Схемы включения и термокомпенсации
Полупроводниковый тензометрический ДПИ давления чувствителен к ударам, вибрациям, ядерной радиации и другим внешним воздействиям, однако основным фактором, вызывающим погрешности в измерениях давления, является изменение температуры окружающей среды в процессе эксперимента.
При испытаниях датчиков на влияние температуры необходимо учитывать не только предельные значения температуры и способы нагрева, но и изменение температуры во времени.
Если измерения проводятся в условиях изменяющейся температуры в широких пределах, то целесообразно использовать схему с питанием от источника тока.
В рассматриваемых ДПИ в основном используются мостовые схемы. В датчике используются два тензорезистора гантельного типа p и n проводимости, наклеенные клеем в средней части мембраны (рис.2.1.).
Рис. 2.1. Внутриполостной датчик давления крови:
1 – тензорезисторы p- и n-типа; 2 – корпус; 3 – колпачковая мембрана.
Тензорезисторы включены в смежные плечи моста, чем достигается прямая температурная компенсация.
Схема включения показана на рис.2.2 .
Рис.2.2. Схема включения датчика.
Здесь Rш — шунтирующее сопротивление, обеспечивающее температурную компенсацию второго рода в заданном интервале температур. Этот интервал для внутриполостных датчиков обычно выбирается равным 30—40° С. Компенсация температурной зависимости разбаланса моста датчика, состоящего из двух активных тензорезисторов и двух стабильных сопротивлений, осуществляется шунтированием одного из наклеенных тензорезисторов, имеющего большую крутизну зависимости сопротивления от температуры. Для определения этих зависимостей строят кривые R=f(T) для каждого тензорезистора по меньшей мере по 5—8 экспериментальным точкам в интервале 30—40° С (рис.2.3.).
Рис. 2.3. К термокомпенсации второго рода.
Параллельно тензорезистору с наибольшей крутизной зависимости R=f(Т) подключается магазин сопротивлений МС1 (рис. 2.4.) и последовательно - МС2 для балансировки моста.
Рис.2.4. Схема для определения величины шунтирующего сопротивления при термокомпенсации датчика.
Последовательным уменьшением величины шунтирующего сопротивления на МС1 и балансировкой моста МС2 определяют на выходе датчика величину разбаланса при изменении температуры датчика от 30 до 40° С. При получении разбаланса, не превышающего 3—6 мм рт. ст. для артериальных ДПИ и 20—30 мм вод. ст. для венозных ДПИ, фиксируют значения сопротивлений Rш и Rдоб по магазинам сопротивлений.
Метод шунтирования обладает недостатком - он снижает чувствительность датчика к измеряемому параметру. Однако снижение чувствительности, как правило, невелико и не превышает 5-7%.
Вопрос 2
Конструкции электродов. Требования к электродам. Электроды для экг. Электродные пояса. Электроды для мониторных систем и скорой помощи. Электроды для миографии. Микроэлектроды. Стеклянные электроды.
Существенно различные конструктивные требования предъявляются к электродам в зависимости от длительности, места и целей регистрации ЭКГ. Так при массовых обследованиях важно снизить затраты и продолжительность процедуры подготовки электродов и наложения их на анатомические точки в соответствии с системой отведений. Электроды должны легко и быстро накладываться, быть дешевыми, но надежными.
Для отведения ЭКГ от конечностей применяют (рисунок 4.12): пластинчатые электроды (обычно посеребренная латунь); электроды с прищепками или браслетами, ленточные эластичные электроды на гибкой непроводящей основе (поролон, резина и др.) с токосъемной поверхностью из фольги различных материалов или из нержавеющей стали и серебряных порошков. Для грудных отведении используются электроды-присоски с токосъемной частью из серебра, латуни или нержавеющей стали, электродные пояса, электроды одноразового пользования. Электроды-присоски различаются материалом токосъемной части (латунь, сталь, серебро), ее конструкцией (пластинка, сетка, диск), формой (груша, колокол) (рисунок 4.12,6) и материалом баллончика, с помощью которого обеспечивается надежный контакт с телом (резина, пластмасса), а также методом введения электропроводящей пасты (пастой заполняется электрод или она вводится отдельно непосредственно на поверхность кожи). Основными недостатками этих электродов является быстрая потеря герметичности и плохая фиксация на коже с волосяным покровом.
