Медичні вимірювальні перетворювачі та електроди

У діагностичних системах найсуттєвішим є процес відбору достовірної медикобіологічної інформації від біооб'єкта та перетворення її в сигнал «електрично" природи з метою подальшої обробки та представлення її у необхідному вигляді Функцію відбору та перетворення виконують первинні перетворювачі, в літератур загальноприйнятою є інша назва — медичні вимірювальні перетворювачі. Часте використовують термін "давач", що не є вірним, так як назва не відображає суть процесу перетворення біомедичної інформації в електричний сигнал.

Пристрої відбору медичної інформації (медичні вимірювальні перетворювачі забезпечують отримання сигналів, пов'язаних з тими або іншими явищами, що відбуваються в живому організмі. Пристрої відбору - перехідна ланка між до­сліджуваним організмом і пристроями подальшого підсилення сигналів, їх відоб­раження, реєстрації, передачі по каналах зв'язку, обробки і т.д.

Вхідними неелектричними величинами вимірювальних перетворювачів мо­жуть бути механічні величини (лінійні та кутові переміщення, швидкість, приско­рення, тиск, частота коливань), фізичні (температура, освітленість, вологість), хімічні (концентрація речовини, склад), безпосередньо фізіологічні (наповнення тканини кров'ю). Вихідними електричними величинами зазвичай є струм, напру­га, повний опір (імпеданс), частота (або фаза) змінного струму або імпульсних сигналів.

Усі медичні параметри, що підлягають реєстрації, можна поділити на дві гру­пи: ті, що вимірюються безпосередньо, таті, що вимірюються опосередковано. До першої групи відносять, наприклад, рухи, пов'язані з серцевими скороченнями, тем­пературу тіла, біоелектричні потенціали. Реєстрація цих величин здійснюється за допомогою відповідних пристроїв, які безпосередньо сприймають зміни тих або інших параметрів (механічного переміщення, температури, електричного потенці­алу) досліджуваних організмів. До другої групи належать параметри, що не мо­жуть бути виміряні безпосередньо (або проведення подібних вимірювань усклад­нене), але їх зміни приводять до змін інших показників, зручніших для вимірюван­ня. Іншими словами, показники життєдіяльності організму, що цікавлять лікаря, оцінюються непрямим шляхом вимірювання деяких допоміжних величин. Так, на­приклад, електричний опір деякої ділянки тіла може цікавити лікаря як певна ха­рактеристика кровонаповнення цієї ділянки, а зміни ступеня поглинання світла тка­нинами можуть бути пов'язані зі змінами об'єму органа або частини тіла. Очевид­но, що при опосередкованому вимірюванні потрібних параметрів особливу увагу слід звернути на встановлення первинних залежностей між параметрами, що цікав­лять лікаря, і тими, що визначаються фактично.

Класифікація медичних ВП.

1.1. За призначенням:

Ø медичні ВП (діагностика та лікування людини);

Ø ВП для фізіологічних експериментів;

Ø ВП для визначення стану оператора;

Ø ВП для дослідження біологічних об'єктів;

Ø ВП для керування біологічним об'єктом.

1.2. За характером застосування:

Ø внутрішньопорожнинні ВП;

Ø вживлювані ВП (імплантовані);

Ø поверхневі (на шкірі);

Ø зовнішні (виносні) ВП;

Ø постійнодіючі;

Ø контрольні та сигналізуючі;

Ø ВП для досліджень у спеціальних умовах;

• лабораторні та еталонні ВП (для калібрування).

1.3. За ступенем точності:

Ø за класом точності;

Ø відповідно до вимог для рішення конкретних задач.

1 .4.За зв'язком чутливого елемента ВП з об'єктом вимірювання:

Ø контактні;

Ø безконтактні.

1.5. За принципом перетворення вимірюваного параметра в електричний сигнал:

Ø генераторні (активні);

Ø параметричні (пасивні);

Ø ВП з непрямим перетворенням вимірюваного параметра в електричний сигнал через коливання іншого виду.

Активні перетворювачі трансформують неелектричну енергію безпосеред­ньо в електричну (термоелементи, фотоелементи тощо). Для дії пасивних пе­ретворювачів потрібна допоміжна енергія, сам перетворювач її не використо­вує, а під дією неелектричної енергії змінює величину допоміжної (наприклад терморезистор). Існують пасивні перетворювачі, які фіксують зміну постійної зовнішньої енергії, що вводиться в біологічний об'єкт (БО), залежно від цього показника, (наприклад фотоелектричний перетворювач на кінці пальця пацієнта дає електричний сигнал, пропорційний інтенсивності світла через пульсацію судин, тканин). При використанні пасивних перетворювачів завжди необхідна постійна зовнішня енергія. Вивчення змін цієї енергії, залежно від досліджува­ного показника, дозволяє оцінити останній. Ці перетворювачі називають "опитувальними пасивними".

