Діагностичні електронні системи

Пристрої|устрої| з’йому|наймання| медичної інформації (ПЗМІ|) — це пристрої|устрої|, що забезпечують отримання|здобуття| сигналів, пов'язаних з явищами і процесами, що відбуваються|походять| в живих|жвавих| організмах.

Класифікація ПЗМІ| представлена|уявлена| на мал. 4.2

Основні вимоги, що пред'являються до ПЗМІ|.

1. Мінімум спотворення корисного сигналу.

2. Максимальна перешкодозахищеність|.

3. Зручність розміщення у необхідному для вимірювання|виміру| місці.

4. Відсутність дратівливої дії.

5. Можливість|спроможність| багатократного|багаторазового| використання і стерилізації без зміни характеристик.

Електроди — це провідники спеціальної форми для знімання|наймання| електричних сигналів тих, що реально існують|наявний| в організмі.

Малюнок 4.1-Класифікація медичної електронної апаратури

Малюнок 4.2- Класифікація пристроїв з’йому медичної інформації

Різного вигляду|виду| електроди використовуються і для підведення до організму зовнішньої дії.

Електроди, як пристрої|устрої| з’йому,|наймання| розрізняються:

1. За виглядом|виду| реєстрованого сигналу (ЕКГ, ЕМГ|, ЕЕГ|, ЕГГ|, ЭОГ| і ін.).

2. За матеріалом (металеві, вугільні, скляні). Скляні правильно називати електролітичними, оскільки провідником є|з'являється,являється| розчин електроліту ( і ін.).

3. За конструкцією (плоскі, голчаті|голчані,голчасті|, багатоточкові).

4. За площею (чим менша площа|майдан|, тим більш локально відводяться біопотенціали).

5. За призначенням: одноразові — використовуються в кабінеті функціональної діагностики; тривалого спостереження — в палатах реанімації; динамічного спостереження — у фізіології праці і спорту; екстреного застосування|вживання| — швидка допомога.

6. За місцем розташування (поверхневі|поверхові,зверхні| і вколюючі|працюючі|). Поверхневі|поверхові,зверхні| електроди повинні мати контактний опір 10—15 кОм|, тому їх накладають через струмопровідні пасти і прокладки|прокладення|.

Дуже часто доводиться реєструвати зміну характеристик організму і навколишнього середовища, які за своєю природою не є|з'являються,являються| електричними. Їх називають вхідні неелектричні величини, обумовлені життєвими функціями, до них відносяться:

1. Механічні (переміщення, швидкість, прискорення, акустичні параметри, тиск|тиснення|, вібрації і ін.).

2. Фізичні (теплові: температура, енергія, кількість теплоти; електричні: характеристики електричного, магнітного поля, імпеданс і ін.; оптичні: показник заломлення, сила світла, освітленість, яскравість; атомні і ядерні: спектральний склад, маса атомів і ядер, активність випромінювання, дози і ін.).

3. Хімічні (хімічний склад, концентрація, рН|).

4. Фізіологічні (кровонаповнення, пульс і ін.).

Для вимірювання|виміру| цих величин використовуються датчики (перетворювачі).

ДАТЧИКИ — це ПЗМІ|, які своїм чутливим елементом реагують на дію вимірюваної величини і здійснюють перетворення цієї дії у форму, зручну для подальшого|наступного| посилення, реєстрації, обробки (як правило, в електричні сигнали).

У енергетичних датчиках створюється немодульований (з|із| незмінними параметрами) потік енергії. Вимірюваний параметр змінює|зраджує| цей потік (модулює), ці зміни реєструються чутливим елементом. Таким чином, загальну|спільну| схему вимірювання|виміру| енергетичними датчиками можна представити|уявити| так: джерело енергії — об'єкт дослідження — чутливий елемент. Як приклад|зразок| розглянемо|розгледимо| три види енергетичних датчиків, представлених|уявлених| на мал. 4.3

У фотоелектричному датчику (1)створюється світловий потік Ф₀. При проходженні через тканини організму потік змінюється. Як реєструючий пристрій|устрій| може використовуватися фоторезистор, фотоелемент, фотопластина.

