Материал: kompendium_po_fizike
161
УСТРОЙСТВА
СЪЕМА
И
РЕГИСТРАЦИИ
МЕДИКО
-
БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
1.
Общая
схема
съема
,
передачи
и
регистрации
медико
-
биологической
информации
Общая
структурная
схема
работы
приборов
,
регистрирующих
биопотенциалы
,
представлена
на
рисунке
71:
Устройство
съёма
–
непосредственно
контактирует
с
биосистемой
и
воспринимает
измеряемый
сигнал
.
Устройства
съёма
:
электроды
–
проводники
специальной
формы
,
непосредственно
контактирующие
с
биологической
системой
;
датчики
(
сенсоры
) –
устройства
,
преобразующие
неэлектрический
сигнал
в
электрический
.
Усилитель
–
устройство
,
предназначенное
для
усиления
напряжения
(
биопотенциала
)
до
уровня
,
на
котором
это
напряжение
(
биопотенциал
)
становится
различимым
регистрирующим
устройством
(
от
десятых
милливольта
до
вольт
или
десятков
вольт
).
Приёмник
,
передатчик
со
связывающим
их
каналом
связи
используются
при
дистанционных
измерениях
(
телеметрии
).
Регистрирующее
устройство
преобразует
электрический
сигнал
в
удобную
для
восприятия
форму
, –
чаще
всего
визуальную
(
график
,
число
,
отклонение
стрелки
,
изображение
).
Рисунок
71.
Структурная
схема
работы
приборов
,
регистрирующих
биопотенциалы
Сигнал
биосистемы
Устройство
съёма
Усилитель
Приёмник
Передатчик
Рег
.
устройство
Канал
связи
162
2.
Электроды
для
съема
биоэлектрического
сигнала
Как
уже
упоминалось
выше
,
электроды
–
это
проводники
,
контактирующие
непосредственно
с
биосистемой
,
предназначенные
для
съёма
биопотенциала
.
К
электродам
предъявляются
следующие
требования
:
они
должны
быстро
фиксироваться
и
сниматься
;
они
не
должны
раздражать
ткань
;
они
не
должны
поляризоваться
;
они
должны
иметь
высокую
стабильность
электрических
параметров
;
они
не
должны
искажать
регистрируемый
потенциал
и
т
.
д
.
Структурно
схему
регистрации
БП
можно
изобразить
следующим
образом
(
рисунок
72).
На
данной
схеме
r
–
внутреннее
сопротивление
источника
БП
(
внутреннее
сопротивление
тканей
),
R
–
переходное
сопротивление
(
сопротивление
границы
кожа
-
электрод
),
E
бп
–
регистрируемый
биопотенциал
,
R
вх
–
входное
сопротивление
усилителя
.
Закон
Ома
для
данной
цепи
примет
вид
:
вх
бп
R
R
r
E
I
,
где
I
–
сила
тока
в
цепи
.
Выразим
из
этого
закона
падение
напряжения
на
входе
усилителя
:
IR
Ir
E
IR
U
бп
вх
вх
.
Как
видно
из
данной
формулы
,
на
вход
усилителя
попадает
уменьшенное
значение
измеряемого
биопотенциала
:
оно
уменьшается
за
счёт
падения
напряжения
на
внутреннем
сопротивлении
и
за
счёт
падения
напряжения
на
границе
кожа
-
электрод
.
Соответственно
,
единственный
r
R
R
в
E
б
Рисунок
72.
Общая
схема
регистрации
биопотенциалов
163
способ
избежать
существенного
снижения
напряжения
на
входе
усилителя
состоит
в
том
,
чтобы
максимально
снизить
сопротивление
границы
кожа
-
электрод
.
Для
этого
используются
хорошо
проводящие
электроды
,
на
поверхность
тела
наносят
солевой
раствор
или
токопроводящую
пасту
,
увеличивают
площадь
электродов
(
при
последнем
способе
возрастает
риск
того
,
что
БП
будет
регистрироваться
не
с
той
площади
,
что
необходимо
).
Электроды
можно
классифицировать
следующим
образом
:
по
назначению
:
а
)
для
кратковременного
применения
в
кабинетах
функциональной
диагностики
;
б
)
для
длительного
использования
;
в
)
для
подвижных
обследуемых
(
спортивная
,
космическая
,
военная
медицина
);
г
)
для
экстренного
применения
.
по
типу
диагностической
процедуры
:
а
)
для
ЭКГ
;
б
)
для
ЭЭГ
;
в
)
для
миографии
;
г
)
для
реографии
и
т
.
д
.
3.
Термоэлектрические
явления
в
металлах
и
полупроводниках
.
