциалов определяет ЭДС термопары. ЭДС пропорциональна разности температур спаев e₌ к (T₁ -T₂), где к зависит от типа соединяемых проводников или полупроводников.

В тензодатчиках используется прямой пьезоэлектрический эффект - при воздействии на некоторые кристаллы (кварца, титанат бария и других) внешней силой, в результате структурной поляризации, на поверхности этих кристаллов появляется разность потенциалов, пропорциональная приложенной силе.

В индукционных датчиках, при перемещении постоянного магнита относительно катушки, возникает ЭДС индукции, которая определяется по закону Фарадея e=-DФ/Dt. В конечном итоге ЭДС пропорциональна скорости перемещения постоянного магнита.

В полупроводниковых вентильных фотоэлементах используются кристаллы селена. Внутри селеновой пластины за счет технологии изготовления создается запирающий слой, который не пропускает основных носителей заряда. При освещении фотоэлемента в верхнем слое возникают пары электрон-дырка. За счет запирающего слоя они разделяются и образуется фото ЭДС, пропорциональная световому потоку.

Биоуправляемые пассивные (параметрические) датчики представляют собой замкнутую электрическую цепь (рис. 1.3.5), в состав которой входят: источник постоянного или переменного напряжения, измерительный прибор (амперметр) и сопротивление R, величина которого меняется пропорционально изменению измеряемого неэлектрического сигнала организма. По закону Ома пропорционально изменяется и ток в цепи, поэтому шкала измерительного прибора градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины. По виду сопротивления параметрические датчики подразделяются на: резистивные, емкостные, индуктивные и контактные.

В резистивных датчиках используются: активное переменное сопротивление, движок которого перемещается пропорционально механическому перемещению органов тела человека; терморезистор, величина которого меняется пропорционально температуре измеряемого объекта; фоторезистор, его сопротивление меняется при изменении светового потока; в качестве сопротивления можно подключать непосредственно ткани организма. В этом случае измеряется импеданс (общее сопротивление ткани переменному току).

В емкостных датчиках сопротивлением является конденсатор. Как известно емкость конденсатора определяется формулой C=(ee₀S)/(4pd), а величина емкостного сопротивления R=1/(wC)

Таким образом, емкостное сопротивление будет меняться при изменении относительной диэлектрической проницаемости (e), площади пластин (S), расстояния между пластинами (d).  Величина этих параметров меняется, либо при механическом перемещении частей тела, либо при изменении влажности и температуры среды между пластинами конденсатора.

В индуктивных датчиках используется катушка с ферромагнитным сердечником. Ее индуктивность (L) зависит от магнитной проницаемости сердечника (m), числа витков катушки (n), размеров катушки (d,l). Величина индуктивного сопротивления определяется формулой R_L=wL.

В контактных датчиках вместо сопротивления используются два контакта, которые замыкаются или размыкаются при периодическом движении, например, при изменении размеров грудной клетки при вдохе и выдохе.

Для правильного использования датчиков необходимо знать их метрологические характеристики. Датчики должны периодически проверяться метрологическими службами. К метрологическим характеристикам относятся:

1. Чувствительность - это изменение выходного сигнала при изменении входного сигнала на единицу. Например, чувствительность термопары определяется формулой k=De/DT.

2. Предел чувствительности - минимальное значение изменения входного сигнала, которое можно зарегистрировать с помощью датчика.

3. Динамический диапазон - диапазон входных неэлектрических величин от предела чувствительности до максимального значения, регистрируемого датчиком без искажения.

4. Погрешность - разность между измеренным и действительным значением величины.

5. Время реакции (инерционность) показывает, на сколько величина выходного сигнала датчика отстает по времени (по фазе) от входного.

В качестве примеров использования датчиков рассмотрим измерение температуры, параметров системы дыхания и сердечно-сосудистой системы.

Различают температуру поверхности и температуру ядра тела. Температура поверхности тела зависит не только от состояния организма, но и от внешней среды: температуры и давления воздуха, его влажности. Поэтому, как правило, температуру поверхности измеряют с точки зрения симметричности температурных полей левой и правой области тела человека. Температура ядра является более стабильным показателем и она определяется в основном состоянием внутренней среды организма. Измеряют температуру ядра непосредственным помещением датчика в мышцу и отдельные органы, ректальную температуру, в полости рта, в подмышечной впадине, паховой области, пупочной ямке. Для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков используются: полупроводниковые термосопротивления (термисторы), и термоэлементы (термопары).

Основными параметрами, измеряемыми в системе дыхания, являются частота дыхания и глубина дыхания. Измерение этих параметров производится по механическому перемещению грудной клетки и по противоположно направленным потокам воздуха при вдохе и выдохе, имеющими разную температуру и влажность. Механические перемещения грудной клетки оценивают контактными и резистивными (с активным сопротивлением) датчиками. Потоки воздуха измеряют емкостными датчиками, термисторами, термопарой.