У рентгенівських датчиках(апаратах) (2), як джерело випромінювання використовуються рентгенівські промені, а як чутливий елемент — фотопластина, люмінесцентний екран, рентгеночутливий| екран.

При ультразвуковому дослідженні — (УЗД|) (3) використовується потік УЗ-хвиль, а для реєстрації, як правило, п'єзодатчики.

У біокерованих активних (генераторних) датчиках під впливом вимірюваної величини генеруються пропорційні|пропорціональні| їй електричні сигнали. Датчики, що найбільш часто вживаються|використовуються|: термопари (1), тензодатчики (2), індукційні (3), напівпровідникові вентильні фотоелементи (4). Їх схеми представлені|уявлені| на мал. 4.4

У термопарах є|наявний| два спаї, в яких з'єднуються два різні провідники або напівпровідники. У кожному із спаїв створюються контактні різниці потенціалів. Сумарна різниця потенціалів визначає ЕРС| термопари. ЕРС| пропорційна|пропорціональна| різниці температур спаїв , де залежить від типу провідників або напівпровідників, що використовуються для сполучення.|поєднуються,з'єднуються|

Малюнок 4.3-Енергетичні датчики

Малюнок 4.4- Біокеровані активні датчики

У тензодатчиках використовується прямий п'єзоелектричний ефект — при дії на деякі кристали (кварцу, титанату барію і інших) зовнішньої сили, внаслідок структурної поляризації, на поверхні цих кристалів з'являється|появляється| різниця потенціалів, пропорційна|пропорціональна| прикладеній силі.

В індукційних датчиках, при переміщенні постійного магніту щодо|відносно| котушки|катушки|, виникає ЕРС| індукції, яка визначається за законом Фарадея . Зрештою|врешті решт| ЕРС| пропорційна|пропорціональна| швидкості переміщення постійного магніту.

У напівпровідникових вентильних фотоелементах використовуються кристали селену. Усередині селенової пластини, за рахунок технології виготовлення, створюється замикаючий шар, що не пропускає основних носіїв заряду. При освітленні фотоелемента, у верхньому шарі, виникають пари електрон-дірка. За рахунок замикаючого шару вони розділяються, і утворюється фото ЕРС|, пропорційна|пропорціональна| світловому потоку.

Малюнок 4.5- Біокеровані пасивні датчики

Біокеровані пасивні (параметричні) датчики є замкнутим електричним ланцюгом|цепом| (мал. 4.5), до складу якого входять: джерело постійної або змінної напруги|напруження|, вимірювальний прилад (амперметр) та опір R, величина якого змінюється пропорційно зміні вимірюваного неелектричного сигналу організму. За законом Ома пропорційно змінюється і струм|тік| в ланцюзі|цепі|, тому шкала вимірювального приладу градуюється в одиницях вимірюваної неелектричної величини. За типом|виду| опору параметричні датчики підрозділяються на: резистивні, ємнісні|ємкості|, індуктивні та контактні.

У резистивних датчиках використовуються: активний змінний опір, движок якого переміщається пропорційно механічному переміщенню органів тіла людини; терморезистор, величина якого змінюється пропорційно температурі вимірюваного об'єкту; фоторезистор, у якого опір змінюється при зміні світлового потоку. Як опір можна підключати безпосередньо тканини організму. У цьому випадку вимірюється імпеданс (загальний|спільний| опір тканини відносно змінного струму|току|).

У ємнісних датчиках|ємкостей| опором є|з'являється,являється| конденсатор. Як відомо, ємність|ємкість| конденсатора визначається за формулою:

,

а величина ємнісного опору |ємкості| .

Таким чином, ємнісний опір|ємкості| змінюється при зміні відносної діелектричної проникності , площі|майдану| пластин , відстані між пластинами . Величина цих параметрів змінюється або при механічному переміщенні частин|часток| тіла, або при зміні вологості|вогкості| та температури середовища|середи| між пластинами конденсатора.

В індуктивних датчиках використовується котушка|катушка| з|із| феромагнітним сердечником|осердею|. Її індуктивність залежить від магнітної проникності сердечника |осерді|, числа витків котушки |катушки|, розмірів котушки|катушки| . Величина індуктивного опору визначається за формулою: .