Рисунок 4.12. Варианты кoнструкций металлических электродов.
Электродные пояса представляют собой конструкции в виде эластичных лент, скрепленных между собой, с учетом расположения электродов в соответствующей системе отведений, в заданных местах которой расположены электроды. Пояс накладывают, так чтобы электроды заняли положенные им места на теле, сам пояс закрепляется с помощью специальных застежек. Электродные пояса для ЭКГ более удобны, особенно для грудных отведений, когда все шесть грудных электродов расположены на растягивающейся основе. Такой пояс можно устанавливать на грудную клетку любого размера и гарантировать правильное положение электродов.
Электроды одноразового применения представляют собой металлическую пластику или пластинку из пластмассы, покрытой слоем металла, по краям которой нанесен липкий слой, позволяющий закрепить электрод на теле (рисунок 4.12,в). Эти совершенные и удобные в работе конструкции стерильны, легки и эластичны, имеют большую клеящую поверхность, исключающую смещение электрода. Разность потенциалов двух электродов системы электрод-паста-электрод не превышает 3-5мВ. Межэлектродное сопротивление - 500 Ом, а скорость изменения разности потенциалов 2мкВ/с. Напряжение шума электродов не превышает З0 мкВ.
В мониторных системах, в условиях реанимации и палат интенсивной терапии на первый план выступают требования временной стабильности параметров и нетоксичности электродов (рисунок 4 12,г). Поэтому, несмотря на свои недостатки для таких задач разработаны неполяризующиеся хлорсеребряные электроды с пастой - так называемые "плавающие" электроды. В этих электродах удается устранить артефакты движения, так как в них отсутствует прямой контакт токосъемной части электрода с кожей. Это достигается специальной конструкцией электрода.
Один из таких электродов - (рисунок 4 13) имеет чаше- или тарелкообразную конструкцию корпуса 1, выполненного из пластмассы. Внутри располагается чувствительный элемент 2 в виде сетки из хлористого серебра 8. Липкая пленка 3 с внутренней стороной приклеивается к корпусу 1, а внешней - к телу пациента. Пленка 4 служит для зашиты липкого слоя 3 до использования электрода. Электрический контакт 5 защищен спаем 6, который служит также для крепления элемента 2 к корпусу 1. Внутреннюю полость электрода заполняют токопроводящей пастой 7. При наложении электрода на поверхность тела с него снимается защитый слой 4, электрод заполняется пастой, а затем приклеивается по торцу к коже.
Рисунок 4 13 Плавающий электрод-монитор.
При длительной эксплуатации электродов различные химические, механические и другие причины, источником которых являются электропроводящая паста и клеящий слой, могут привести к повреждениям кожных покровов. Для предотвращения отрицательных реакций желательно переклеивать электроды хотя бы каждые сутки на соседние участки тела.
В мониторных системах нашли применение также игольчатые электроды и так называемые субтроды.
Особую группу электродов для ЭКГ представляют электроды для скорой помощи. Это - электроды, напоминающие обычные инъекционные иглы, электродные комплексы и многоточечные электроды. Электродные комплексы выполняются в виде единой конструкции, где в углах равностороннего треугольника жестко или и прорезях закреплены три металлических таблетки-электрода (рисунок 4.14).
Рисунок 4.14. Электроды для скорой помощи.
Поверхностные электроды для снятия ЭЭГ обычно представляют собой небольшие диски с площадью контакта, не превышающей 1,1 - 1,5 см2 или маленькие гранулы (шарики) припоя, которые закрепляются на обезжиренной поверхности кожи головы с помощью эластического бандажа или шлема, а пространство под каждым электродом заполняется электролитической пастой. При наложении электродов здесь также целесообразна механическая обработка кожи для уменьшения переходного сопротивления. Известны и цилиндрические электроды, заполненные пастой (рисунок 4.15).
Рисунок 4.15. Цилиндрический электрод для ЭЭГ
1-цилиндр; 2-кольцевой паз; 3-электропроводящая паста.
Для отведения биопотенциалов мышц (ЭМГ) используют два основных типа электродов, подкожных (игольчатых) и накожных.