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются неэлектрические параметры: частота пульса, параметры пульсовой волны, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, механические перемещения органов и тканей, связанные с одномоментым выбрасыванием ударного объема крови из левого желудочка и др. Частоту пульса и пульсовые волны (сфигмография) измеряют тензодатчиками. Механические перемещения грудной клетки в области верхушечного толчка (сейсмография) оценивают индукционными датчиками. Тоны и шумы сердца (фонокардиография) измеряют с помощью микрофонов, которые по сути представляют также датчики индукционной системы. Для измерения давления используют тензодатчики, основанные на пьезоэффекте. Эти датчики вносят в крупные кровеносные сосуды и в полости сердца. Исследование кровенаполнения и оценка тонуса кровеносных сосудов (плетизмография) производится импедансометрическими датчиками, энергетическими, фотоэлектрическими и тензодатчиками. Определение скорости кровотока производится энергетическими ультразвуковыми датчиками, метод измерения основан на эффекте Доплера.

Электрические сигналы на выходе УСМИ, как правило, имеют малую величину (амплитуду). Для регистрации их необходимо усилить. Для этих целей используются устройства усиления (УУ).

Устройства усиления напряжения, тока, мощности электрических колебаний за счет энергии постороннего источника называются усилителем колебаний.

Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или полупроводнковый (транзистор). Не вдаваясь в подробности работы усилителя, рассмотрим общие принципы усилителя напряжения.

1. Колебания входного напряжения на сетке лампы создают пропорциональные колебания анодного тока (в случае использования транзистора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).

2. Изменяющийся анодный ток создает на нагрузочном сопротивлении R пульсирующее напряжение, состоящее из постоянной и переменной составляющей.

3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с помощью разделительного конденсатора, и является усиленным выходным напряжением.

Из рассмотренного видно, что принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзисторного усилителей идентичны.

Главным параметром усилителя является коэффициент усиления. Он показывает во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше амплитуды входного напряжения.

К=U_{m вых/}U_{m вх}

Приведенные схемы усилителей являются однокаскадными. Для регистрации электрических сигналов одного каскада, как правило, бывает недостаточно. Поэтому используют усилители, состоящие из нескольких каскадов, которые подключаются последовательно друг с другом. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов.

К=К₁·К₂·К₃*·...

При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения соответствовала форме входного напряжения, говорят, чтобы усилитель не искажал усиливаемый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в усилителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разработчиками усилителей, согласно представленной информации о параметрах усиливаемых сигналов. Частотные искажения связаны с так называемой полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется частотная характеристика - это зависимость коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частотная характеристика представлена в графической форме на рис. 1.3.7. Полоса частот от n₁ до n₂, в пределах которой коэффициент усиления практически не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не являются гармоническими, однако их можно разложить на сумму гармоник, различающихся по частоте и амплитуде. Если все частоты гармоник входят в полосу пропускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоническая составляющая выходит за пределы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаяются по гармоническому спектру, то усилители для одного сигнала, например ЭКГ, не могут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др.

Для того, чтобы использовать усилители для усиления электрических потенциалов, возникающих в организме человека и животных, необходимо четко представлять себе биоэлектрическую активность органов человека и их характеристики.

Биоэлектрическая активность характеризуется следующими параметрами:

1. Диапазон амплитуд электрических колебаний составляет от единиц мкВ до единиц мВ.

2. Диапазон частот охватывает область частот от долей Гц до 10 кГц.

3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто активным и составляет порядка тысяч и десятков тысяч Ом.

Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особенностями:

а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, производится при одновременной записи нескольких сигналов.

б) при регистрации объект находится в поле действия различного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.

Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с одной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистрирующие устройства, с другой стороны, заставляют конструировать усилители с большим коэффициентом усиления (до нескольких миллионов раз).

Малые входные напряжения приводят к тому, что в усилителях приходится считаться с собственными шумами входных каскадов, а из-за большого коэффициента усиления со склонностью таких усилителей к самовозбуждению.

Необходимость пропускания очень низких частот усложняет питание усилителя от одного общего источника питания. Это делает усилитель очень чувствительным к медленным изменениям напряжения источников питания, а работу усилителя неустойчивой.

В связи с большим сопротивлением ткани входное сопротивление усилителя должно быть большим.

Одновременная регистрация нескольких процессов на одном объекте приводит к тому, что входы усилителей оказываются соединенными между собой через сопротивление тканей.

Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и входные элементы усилителей и сами усилители.

Входные каскады усилителей должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.