У контактних датчиках замість опору використовуються два контакти, які замикаються або розмикаються при періодичному русі, наприклад, при зміні розмірів грудної клітки при вдиху і видиху.

Для правильного використання датчиків необхідно знати їх метрологічні характеристики. Датчики повинні періодично перевірятися метрологічними службами. До метрологічних характеристик відносяться:

1. Чутливість — це зміна вихідного сигналу при зміні вхідного сигналу на одиницю. Наприклад, чутливість термопари визначається за формулою: .

2. Межа чутливості — мінімальне значення зміни вхідного сигналу, яку можна зареєструвати за допомогою датчика.

3. Динамічний діапазон — діапазон вхідних неелектричних величин від межі чутливості до максимального значення, що реєструється датчиком без спотворення.

4. Похибність — різниця між виміряним|виміряним| і дійсним значеннями величини.

5. Час реакції (інерційність) показує, на скільки величина вихідного сигналу датчика відстає за часом (по фазі) від вхідного.

Як приклади|зразки| використання датчиків розглянемо|розгледимо| вимірювання|вимір| температури, параметрів системи дихання таі серцево-судинної системи.

Розрізняють температуру поверхні і температуру ядра тіла. Температура поверхні тіла залежить не тільки|не лише| від стану організму, але і від зовнішнього середовища|середи|: температури і тиску|тиснення| повітря, його вологості|вогкості|. Тому, як правило, температуру поверхні вимірюють|виміряють| з погляду симетричності температурних полів лівої і правої областей тіла людини. Температура ядра є|з'являється,являється| стабільнішим показником і визначається, в основному, за станом внутрішнього середовища|середи| організму. Вимірюють|виміряють| температуру ядра безпосереднім введенням|помешканням| датчика у м'яз або окремі органи, ректальну температуру - в порожнині рота, в пахвовій западині, паховій області, пупковій ямці. Для вимірювання|виміру| температури людського тіла, як датчики, використовуються: напівпровідникові термоопори| (термістори), та термоелементи (термопари).

Основними параметрами системи дихання є|з'являються,являються| частота та глибина дихання. Вимірювання|вимір| цих параметрів проводиться|виробляється,справляється| за механічним переміщенням грудної клітки при вдиху і видиху по протилежно направлених|спрямованих| потоках повітря, що мають різну температуру і вологість|вогкість|. Механічні переміщення грудної клітки оцінюють контактними і резистивними (з|із| активним опором) датчиками. Потоки повітря вимірюють|виміряють| ємнісними датчиками, |ємкостей|термісторами, термопарою.

Для оцінки діяльності серцево-судинної системи використовуються неелектричні параметри: частота пульсу, параметри пульсової хвилі, тиск при діастолі|тиснення| і систолі, шуми серця, механічні переміщення органів і тканин, пов'язані з одномоментним викиданням ударного об'єму|обсягу| крові з|із| лівого шлуночку і ін. Частоту пульсу і пульсові хвилі (сфігмографія) вимірюють|виміряють| тензодатчиками. Механічні переміщення грудної клітки у області верхівкового поштовху (сейсмографія) оцінюють індукційними датчиками. Тони і шуми серця (фонокардіографія) вимірюють|виміряють| за допомогою мікрофонів, які являють собою датчики індукційної системи. Для вимірювання|виміру| тиску|тиснення| використовують тензодатчики, в основу яких покладено п'єзоефект. Ці датчики вносять у крупні|великі| кровоносні судини|посудини| та в порожнини серця. Дослідження кровонаповнення та оцінка тонусу кровоносних судин|посудин| (плетизмографія) проводиться|виробляється,справляється| імпедансометричними і енергетичними | датчиками та фотоелектричними і тензодатчиками. Визначення швидкості кровотоку проводиться|виробляється,справляється| енергетичними ультразвуковими датчиками, основою методу вимірювання якого є |виміру| ефект Допплера.

Електричні сигнали на виході ПЗМІ, як правило мають малу величину (амплітуду). Для їх реєстрації необхідне підсилення. Цього можна досягти використовуючи пристрої підсилення (ПП).

