Структурная схема мед биол информации
 Скачать 55 Kb.
|
|
Структурная схема мед.биол.информации. Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.Первичный элемент этой совокупности - чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, - непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико-биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений.В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики.Электроды - это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии.К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань.По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы:1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы;2) для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;3) для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине;4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи. Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которому подведена измерительная величина, т.е. первый в измерительной цепи, называется первичньм.Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.Генераторные - это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некоторые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны:1) пьезоэлектрические, пьезоэлектрический эффект;2) термоэлектрические, термоэлектричество );3) индукционные, электромагнитная индукция ,4)фотоэлектрические, фотоэффект.Параметрические - это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр:1) емкостные, емкость;2) реостатные, омическое сопротивление;3) индуктивные, индуктивность или взаимная индуктивность.В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодат-чик) - для измерения перемещения или деформацииВ рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал. Передача сигнала.Радиотелеметрия. Снятый и усиленный электрический сигнал необходимо передать к регистрирующему (измерительному) прибору.Во многих случаях электроды или датчики, усилитель и регистрирующий прибор конструктивно оформлены как единое устройство. В этом случае передача информации не является технической проблемой. Однако измерительная часть может находиться и на расстоянии от биологической системы, такие измерения относят к телеметрииили даже несколько уже - биотелеметрии.Связь между устройством съема и регистрирующим прибором при этом осуществляется либо по проводам, либо по радио -радиотелеметрия. Аналоговые регистрирующие устройства.Значительно большее распространение в медицинской электронике получили регистрирующие приборы, которые фиксируют информацию на каком-либо носителе. Это позволяет документировать, хранить, использовать, обрабатывать и анализировать полученную медико-биологическую информацию.Отображающие и регистрирующие приборы подразделяют на аналоговые - непрерывные, дискретные и комбинированные, сочетающие возможности аналоговых и дискретных.Наиболее распространенные в практике медико-биологических исследований аналоговые регистрирующие устройства. Некоторые из них называют также самопишущими приборами, или самописцами.В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие способы регистрации информации на носителе:а) нанесение слоя вещества (красителя): чернильно-перьевая и струеписные системы;б) изменение состояния вещества носителя: фоторегистрация, электрохимическая, электрофотографическая (ксерография) и магнитная запись;в) снятие слоя вещества с носителя: закопченная поверхность, тепловая запись. Принцип работы медицинских мед.приборов,регистр.биопотенциалы. В клинической практике биопотенциалы отводят поверхностными накожными электродами запись осуществляется аналоговыми регистрирующими устройствами Переход от одних отведений к другим осуществляется специальным переключателем. Так как биопотенциалы сравнительно медленно изменяются со временем, то в приборах обычно используют усилители постоянного токаБиопотенциалы, применяемые в электрокардиографии, имеют значение порядка нескольких милливольт, в электроэнцефалографии - микровольт, поэтому для их регистрации необходимо усиление в несколько тысяч раз, что достигается с помощью многокаскадного усиления.В некоторых случаях целесообразно одним прибором определять одновременно ряд параметров, например биопотенциалы, отводимые от разных точек головного мозга. При этом используют многоканальные устройства, состоящие из нескольких независимых усилителей, регистрация по всем каналам фиксируется на общей ленте. Электронные усилители. Усилителями электрических сигналов или электронными усилителями называют устройства, увеличивающие эти сигналы за счет энергии постороннего источника. Усилители могут создаваться на основе различных элементов , однако в общих вопросах все усилители могут быть представлены достаточно едино. Они имеют вход, на который подается усиливаемый электрический сигнал, и выход, с которого снимается усиленный сигнал . Непременной частью всей системы является источник электрической энергии.