2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усилителя должно быть большим.

3. Каскад должен быть защищен от механических колебаний.

4. Схема каскада должна давать возможность производить регистрацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.

Ниже перечислены основные параметры электрографических сигналов.

Устройства отображения и регистрации медицинской информации (УОРМИ) позволяют получать в графической или иной форме характеристики параметров контролируемого объекта.

Устройства отображения осуществляют временное представление информации, а устройства регистрации позволяют длительное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа. Классификация УОРМИ представлена на рис. 3.1.8.

Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства применяются для представления информации об изменении одного или нескольких параметров, которые желательно контролировать непрерывно (например, при регистрации ЭКГ). Действие аналоговых УОРМИ основано на общем принципе действие постоянного магнитного поля на проводник с током.

Проволочную рамку помещают между полюсами постоянного магнита (рис. 1.3.9). На клеммы рамки подается переменное напряжение от устройства усиления, по форме соответствующее изменению регистрируемого параметра организма человека. В рамке возникает ток, пропорциональный приложенному напряжению. В левой и правой части рамки токи противоположно направлены. Возникает пара сил, которые поворачивают рамку вокруг оси. Угол поворота пропорционален приложенному напряжению. Приборы, основанные на этом принципе, называются приборами электромагнитной системы.

В показывающих (стрелочных) приборах рамка соединена со стрелкой, которая поворачивается вместе с рамкой и указывает на шкале величину регистрируемого параметра. Шкала прибора проградуирована в единицах измерения регистрируемого параметра.

В светолучевых регистраторах на рамку наклеивают легкое зеркальце. На зеркальце посылается луч света. Отраженный луч вычерчивает на движущейся фотопленке или фотобумаге график изменения во времени регистрируемой величины. Этот вид регистраторов имеет наименьшую из аналоговых инерционность и используется для регистрации быстроменяющихся параметров.

В самописцах рамка соединяется со специальным пером, которое вычерчивает на движущейся бумаге развернутую диаграмму контролируемой величины.

- в перьевых самописцах перо представляет стержень, заполненный чернилами (можно использовать стержень авторучки);

- в струйных самописцах перо не касается бумаги, чернила выбрасываются под давлением из специального отверстия.

- при тепловой и электрохимической регистрации пером служит заостренный металлический стержень. В этих видах записи используется специальное покрытие бумаги, которое разлагается и меняет цвет по следу, в тепловых в результате трения пера о бумагу, в электрохимических под действием напряжения, приложенного между пером и бумагой.

В дискретных УОРМИ измеряемый параметр регистрируется в буквенном или цифровом виде не непрерывно, а через определенные промежутки времени.

В цифропечатающих устройствах буквы или цифры отображаются на обычной бумаге. При последовательной печати печатание каждого знака требует одного механического перемещения литеры. При параллельной печати при однократном механическом перемещении может печататься слово, строка, абзац, лист, что значительно сокращает время печати.

Цифровые индикаторы отображают цифры, буквы, знаки на экране.

- оптические регистраторы отображают информацию на обычном стекле путем просвечивания через трафарет (в современных приборах практически не используются);

- газоразрядные индикаторы основаны на принципе свечения разряженных газов вокруг проводника, на который подается достаточно высокое постоянное напряжение. Проводником является обычная проволока, изогнутая по форме буквы или цифры;

- наиболее часто в современных регистраторах используется люминесцентная индикация. Экран такого индикатора представляет совокупность кристалликов, которые меняют цвет или контрастность, если на них подается постоянное напряжение. Совокупность таких контрастных кристалликов и создает изображение буквы или цифры.

В комбинированных УОРМИ информация может отображаться как непрерывно, так и дискретно.

Электронно - лучевая трубка используется для отображения информации в электронных осцилографах и видеоприемниках. Принцип действия их достаточно хорошо известен. Основным достоинством этих регистраторов является их малая инерционность, они способны регистрировать самые быстро меняющиеся процессы.

Принцип магнитной записи основан на том, что записывающая головка создает переменное магнитное поле пропорциональное величине регистрируемого сигнала. Магнитное поле соответственно меняет состояние магнитного порошка на магнитной ленте или диске. Магнитная запись это единственное УОРМИ, которое не требует преобразования регистрируемой информации для дальнейшей передачи и обработки информации на ЭВМ.

Системы дистанционной передачи медицинской информации (СДПМИ) и системы обработки медицинской информации (СОМИ), которые входят в классификацию диагностических электронных систем, описаны ниже в разделе III.

В заключение следует отметить, что в современных диагностических системах используются в комплексе все виды рассмотренных электронных устройств, начиная от УСМИ и кончая СОМИ. Примером может служить УЗИ, компьютерная томография, видеомониторинговые системы.