Пристрої|устрої| підсилення напруги|напруження|, струму|току|, потужності електричних коливань за рахунок енергії стороннього джерела називаються підсилювачами коливань.

Принципові схеми простого підсилювача напруги|напруження| представлені|уявлені| на мал. 4.6 а і 4.6 б.

Елементною основою підсилювача є|з'являється,являється| вакуумний або напівпровідниковий тріод, (транзистор). Не вдаючись в подробиці|докладності| роботи підсилювача, розглянемо|розгледимо| загальні|спільні| принципи підсилювача напруги|напруження|.

1. На сітці лампи коливання вхідної напруги|напруження| створюють пропорційні|пропорціональні| коливання анодного струму|току| (у разі|в разі| використання транзистора - коливання струму|току| в ланцюзі|цепі| емітер-колектор).

2. Змінний анодний струм|тік| створює на опорі, навантаження R, пульсуючу напругу|напруження|, що складається з постійної та змінної складової.

3. Змінна складова цієї напруги|напруження|, виділена за допомогою розподільного конденсатора, і є|з'являється,являється| посиленою вихідною напругою|напруженням|.

З|із| розглянутого|розгледіти| видно|показно|, що принципові схеми і принцип роботи вакуумного та транзисторного підсилювачів ідентичні.

Головним параметром підсилювача є|з'являється,являється| коефіцієнт підсилення. Він показує у скільки разів амплітуда вихідної напруги|напруження| більша амплітуди вхідної напруги|напруження|.

Малюнок 4.6-Підсилювачі напруги

Наведені схеми підсилювачів є|з'являються,являються| однокаскадними. Для реєстрації електричних сигналів одного каскаду, як правило, буває недостатньо, тому використовують підсилювачі з декількох каскадів, що підключаються послідовно один з|із| одним. Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача дорівнює:

При використанні підсилювачів у медицині важливо|поважно|, щоб форма вихідної напруги|напруження| відповідала формі вхідної напруги. Підсилювач повинен не спотворювати підсилений|посилюваний| сигнал, інакше виникатимуть серйозні помилки у діагностиці захворювань. Розрізняють три види спотворення сигналів в підсилювачах: амплітудні, за рахунок сіткових струмів та|токів| частотні. Ці спотворення усуваються розробниками підсилювачів відповідно представленій|уявленої| інформації про параметри підсилювальних|посилюваних| сигналів. Частотні спотворення пов'язані з, так званою, смугою пропускання підсилювачів. Для кожного підсилювача визначається частотна характеристика — це залежність коефіцієнта підсилення від частоти гармонійного сигналу, що подається на вхід підсилювача. Частотна характеристика представлена|уявлена| у графічній формі на мал. 4.7. Смуга частот від до , в межах якої коефіцієнт підсилення практично не змінюється, називається смугою пропускання підсилювача. Біологічні сигнали не є|з'являються,являються| гармонійними, проте|однак| їх можна розкласти на суму гармонік|гармошок|, що розрізняються за частотою та амплітудою. Якщо усі частоти гармонік|гармошок| входять у смугу пропускання, то спотворень не буде. Якщо хоч би одна гармонійна складова виходить за межі смуги пропускання, то сигнал на виході не відповідатиме сигналу на вході, відбудеться спотворення сигналу.

Малюнок 4.7-Частотна характеристика

Оскільки|тому що| біологічні криві розрізняються за гармонійним спектром, то підсилювачі для одного сигналу, наприклад ЕКГ, не можуть використовуватися для посилення іншого виду сигналів — ЕЕГ|, ЕМГ| і ін.

Для того, щоб використовувати підсилювачі електричних потенціалів, що виникають в організмі людини і тварин, необхідно чітко уявляти собі біоелектричну активність органів людини та їх характеристики.

Біоелектрична активність характеризується наступними|слідуючими| параметрами:

1. Діапазон амплітуд електричних коливань складає від одиниць мкВ| до одиниць мВ|.

2. Діапазон частот охоплює область частот від доль Гц до 10 кГц|.