1.6. За фізичними явищами, які лежать в основі функціонування первинних перетворювачів:

Ø ВП без перетворення (хвилеводи, світловоди);

Ø ВП при зміні опору металевого проводника, при деформації або зміні температури (дротові, фольгові тензометри, електротермометри);

Ø ВП при зміні опору напівпровідника, при деформації або зміні температури(п'єзорезистивні, терморезистивні, транзисторні);

Ø ємнісні ВП;

Ø індуктивні ВП;

Ø п'єзоелектричні ВП;

Ø електронні ВП;

Ø електрохімічні ВП;

Ø фотоелектричні ВП;

Ø ВП з використанням ефекту радіоактивності;

Ø оптичні ВП;

Ø акустичні ВП.

Всі первинні перетворювачі (здавачі) пристроїв за принципом дії медико-біологічної інформації (МБІ) поділяються на дві групи – біокеровані та енергетичні. Біокеровані змінюють свої параметри безпосередньо під впливом вимірюваної величини. Їх поділяють на активні (генераторні) і пасивні (параметричні). Генераторним називають такий перетворювач, у якому під впливом вимірюваної величини генерується електричний сигнал. До них належать п'єзоелектричні, термоелектричні, індукційні давачі. В параметричному здавачі під впливом вимірюваної величини змінюється будь-який його параметр. Якщо змінюється індуктивність, то давач індуктивний, якщо ємність - ємнісний, якщо омічний опір - резистивний. Енерге­тичні давачі створюють у досліджуваному органі немодульований енергетичний потік (світловий, електромагнітний, ультразвуковий і т.д.) з постійними в часі ха­рактеристиками. Вимірюваний параметр впливає на характеристики енергетично­го потоку і змінює його показання пропорційно своїм змінам. Енергетичні перетво­рювачі мають потребу в додатковому джерелі для створення енергетичного пото­ку. Найпоширенішими є ультразвукові та фотоелектричні перетворювачі.

Електроди - це провідники спеціальної форми, за допомогою яких частина електричного ланцюга, складена з проводів, з'єднується з іншою частиною, із не­металевим типом провідності (наприклад, з частиною тіла, органом, поверхнею шкіри, тощо). Електроди найчастіше використовують для отримання електрично­го сигналу, що реально існує в досліджуваному організмі. Вони просто виконують роль контакту в електричному ланцюзі, здійснюючи відведення електричного сиг­налу з тим або іншим ступенем втрат, залежним від якості контакту між електро­дом і тією частиною організму, з якою він стикається. Залежно від виду тканин (або органів), біоелектрична активність яких досліджується, розрізняють електро­кардіографію (ЕКГ) - дослідження електричної активності серця, електроенцефа-лографію (ЕЕГ) - дослідження біоелектричної активності мозку, електроміогра­фію (ЕМГ) - аналіз електричної активності м'язів, електроокулографію (ЕОГ) -дослідження змін потенціалу, обумовленого рухом очного яблука та електрогаст­рографію (ЕГГ) - аналіз варіації електричних сигналів, викликаних моторною діяль­ністю шлунка. В деяких випадках електроди можуть використовуватися не для реєстрації електричних потенціалів, реально наявних в живому організмі, а для підве­дення до організму деякої зовнішньої електричної дії. Така ситуація має місце, наприклад, в електроплетизмографїії (реографії), за допомогою якої досліджують­ся коливання інтенсивності кровотоку в органі або кровоносних судинах. Змінна напруга високої частоти (ЗО - 250 кГц) прикладається за допомогою електродів до досліджуваної ділянки тіла. Вимірюючи варіацію повного електричного опору (імпеданс) тканин, що включає активну і реактивну компоненту, можна судити про характер зміни кровонаповнення тканин.

Конструкції та характеристики електродів залежать від області їх застосу­вання.

За призначенням електроди можна поділити на чотири групи:

Ø для одноразового застосування (у кабінетах функціональної діагностики тощо);

Ø для тривалого безперервного спостереження за біоелектричними сигналами (в умовах палат реанімації, інтенсивної терапії);

Ø для динамічного спостереження (в палатах реабілітації, в спортивній медицині);

Ø для екстреного застосування (в умовах невідкладної терапії, швидкої допомоги).