Термопары
и
термисторы
и
их
использование
для
измерения
температуры
Термоэлектрические
явления
–
класс
явлений
,
при
которых
изменение
температуры
проводника
вызывает
появление
электрического
тока
в
нём
и
наоборот
.
Основой
термоэлектрических
явлений
является
т
.
н
.
контактная
разность
потенциалов
(
КРП
),
она
образуется
из
-
за
того
,
что
при
контакте
двух
проводников
с
разной
концентрацией
носителей
зарядов
начинается
переток
носителей
в
зону
их
меньшей
концентрации
.
В
результате
на
границе
образуется
электрическое
поле
,
которое
и
описывается
этой
разностью
потенциалов
по
формуле
:
2
1
ln
n
n
e
kT
,
где
1
n
,
2
n
–
концентрация
носителей
зарядов
в
164
первом
и
втором
проводниках
.
Контактная
разность
потенциалов
имеет
небольшое
значение
для
металлов
(
порядка
мкВ
),
большее
–
для
полупроводников
(
порядка
мВ
).
Если
замкнуть
в
цепь
два
спая
проводников
и
поддерживать
их
при
разных
температурах
,
то
между
ними
возникнет
разность
потенциалов
,
равная
:
II
I
II
I
I
II
I
T
T
T
T
T
n
n
e
k
n
n
e
kT
n
n
e
kT
U
E
2
1
2
1
2
2
1
ln
ln
ln
,
где
T
E
называется
термо
-
ЭДС
,
–
постоянной
спая
(
термопары
);
если
цепь
будет
замкнутой
,
в
ней
будет
протекать
электрический
ток
(
т
.
н
.
термоэлектрический
ток
),
это
явление
называется
эффектом
Зеебека
.
Если
же
через
такую
цепь
пропускать
электрический
ток
,
то
один
из
спаев
будет
нагреваться
,
а
другой
–
охлаждаться
,
это
явление
называется
эффектом
Пельтье
.
Спай
двух
разнородных
проводников
называется
термопарой
,
так
как
контактная
разность
потенциалов
у
термопар
невелика
,
то
их
объединяют
в
т
.
н
.
термобатареи
,
где
их
КРП
суммируются
.
Если
один
из
спаев
поддерживать
при
известной
температуре
,
и
с
помощью
вольтметра
определять
термо
-
ЭДС
,
можно
определять
температуру
второго
спая
,
что
используется
при
измерениях
температур
.
Зависимость
проводимости
металлов
и
полупроводников
от
температуры
используется
также
в
термозависимых
сопротивлениях
–
терморезисторах
на
основе
металлов
,
термисторах
–
на
основе
полупроводников
.
При
повышении
температуры
сопротивление
терморезистора
растет
,
а
термистора
–
падает
,
что
и
используется
при
измерениях
температур
.
4.
Биоуправляемые
и
энергетические
датчики
и
их
характеристики
Датчиком
называется
устройство
,
преобразующее
измеряемую
или
контролируемую
величину
в
сигнал
,
удобный
для
передачи
,
дальнейшего
преобразования
и
регистрации
.
В
рамках
медицинской
электроники
рассматриваются
только
такие
датчики
,
которые
преобразуют
неэлектрическую
величину
165
в
электрический
сигнал
.
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)
.
Наиболее
удобны
датчики
с
прямо
пропорциональной
зависимостью
Y
от
x
:
Y=kx.
Величина
Z=
Y
/
x,
показывающая
изменение
выходной
величины
при
единичном
изменении
входной
,
называется
чувствительностью
датчика
.
Минимальное
изменение
входной
величины
,
которое
можно
обнаружить
датчиком
,
называется
порогом
чувствительности
.
Датчик
–
преобразователь
медицинской
информации
в
форму
,
удобную
для
последующего
усиления
,
регистрации
,
обработки
(
чаще
всего
в
электрическую
).
Входными
неэлектрическими
величинами
датчиков
могут
быть
механические
величины
(
давление
,
частота
,
колебание
);
физические
(
температура
,
освещенность
,
влажность
);
физиологические
(
наполнение
ткани
кровью
).
Выходными
электрическими
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
.
В
активных
датчиках
измеряемый
параметр
непосредственно
преобразуется
в
электрический
сигнал
,
т
.
е
.
под
воздействием
измеряемой
величины
активные
датчики
сами
генерируют
сигнал
соответствующей
амплитуды
или
частоты
(
пьезоэлектрические
,
индукционные
,
термоэлементы
).
Пассивные
под
воздействием
входной
величины
изменяют
свои
электрические
параметры
:
сопротивление
,
емкость
или
индуктивность
(
емкостные
,
индуктивные
,
резистивные
,
контактные
).
Энергетические
датчики
активно
воздействуют
на
органы
и
ткани
немодулированным
энергетическим
потоком
со
строго
определенными
,
постоянными
во
времени
характеристиками
.