3. Внутрішній опір тканини не є|з'являється,являється| чисто активним і складає близько тисяч і десятків тисяч Ом.

Окрім|крім| цього при реєстрації біопотенціалів доводиться мати справу|річ| з|із| наступними|слідуючими| особливостями:

а) реєстрація біоелектричних процесів, як правило, проводиться|виробляється,справляється| при одночасному записі декількох сигналів.

б) при реєстрації об'єкт знаходиться|перебуває| в полі дії різного роду полів, які іноді|інколи| досягають великого рівня у порівнянні з рівнем реєстрованого потенціалу.

Вельми|дуже| низькі амплітуди біопотенціалів з одного боку і великі напруги|напруження|, які необхідно подати на реєструючі пристрої|устрої|, з іншого боку, примушують|заставляють| конструювати|сконструйовувати| підсилювачі з|із| великим коефіцієнтом підсилення (до декількох мільйонів разів).

Малі вхідні напруги|напруження| призводять до того, що у підсилювачах доводиться зважати на власні шуми вхідних каскадів, а із-за великого коефіцієнта підсилення зі|із| схильністю їх до самозбудження.

Необхідність пропускання дуже низьких частот ускладнює живлення|харчування| підсилювача від одного загального|спільного| джерела живлення|харчування|. Це робить|чинить| підсилювач дуже чутливим до повільних змін напруги|напруження| джерел живлення|харчування|, а роботу підсилювача нестійкою.

У зв'язку з великим опором тканини вхідний опір підсилювача повинен бути великим.

Одночасна реєстрація декількох процесів на одному об'єкті призводить до того, що входи підсилювачів виявляються|опиняються| сполученими|з'єднаними| між собою через опір тканин.

Для боротьби з|із| перешкодами екрануються: об'єкт, вхідні елементи підсилювачів та самі підсилювачі.

Вхідні каскади підсилювачів повинні задовольняти наступним|слідуючим| вимогам:

1. Рівень власних шумів повинен бути дуже низький.

2. Вхідний опір каскаду і власне всього підсилювача повинні бути великими.

3. Каскад повинен бути захищений від механічних коливань.

4. Схема каскаду повинна давати можливість|спроможність| проводити|виробляти,справляти| реєстрацію декількох процесів і без екрануючої камери.

У таблиці 4.1 перераховані основні параметри електрографічних сигналів.

Таблиця 4.1-Основні параметри електрографічних сигналів

Пристрої|устрої| відображення і реєстрації медичної інформації (ПВРМІ) дозволяють одержати у графічній або інших формах характеристики параметрів контролюючого об’єкту.

Пристрої|устрої| відображення здійснюють тимчасове представлення інформації, а пристрої|устрої| реєстрації дозволяють тривалий час зберігати інформацію і багато разів звертатися|обертатися| до неї для подальшої|наступної| обробки та глибшого аналізу. Класифікація ПВРМІ| представлена|уявлена| на мал. 4.8

Аналогові реєструючі пристрої |відображують|застосовуються для уявлення інформації про зміну одного або декількох параметрів, які бажано контролювати безперервно (наприклад, при реєстрації ЕКГ). Дія аналогових ПВРМІ| заснована на загальному|спільному| принципі - дія постійного магнітного поля на провідник зі|із| струмом|током|.

Дротяну рамку поміщають між полюсами постійного магніту (мал. 4.9). На клеми рамки подається змінна напруга|напруження| від пристрою|устрою| підсилення, що відповідає зміні реєстрованого параметра організму людини. У рамці виникає струм|тік| пропорційний|пропорціональний| прикладеній напрузі|напруженню|. У лівій та правій частинах|частці| рамки струми|токи| протилежно направлені|спрямовані|. Виникає пара сил, які повертають рамку навколо|навкруг,довкола| вісі. Кут|ріг,куток| повороту пропорційний|пропорціональний| прикладеній напрузі|напруженню|. Прилади, засновані на цьому принципі, називаються приладами електромагнітної системи.

У показуючих (стрілочних) приладах рамка сполучена|з'єднана| із|із| стрілкою, яка повертається|обертається| разом з рамкою і вказує|вказує| на шкалі величину реєстрованого параметра. Шкала приладу проградуйована в одиницях вимірювання|виміру| реєстрованого параметра.