Для короткочасного зняття грудних відведень ЕКГ застосовують так званий електрод-присмоктувач. Цей електрод оснащений гумовим балончиком, який дає можливість просто та достатньо надійно закріпити власне електрод в потрібному місці грудної клітки. Проте, такий електрод не можна використовувати для трива­лої реєстрації через недостатню герметичність та можливі крововиливи у шкіру та підшкірну клітковину.

Основними специфічними та метрологічними вимогами до біомедичних ВП є наступні:

Ø відсутність впливу на функціональні властивості організму (не повинні подразнювати шкіру та слизову оболонку);

Ø необхідна чутливість і точність;

Ø відсутність або мала величина гістерезису (усуває неоднозначність показань);

Ø стабільність характеристик у часі;

Ø обумовлена динамічна характеристика (частотний діапазон, мала постійна часу встановлення);

Ø висока перевантажувальна здатність;

Ø стійкість до хімічних і біологічних впливів;

Ø незначний вплив на роботу інших приладів;

Ø спрямованість дії (малий вплив зміни навантаження на параметри вихідного ланцюга);

Ø електробезпечність;

Ø безвідмовна робота, надійність;

Ø простота, технологічність конструкції;

Ø зручність експлуатації;

Ø уніфікованість і взаємозамінність;

Ø стійкість до агресивних середовищ;

Ø дизайн;

Ø масогабаритні показники;

Ø вартість.

Перераховані вище характеристики застосовуються для опису всіх перетворювачів, як медичних, так і промислових, але є кілька характеристик, що особливо важливі, коли перетворювачі застосовуються в медичній практиці Як правило, медичні сигнали мають меншу інтенсивність, ніж сигнали в промислово­му устаткуванні, тому в медицині потрібні чутливіші перетворювачі. Важливо також, щоб перетворювач не впливав на пацієнта, Крім того, перетворювачі, призна­чені для застосування в клініках, повинні бути легкодоступними для очистки, стерилізації.

Перетворювачі, призначені для тривалого використання (вживлювані в організм) мають бути виготовлені з хімічно нейтрального, такого, що не подраз­нює тканину матеріалу, щоб не викликати запалення або відторгнення організмом. Важливими також є маса та габарити перетворювача. Наприклад, перетворювач,що вимірює тиск у порожнині серця, повинен бути настільки малим, щоб його мож­на було ввести через судинну систему пацієнта. Надзвичайно важливо, щоб ме­дичні перетворювачі були дуже надійними, тому що дані, котрі отримуються з їх допомогою, відіграють вирішальну роль при встановленні діагнозу.

Променева діагностика

У сучасній медичній практиці діагностика переважної більшості патологічних процесів базується на результатах променевого дослідження. До методів проме­невої діагностики належать рентгенологічний, ультразвуковий, радіонуклідний, тер­мографічний, рентгенівська комп'ютерна томографія. їх перевагами, порівняно з іншими методами клінічного дослідження, є об'єктивність та нетравматичність. Це сприяє широкому впровадженню методів променевої діагностики у клінічну практику.

Променеві методи дослідження дають змогу не тільки виявляти морфологічні порушення при різних захворюваннях, але й стежити за перебігом патологічного процесу під час лікування.

Методи променевої діагностики:

Ø Х-променеві методи діагностики;

Ø комп'ютерна томографія (КТ);

Ø магнітно-резонансна томографія (МРТ);

Ø ядерний магнітний резонанс - спектроскопія in vivo (ЯМР-спектроскопія in vivo);

Ø позитронна емісійна томографія (ПЕТ);

Ø радіоізотопна діагностика.

Методи ультразвукової діагностики (УЗД):

Ø ультразвукове дослідження (сонографія);

Ø ультразвукова доплерографія (УЗДГ);

Ø дуплексна (подвійна) УЗДГ;

Ø ехотомографія;

Ø метод транскраніальноїдоплерографії (ТКД);

Ø віртуальна сонографія в реальному масштабі часу (real-time virtual sonography – RVS).

Термографія.

Х-променева (рентгенівська) комп'ютерна томографія - ґрунтується на скануванні людського тіла Х-променямиз подальшим перетворенням енергії даного випромінювання в електричні сигнали та комп'ютерною обробкою отрима­них даних. Впровадження у діагностику в 1999 р, спіральних рентгенівських томографів (СКТ) дозволило значно прискорити процес дослідження, а також збільши­ти роздільну здатність систем сканування. Техніка спіральної КТ вимагає пост­ійного обертання трубки при безперервному поступальному русі стола.