Наиболее распространенным принципом усиления сигнала является воздействие входной цепи на электрическое сопротивление выходной цепи. Это воздействие соответствует форме усиливаемого сигнала, и поэтому форма сигнала воспроизводится в выходной цепи.Существенным требованием к усилителям является воспроизведение усиливаемого сигнала (усиление) без искажения его формы.На практике это требование выглядит как стремление усилить электрический сигнал с наименьшими искажениями. Коэффициент усиления усилителя. Возможность усилителя увеличить поданный на его вход сигнал количественно оценивается коэффициентом усиления.Он равен отношению приращения напряжения (силы тока, мощности) на выходе усилителя к вызвавшему его приращению напряжения (силы тока, мощности) на входе .В зависимости от целей усилители различают по напряжению, силе тока или мощности. Если K имеет значения, недостаточные для получения на выходе сигнала нужного напряжения, то соединяют несколько усилителей. Каждый отдельный усилитель при этом называют усилительным каскадом.Коэффициент усиления усилителя из нескольких каскадов равен произведению коэффициентов усиления всех используемых каскадов: KОбщ=K1K2K3... Формула коэффициента усиления :  АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЯ. НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ . Рассмотрим усиление синусоидального (гармонического) сигнала. Для того чтобы форма сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. В этом случае зависимость Uвых = f (Uвх), называемая амплитудной характеристикой усилителя, имеет линейный вид Uвых = kUвх (рис. 22.2; прямая линия). На самом деле линейная зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается (штриховая линия).Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.Периодический выходной сигнал, полученный после нелинейных искажений входного гармонического сигнала, может быть представлен суммой гармоник , поэтому нелинейные искажения можно рассматривать как появление новых гармоник в сигнале при его усилении. Чем больше новых гармоник, чем выше их амплитуда, тем сильнее нелинейные искажения, что оценивается коэффициентом нелинейных искажений.  ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЯ. ЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ Использование линейного участка характеристики еще не является гарантией неискаженного усиления электрического сигнала.Если усиливаемый сигнал несинусоидальный, он может быть разложен на отдельные гармонические составляющие, каждой из которых соответствует своя частота. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты, то коэффициент усиления для разных гармонических составляющих может оказаться разным. Отметим, что индуктивные свойства резисторов и емкостные свойства проводников, сколь бы малы они ни были, при увеличении частоты тоже могут оказать существенное влияние на коэффициент усиления. Таким образом, существенна зависимость к = Α(ω) или к = f(v), которая получила название частотной характеристики усилителя. Для того чтобы ангармонический сигнал был усилен без искажения (даже при использовании линейной части амплитудной характеристики), необходима независимость коэффициента усиления от частоты. Частотная характеристика должна иметь вид k=const. На практике это не реализуется и приводит к искажениям, получившим название линейных или частотных.Частотная характеристика имеет большое значение при выборе усилителя для записи биопотенциалов, имеющих характер сложного колебания с различными пределами частот в их гармоническом спектре. Поэтому не всегда усилитель, предназначенный для записи одних биопотенциалов, может быть использован для записи других. Особенности усиления биоэлектрических сигналов. Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующими основными особенностями этой разновидности электрических колебаний:1) выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно высокое;2) биопотенциалы - медленно изменяющиеся сигналы;3) биопотенциалы - слабые сигналы.При усилении биопотенциалов необх .согласование сопротивления входной цепи усилителя и выходного сопротивления биолог.системы.Если учитывать только радиотехническую сторону вопроса,то следует на вход усилителя подать макс.