У світло променевих приладахна рамку наклеюють легке люстерко. На люстерко посилається промінь світла. Відбитий промінь викреслює на рухомій фотоплівці або фотопапері графік зміни реєстрованої величини у часі.

Цей вид реєстраторів має найменшу з|із| аналогових інерційність і використовується для реєстрації швидкозмінних| параметрів.

У самописцях рамка з'єднується зі|із| спеціальним пером|пір'їною|, яке викреслює на рухомому папері розгорнену діаграму контрольованої величини.

o у пір'яних самописцях перо|пір'їна| представляє|уявляє| стрижень|стержень|, заповнений чорнилом (можна використовувати стрижень|стержень| авторучки);

o у струменевих самописцях перо|пір'їна| не торкається паперу, чорнило викидається під тиском|тисненням| зі|із| спеціального отвору.

o при тепловій і електрохімічній реєстрації пером|пір'їною| служить загострений металевий стрижень|стержень|. У цих видах запису використовується спеціальне покриття паперу, яке розкладається та змінює|змінює,замінює| колір|цвіт| по сліду: в теплових – внаслідок тертя пера|пір'їни| об папір, в електрохімічних - під дією напруги|напруження|, прикладеної між пером|пір'їною| і папером.

Малюнок 4.8-Пристрої|устрої| відображення і реєстрації медичної інформації

У дискретних ПВРМІ| вимірюваний параметр реєструється в буквеному або цифровому вигляді|виді| не безперервно, а через певні проміжки часу.

У цифродрукуючих| пристроях|устроях| букви|літери| або цифри відображаються|відображуються| на звичайному|звичному| папері. При послідовному друці|печатці| друкування кожного знаку вимагає одного механічного переміщення літери, при паралельному - може друкуватися слово, рядок, абзац, лист|аркуш|, що значно скорочує час друку|печатки|.

Малюнок 4.9- Принци дії аналогових реєструючих пристроїв

Цифрові індикатори відображають|відображують| цифри, букви|літери|, знаки на екрані.

o оптичні реєстратори відображають|відображують| інформацію на звичайному|звичному| склі шляхом просвічування через трафарет (у сучасних приладах практично не використовуються);

o газорозрядні індикатори засновані на принципі свічення розряджених газів навколо|навкруг,довкола| провідника, до якого подається достатньо|досить| висока постійна напруга. Провідником є|з'являється,являється| звичайний|звичний| дріт, зігнутий за формою букви|літери| або цифри;

o найчастіше у сучасних реєстраторах використовується люмінесцентна індикація. Екран такого індикатора представляє|уявляє| сукупність кристалів, які міняють|змінюють,замінюють| колір|цвіт| або контрастність, якщо на них подається постійна напруга|напруження|. Сукупність таких контрастних кристалів і створює зображення букви|літери| або цифри.

У комбінованих ПВРМІ| інформація може відображатися|відображуватися| як безперервно, так і дискретно.

Електронно — променева трубка|люлька| використовується для відображення інформації в електронних осцилографах| та відеоприймачах. Принцип дії їх достатньо|досить| добре відомий. Основними перевагами реєстраторів є|з'являється,являється| мала інерційність, здатність|здібні| реєструвати швидкозмінні процеси.

Принцип магнітного запису заснований на тому, що записуюча|занотовувати| головка|голівка| створює змінне магнітне поле пропорційне|пропорціональне| величині реєстрованого сигналу. Магнітне поле відповідно міняє|змінює,замінює| стан магнітного порошку на магнітній стрічці або диску. Магнітний запис це єдиний ПВРМІ|, який не вимагає перетворення реєстрованої інформації для подальшої|дальшої| передачі і обробки інформації на ЕОМ.

Наприкінці слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | в сучасних діагностичних системах використовуються у комплексі всі види розглянутих|розгледіти| електронних пристроїв.|розпочинаючи,зачинаючи| Прикладом|зразком| може служити УЗД|, комп'ютерна томографія, відеомоніторингові системи.