Комп'ютерна томографія (КТ) є сучасним високоінформативним методом діагностики патологічних змін органів людини. За розробку теоретичних основ методу КТ і впровадження їх у практичну діяльність його авторам, американцеві Согmасk і англійцеві Нaunsfild, в 1979 році була присуджена Нобелівська премія з медицини та біології. На початковому етапі КТ була розроблена і використовува­лася в неврології та нейрохірургії для виявлення порівняно великої патології (пухли­ни, гематоми, кісти), але стрімкий розвиток технологій дозволив вже через 5-7 років створити швидкодіючі томографи для дослідження всіх органів. На початку 90-х років фірма Siemens випустила перший спіральний томограф, який став техн­ічним проривом у КТ - діагностиці. Помітним стимулом у розвитку комп'ютерної томографії стала поява мультидетекторної спіральної комп'ютерної томографії (МСКТ). Основною рисою МСКТ є наявність декількох різнобіжних рядів матрич­них детекторів безперервного спірального сканування.

Використання спеціальних режимів сканування дозволяє значно скоротити дозу опромінення та значно збільшити швидкість дослідження, при цьому зростає розд­ільна здатність томографа (мінімальна товщина зрізу становить 0,5 мм). Розділь­на здатність спіральних томографів останнього покоління дозволяє одержувати зображення серця і коронарних артерій без артефактів.

Принципом роботи комп'ютерного томографа в загальному є безперервне пошарове сканування обстежуваного пацієнта. Цей метод грунтується на техніці послідовного просвічування тонким Х-променем об'єкта дослідження (голови, шиї, гортані, грудної порожнини, черевної порожнини, органів таза, відділів хребта, суг­лобів тощо) та математичному відновленні двовимірного зображення отриманого "зрізу" на екрані дисплея.

Для одержання якісних зображень при дослідженні судинних структур, серця, а також для проведення диференційної діагностики в КТ проводяться дослідження з внутрішньовенним контрастним посиленням. Контрастні препарати для КТ - це сполуки йоду, найбезпечнішими з яких є неіонні контрастні речовини.

Діагностичні можливості:

Ø КТ черепа і головного мозку;

Ø КТ головного мозку з контрастуванням;

Ø КТ орбіт, придаткових пазух носа, гортані;

Ø КТ органів грудної клітки;

Ø КТ ангіопульмонографія;

Ø КТ органів черевної порожнини;

Ø КТ органів живота з контрастуванням (в тому числі дослідження ниркових
артерій, аорти і її гілок);

Ø КТ хребта;

Ø КТ кісток таза і кінцівок;

Ø КТ коронарних артерій;

Ø КТ шунтографія, вентрикулографія, аортографія;

Ø КТ інтра- і екстракраніальних артерій;

Ø КТ ангіографія нижніх кінцівок.

Приклади діагностичного зображення наведено на рис. 4.1, 4.2.

 

 

 

 

Рисунок 4.1 КТ- X-променями: а.в –приклад діагностичного зображення, б.г – розрахунок поперечного перерізу за серією томограм

Спіральна КТ (ангіографія) - останнє досягнення рентгенівської комп'ютер­ної томографії. На відміну від звичайної КТ, дослідження проводиться в момент швидкого внутрішньовенного введення 100 мл водорозчинної неіонної контрастної речовини. На відміну від звичайної ангіографії, контрастна речовина вводиться в ліктьову вену, без складних хірургічних маніпуляцій, пов'язаних із проведенням внутрішньосудинного катетера до досліджуваного органа. Це дозволяє проводити

дослідження в амбулаторних умовах протягом 40 - 50 хвилин, без ризику виник­нення ускладнень внаслідок хірургічних маніпуляцій. Різко зменшується промене­ве навантаження на пацієнта, значно знижується вартість дослідження.

Рисунок 4.2

КТ- X-променями: а-КТ зображення площини між печінкою та шлунком. б- проекційне зображення КТ сканерів

Спіральна КТ (ангіографія) повністю заміняє звичайну ангіографію і значно перевершує за точністю ультразвукову діагностику при дослідженні великих судин - аорти та її гілок, легеневої артерії, верхньої і нижньої порожнистих вен. Ця техно­логія дозволяє одержувати важливу додаткову інформацію про стан внутрішніх органів при наявності в них патологічних утворень.