Датчики медико-биологической информации

 

Датчики медико-биологической информации преобразуют биофизические и биохимические величины в электрические сигналы, «переводят» информацию с «физиологического языка» организма на язык, понятный электронным устройствам.

Датчики медико-биологической информации подразделяются на две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики реагируют непосредственно на медико-биологическую информацию, поступающую от объекта исследования. Они могут быть как генераторными (активными), так и параметрическими (пассивными).

Энергетические датчики создают в исследуемом объекте энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени параметрами. Исследуемая величина воздействует на этот поток, модулирует его изменения, пропорциональные изменениям самой величины. К датчикам такого типа относятся фотоэлектрические и ультразвуковые.

Медико-биологические датчики подразделяются на датчики температуры, датчики системы дыхания, датчики сердечно-сосудистой системы, датчики опорно-двигательной системы и т.д.

Датчики температуры. В качестве таких датчиков используются металлические и полупроводниковые термопары, а также металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Датчики системы дыхания используют для определения частоты дыхания, объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, эффективности дыхания. С этой целью применяют терморезисторные и тензорезисторные датчики. (Терморезисторный датчик иначе называют термистором.)

Например, датчик контроля частоты дыхания представляет собой термистор, вмонтированный в специальную клипсу. Клипса прикрепляется на крыло носа и обдувается потоком воздуха. При этом сопротивление термистора изменяется с частотой дыхания вследствие изменения температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. На выходе датчика снимается последовательность импульсов тока с частотой, соответствующей частоте дыхания.

Контроль эффективности дыхания можно осуществить путем фотометрического измерения процентного содержания гемоглобина в периферической артериальной крови. Содержание гемоглобина определяется оксигемометром - фотоэлектрическим датчиком, который в виде клипсы надевается на мочку уха. Чувствительным элементом такого датчика является фотосопротивление, располагаемое по одну сторону мочки и освещаемое лампочкой осветителя, находящегося по другую сторону мочки. Плотность светового потока,прходящего через мочку, зависит от количества гемоглобина в крови.

Датчики сердечно-сосудистой системы позволяют определять пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, циркуляцию крови, импеданс тканей и органов и т.д.

Для записи пульса используют пьезоэлектрические датчики. Основной частью такого датчика является кристаллическая пластинка из сегнетоэлектрика, укрепленная одним концом в держателе. Держатель находится на манжете, надеваемой на запястье. Свободный конец пластинки посредством пуговки соприкасается со стенкой лучевой артерии. Колебания стенки артерии передаются кристаллической пластинке, вызывают в ней деформацию изгиба, что приводит к возникновению на противоположных поверхностях пластинки переменной разности потенциалов, повторяющей по форме колебания стенки артерии. Эта разность потенциалов подается на усилитель, а затем на регистрирующее устройство. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.

При исследовании тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются пьезоэлектродинамические микрофоны, реагирующие на акустические сигналы.

Для измерения артериального давления используются индуктивные и емкостные датчики.

Для измерения давления крови непосредственно внутри сосуда используются тензорезистивные датчики. Широкому применению тензорезисторов в медицине способствуют их очень малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков, которые располагают на конце тонкого гибкого катетера; с его помощью датчики вводятся в сосуды, а по сосудам - в полости сердца.

Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочный тензодатчик для измерения внутрисосудистого давления представляет собой тонкую кремнийорганическую диафрагму, закрепленную в металлическом кольце на конце катетера. На поверхности диафрагмы расположены тензосопротивления, соединенные по мостиковой схеме, подводящие провода которой проходят внутри катетера. В цепь датчика включен измерительный прибор, проградуированный в единицах давления, и источник постоянного тока. Кровь давит на диафрагму, деформирует тензорезисторы, что приводит к соответствующим изменениям сопротивления цепи и силы тока в ней.

Изучение кровотока осуществляется с помощью электромагнитных и ультразвуковых датчиков. Электромагнитные датчики измерения скорости кровотока основаны на эффекте Холла. Ультразвуковые датчики скорости кровотока работают на эффекте Доплера. Конструктивно такой датчик состоит из двух пьезоэлектрических пластинок. Одна из пластин служит приемником, а другая - источником ультразвуковой волны.

Ультразвуковая волна с частотой n₀, испускаемая источником, отражается движущимся объектом (эритроцитом) в сторону приемника. Приемник воспринимает волну с частотой n. Расчеты показывают, что разность частот Dn=n-n₀, называемая доплеровским сдвигом частоты, определяется соотношением

где V - скорость движущегося объекта (скорость кровотока), U - скорость ультразвуковой волны. Так как скорость распространения ультразвука в крови значительно больше скорости движущегося объекта (U» V), то последнюю формулу можно записать в виде откуда для скорости кровотока получаем выражение Доплеровские датчики используют также для определения скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография).

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Изучение тензорезистора

Проволочный тензорезистор (рис 5.) изготавливается из тонкой константановой проволоки (1) диаметром 20-30 мкм, сложенной в виде плоской спирали и наклеенной на тонкую пленочную основу (2).

Рис. 5

Сверху спираль закрыта такой же пленкой. С помощью электродов (3) датчик включается в электрическую цепь, содержащую источник питания и измерительный прибор. Деформация основы датчика ведет к изменению длины и поперечного сечения проволоки, что вызывает соответствующие изменения сопротивления тензорезистора и силы тока в цепи.

Установка для изучения тензодатчика представлена на рис.6.

Металлическая балка Б, закрепленная с одного конца, нагружена грузом Р. Тензорезисторы R ₁, R ₂, R ₃ и R ₄ наклеены в месте наибольшего изгиба балки вблизи ее заделки в опору. Датчики R ₁ и R ₂, расположенные на верхней плоскости балки, работают в режиме растяжения. Датчики R ₃ и R ₄, наклеенные снизу балки, испытывают деформацию растяжения.

 

 

Рис. 6 Рис. 7

 

Тензосопротивления соединены по схеме моста Уитстона (рис.7). Мост считают сбалансированным, если ток через микроамперметр не протекает, то есть потенциалы в точках В и Д равны. Это условие выполняется, если имеет место соотношение

R ₁ × R ₂ = R ₃ × R ₄.

При нагружении балки это равенство переходит в неравенство

R ₁ × R ₂ > R ₃ × R ₄,

которое выражено тем сильнее, чем больше нагрузка на балку. Таким образом, чем сильнее нагружена балка, тем больше ток через микроамперметр.

Входной величиной такой системы (преобразователя механической деформации в изменение электрического тока) является груз Р, изгибающий балку, выходной величиной является ток через микроамперметр. Схема преобразования входной величины в выходную может быть представлена следующим образом:

D P Þ D l Þ D R Þ D I,

где D P- изменение нагрузки на балку, D l - изменение длины датчиков вследствие деформации, D R - изменение сопротивления датчиков, D I - изменение тока через микроамперметр.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7.

2. При ненагруженной балке с помощью потенциометра Д сбалансировать мостиковую схему (добиться отсутствия тока в микроамперметре).

3. Постепенно нагружать балку гирями 1, 2, 3, 4, 5 кг и через каждый килограмм нагрузки снимать показания микроамперметра. Данные занести в таблицу.

№ п/п	Р (кГ)	n- число делений микроамперметра
при нагружении	при разгружении	среднее

4. Последовательно снимать гири по килограмму, записывая показания микроамперметра при разгружении балки.

5. Вычислить средние значения показаний микроамперметра при данной нагрузке. По полученным данным построить характеристику датчика n=f(P), где n - число делений микроамперметра при данной нагрузке P.

6. Определить цену деления прибора k = D P/ D n (кГ/дел).