Датчики медико-биологической информации

Многие медико-биологические характеристики нельзя непо­средственно «снять» электродами, так как эти характеристики не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, темпе­ратура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях меди­ко-биологическая информация связана с электрическим сигна­лом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической вели­чине (например, пульс). В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи).

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которо­му подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи, называется первичным.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контроли­руемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Использование электрических сигналов предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистриро­вать. Датчики подразделяются на генераторные и параметриче­ские.

Генераторные датчики под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некото­рые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны: 1) пье­зоэлектрические, пьезоэлектрический эффект (см. § 12.7); 2) тер­моэлектрические, термоэлектричество — явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединен­ных разнородных проводников, имеющих различную температуру спаев; 3) индукционные, электромагнитная индукция; 4) фото­электрические, фотоэффект.

Параметрические датчики под воздействием измеряемого сиг­нала изменяют какой-либо свой 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 зависимости от вида энергии, являющейся носителем инфор­мации, различают механические, акустические (звуковые), тем­пературные, электрические, оптические и другие датчики.

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величи­не; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д.

Приведем возможные медико-биологические применения ука­занных типов датчиков (табл. 26).

Датчик характеризуется функцией преобразования — функ­циональной зависимостью выходной величины у от входной х, ко­торая описывается аналитическим выражением у = f(x) или гра­фиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = kx.

Таблица 26

Обозначения: АД — артериальное давление крови, БКГ — баллистокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ — давление в желудочно-кишечном тракте.

Чувствительность датчика показывает, в какой мере вы­ходная величина реагирует на изменение входной:

ина в зависимости от вида датчика выражается, например, в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) и т. д.

Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновен­но, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особен-" ность приводит к зависимости чувствительности датчика от ско­рости изменения входной величины dx/dt или от частоты при из­менении х по гармоническому закону.

При работе с датчиками следует учитывать возможные, специ­фические для них, погрешности. Причинами погрешностей могут быть следующие факторы: 1) темпера­турная зависимость функции преобра­зования; 2) гистерезис — запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в ре­зультате необратимых процессов в дат­чике; 3) непостоянство функции пре образования во времени; 4) обратное воздействие датчика на онкологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерци­онность датчика (пренебрежение его временными характеристика­ми) и др.

Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма раз­нообразна: от простейших (типа термопары) до сложных доплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный).

Этот датчик (рис. 17.5) выполнен в виде резиновой трубки 1 которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов труб­ки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника 4.

При растяжении трубки увеличивается длина I и уменьшается площадь S сечения столбика угля и согласно формуле увеличи­вается сопротивление R

где р — удельное сопротивление угольного порошка.

Таким образом, если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе — сокращается. Сила тока в цепи будет изменяться с частотой дыхания, что можно зафиксировать, используя соот­ветствующую измерительную схему.

В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.