мощность от источника усиливаемых колебаний.При условии Ri=Rвх,где Ri=r+R,r-сопротивление внутр.тканей биолог.системы,R-сопротивление кожи и электродов,контактирующих с ней,Rвх-входное сопротивление усилителя.Предполагая,что сила тока I на всех участках контура одинакова,из закона Ома имеем:I=E/Ri+Rвх,где Е-эдс источника биопотенциалов.Предельные случаи:1) UBX —> Опри RBX —» 0, т. е. на входе усилителя не будет напряжения, еслиего входное сопротивление равно нулю; 2) UBX — » £6п при RBx — » °о,т. е. максимально возможное напряжение на усилителе будет прибесконечно большом его входном сопротивлении. Во втором случае тока во входной цепи нет; следовательно, не будет передаваться и мощность от источника сигнала. Разновидности генераторов электрических колебаний. 9)Генераторами называют устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы. по принципу работы различают: 1.генераторы с самовозбуждением(автогенераторы); 2.генераторы с внешним возбуждением Большинство генераторов, применяемых для решения радиотехнических задач, являются генераторами с самовозбуждением: их подразделяют на генераторыгармонических(синусоидальных) колебаний и генераторы импульсных(релаксационных)колебаний. Генератор на транзисторе. в генераторе на транзисторе возникают автоколебания, близкие к гармоническим. колебательный контур L(K)C(K)расположен в цепи коллектора. катушка L(0C) индуктивно связанная с L(K)выполняет роль обратной связи . источником энергии служит батарея E. Транзистор используется в качестве "клапана"-пропускает в контур энергию в нужный момент. при включении схемы в колебательном контуре возникают малые случайные электромагнитные колебания.За счёт индуктивной связи эти колебания передаются в транзистор и усиливаются. Усиленные транзистором колебания через цепь коллектора подаются в колебательный контур в резонанс с теми, которые там уже существуют , и амплитуда колебаний возрастает. при этом обратная связь должна быть положительной. Генератор колебаний на неоновой лампе. 10)в качестве генератора импульсных(релаксационных)колебаний рассматривается генератор на неоновой лампе Л.такие лампы зажигаются при некотором строго определенном значении напряжения U3, а гаснут при меньшем напряжении Uг. процесс начинается с зарядки конденсатора C согласно уравнению:q=q(m)(1-e^t/RC) когда в точке А напряжение на конденсаторе достигает значения U3, достаточного для ионизации газа в неоновой лампе, лампа загорается и конденсатор разряжается через неё согласно уравнению: q=q(m)e^-t/RC; в точке В напряжение на лампе станет равным Uг, лампа гаснет и её сопротивление значительно возрастает.конденсатор опять подзаряжается и процесс повторяется. как видно из схемы скорость возрастания напряжения в такой схеме можно изменять, изменяя параметры R и С. так увеличение сопротивления приведёт к увеличению времени, участок ОА станет более пологим. изменение напряжения на участке АВ происходит при разряде неоновой лампы и зависит, следовательно, от её характеристик. подбирая параметры схемы, можно реальный график приблизить к идеальному, называемому пилообразным напряжением. генераторы релаксационных колебаний используют при получении импульсных токов разной формы. Низкочастотная физиотерапевт.электронная аппаратура. Физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частоты называют низкочастотной. Электронную аппаратуру всех других частот-высокочастотной. Медицинские аппараты -генераторы гармонических и импульсных низкочастотных электромагнитных колебаний-объединяют две большие группы устройств:электронные стимуляторы(электростимуляторы) и аппараты физиотерапии. Электронные стимуляторы. Электростимуляторы могут бысть подразделены на стационарные, носимые и имплантируемые(вживляемые).для полностью имплантируемых электростимуляторов,например кардиостимуляторов, достаточно серьезной проблемой являются источники питания, которые должны длительно и эконом но функционировать. Эта проблема решается как созданием соответствующих источников, так и разработкой экономичных генераторов. Так, например, желательно иметь генераторы, которые практически не потребляли бы энергию в паузе между импульсами. Примером своеобразного стимулятора являются дефибрилляторы-аппараты, представляющие собой генераторы мощных высоковольтных электрических импульсов, предназначаемые для лечения тяжелых нарушений ритма сердца. Носимым и частично имплантируемым кардиостимулятором является имплантируемый радиочастотный электрокардиостимулятор. Имеется приемник ( имплантируемая часть) его масса 22г, толщина 8,5 мм. Приемник воспринимает радиосигналы от внешнего передатчика.