Подкожные электроды (рисунок 4 16.а) имеют коаксиальную или концентрическую форму (варианты форм иглы приведены на рис. 1.16-д. контактные площадки заштрихованы), их диаметр d - от 1.1мм до 0.5мм и длина рабочей части L от 20 до 90мм [11], а размеры контактных площадок определяют исходя из решаемой задачи. Они позволяют регистрировать потенциалы непосредственно с мышечных волокон (большей или меньшей группы) и исключить сопротивление кожи и покрывающих мышцу соединительных оболочек.
Рисунок 4.16. Электроды для электромиографии.
Игольчатые электроды обычно выполняются из меди или платины. Иногда игольчатые электроды состоят из тонких изолированных проволочек, располагаемых так, что их оголенные концы контактируют с мышцей, нервным волокном или другой тканью, на которой проводятся измерения. Эти проволочки либо хирургически имплантируются, либо вводятся с помощью иглы для подкожных вспрыскиваний, которая затем извлекается, а электроды остаются в нужном месте. С помощью игольчатых подкожных электродов имеется возможность исследования, электрическую активность глубоко расположенных мышечных групп и различных участков одной и той же мышцы, вплоть до отдельных двигательных единиц. Однако подкожные электроды при прокалывании кожи могут вызывать значительные болевые ощущения.
Накожные электроды, для длительной регистрации ЭМГ, похожи на накожные электроды, применяемые в других методах регистрации биопотенциалов. Они выполняются в виде серебряных или графитовых дисков и чашечек, оправленных в изолированный корпус, с выводом из гибкого многожильного экранированного кабеля. Крепление электродов осуществляется с помощью резиновых лент или лейкопластыря. Для кратковременной регистрации ЭМГ применяют электроды из пищевого олова или нержавеющей стали. Для электрофизиологических исследований нашли применение и микро электроды, особенно для задач нейрофизиологии. Микроэлектроды образуют две основных группы - металлические и стеклянные (рисунок 4 17) электроды.
Рисунок 4 17 Варианты микроэлектродов.
Металлические микроэлектроды (рисунок 4 17.а, б) представляют собой проволочку 1 в виде иглы, имеющий малый диаметр кончика 2. Весь электрод кроме активного кончика, покрыт изоляцией 3. Кончик иглы должен быть тщательно обработан, например, с помощью электролитического метода. В некоторых исследованиях большое значение придается форме кончика, так как от неё зависит точность фиксации количества нервных клеток находящихся в контакте с электродом. Разработаны специальные технологии «вытягивания» электродов для этих исследований. Микроэлектроды изготавливаются из нержавеющей стали, вольфрама или платиноиридиевого сплава.
Наиболее употребительным в микроэлектрофизиологии является стеклянный электрод (рисунок 4 17.в), представляющий собой наполненную электролитом стеклянную пипетку - капилляр 1. Капилляр изготавливается из боросиликатного стекла (типа пирекс), обладающего высокой механической прочностью, большим удельным и поверхностным сопротивлением. Канал 2 капилляра заполняется электролитом (водный раствор КС1); капилляр закрывается пробкой 3, через которую пропускается проводник 4 для подключения электрода к усилителю. Co стеклянным микроэлектродом трудно работать, необходимо тщательно выполнять все условия хранения, заполнения, промывки электродов.
Стеклянные микроэлектроды обладают присущими только им характеристиками, для исследования которых также разработаны специальные методы и технические средства [11]. Приближенная эквивалентная схема микроэлектродной цепи приведена на рисунке 4.18.
Рисунок 4 18. Эквивалентная схема микроэлектродной цепи.
Здесь С| - емкость между клеточной жидкостью или внешним электролитом и кончиком электрода; R1 - сопротивление кончика электрода, C2 -емкость между стволом электрода и внешним электролитом; R2 -сопротивление канала ствола: Сп – паразитная емкость входной цепи усилителя. При подключении к усилителю микроэлектроды ведут себя как фильтры нижних частот, что хорошо видно из рисунка 4.8, в то время как металлические оказываются фильтрами верхних частот. Стеклянным микроэлектродам присуща большая шунтирующая (проходная) емкость C1 и высокое последовательное сопротивление R1. Это заставляет разрабатывать специальные усилители для микроэлектродных отведений с компенсацией входной ёмкости. Подробное описание конструкций характеристик микроэлектродов для электрофизиологических исследований и вопросы проектирования микроэлектродных усилителей можно найти в специальной технической литературе и журнальных публикациях.