эти сигналы воспринимаются внутри тела больного имплантируемой частью и в виде импульсов через электроды подаются на сердце.имеется также блок питания он как и передатчик носится больным снаружи. К техническим устройствам электростимуляции относятся также электроды для подведения электрического сигнала к биологической системе. Высокочастотная физиотерапевт.электронная аппаратура. Большая группа медицинских аппаратов -генераторов электромагнитных колебаний и волн работает в диапазоне ультразвуковых,высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот и называется обобщающим термином-высокочастотн.электр.аппаратура. Проблема электродов в данном случае решается по-разному. Для высокочастотных токов используются стеклянные электроды воздействие переменным магнитным полем (индуктотермия) оказывается через спирали или плоские свернутые кабели, по которым проходит переменный ток, создавая переменное магнитное поле. при УВч-терапии проrреваемую часть тела noмещают между дискообразными металлическими электродами,покрытыми слоем изолятора при воздействии электромагнитными волнами приближают к телу и излучатель этих волн. физиотерапевтические аппараты , являющиеся генераторами электромагнитных колебаний. конструируются так, чтобы не мешать радиоприему и телевидению . Аппараты электрохирургии . К высокочастотной электронной медицинской аппаратурс относят и аппараты электрохирургия (высокочастотной хирургии) основой этих устройств является генератор электромarнитных колебаний,гармонических или модулированных. мошость используемых в электрохирургии электромагнитных колебаний может быть от 1 Вт до нескольких сотен ватт. При электрохирургии электромагнитные колебания подаются на электроды, которые рассекают или коагулируют ткань. Различают электроды для монополярной и биполярной электрохирургии .в первом случае один выход генератора соединен с активным электродом которым и осуществляют электрохирургическое воздействие, а другой электрод пассивный -контактирует с телом пациента.Во втором случае оба выхода rенератора соединены с двумя активными электродами, между которыми протекает высокочастотный ток, оказывая хирургическое воздействие. в этом случае оба электрода являются активными, а пассивный электрод не используется. Электрические поля органов.- Функционирование живых клеток сопровождается возникновением биопотенциалов. Клетки, образуя целостный орган, формируют сложную картину его электрической активности. Биопотенциалы, возникая и распространяясь в отдельных органах, создают в них переменные электрические поля переменные разности потенциалов между различными точками поверхности органа. Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. В электрографии существуют 2 фундаментальные задачи:Прямая задача - расчет распределения электрического потенциала на поверхности тела по заданным характеристикам электрической активности изучаемого органа;Обратная задача – Определение характеристик электрической активности изучаемого органа по измеренным потенциалам на поверхности тела. Принцип эквивалентного генератора состоит в том, что изучаемы орган, состоящий их множества клеток, возбуждающихся в различные моменты времени, представляется моделью единого эквивалентного генератора. Электрический диполь – это два близко расположенных заряда разного знака, равных по абсолютной величине(-q и +q). Основной физической величиной для диполя является вектор электрического момента диполя, равный по величине произведению: E=ql Электрическое поле диполя в любой удаленной точке полностью определяется вектором. Физические принципы электрокардиографии. В практике электрокардиографии разности потенциалов измерялись между левой рукой и правой рукой- 1 отведение, между ЛН и ПР- 2 отведение, между ЛН и ЛР- 3 отведение. Эти отведения называют стандартными. Основные положения теории Эйнтховена: 1. Электрическое поле сердца представляется как электрическое поле точеченого токового диполя с дипольным моментов Е, называемым интегральным электрическим вектором сердца (ИЭВС). 2. ИЭВС находится в однородной проводящей среде, которой являются ткани организма. 3. ИЭВС меняется по величине и направлению в соответствии с фазами возбуждения отделов сердца. Его начало неподвижно и находится в атриовентрикулярном узле, а конец описывает сложную пространственную кривую, проекция которой на фронтальную плоскость образует цикл сокращения сердца три петли Р, QRS и Т. |