Медицинская электроника
.docМедицинская электроника.
Медицинская электроника – разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры.
Все медицинские приборы можно разделить на 2 группы:
-
Приборы для диагностики.
-
Приборы для терапии.
-
Хирургическая аппаратура.
Цель приборов для диагностики: измерить какую-либо физико-биологическую величину и выдать её в удобной форме. Эти приборы контактируют непосредственно с телом человека.
Особенности организма как источника сигнала:
-
Все сигналы малой мощности, с малой амплитудой и слабым сигналом. Они требуют усиления, т.е. будут подвергнуты искажению.
-
Сопротивление тела человека имеет большое значение – около 106 Ом.
-
Высокий уровень помехи. Плотность информации очень велика.
-
Частотный спектр выходных сигналов лежит в инфра-низкой области частот.
-
Наличие постоянного гальванического контакта с электрической схемой прибора.
Особенности изделий медицинской техники:
-
Тщательно выбираются входные цепи приборов (ограничивается область положения датчиков).
-
Схемы приборов усложняются за счёт цепей помехоподавления.
-
К изделиям медицинской техники предъявляются повышенные требования по электробезопасности.
Электродиагностическая аппаратура |
||||
Измерители электрических параметров |
Измерители неэлектрических величин |
Эндоскопы |
Вспомогательные приборы |
|
Измерители биопотенциалов |
Реографы |
Пульсометры Эл. манометры Эл. тонометры Рефлексометры Радиология |
УЗИ Рент. томографы Магн. тонометры Биорезонансная диагностика |
Электростимуляторы Дифференциаторы Интеграторы |
ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭГГ, ЭОГ |
|
Измерители биопотенциалов. В начале XX века Эйнтховен изобрёл первый аппарат ЭКГ.
Рассмотрим амплитудный и частотный спектр сигналов, характеризующих электрическую активность различных органов человека.
Параметр |
ЭКГ электрокардиография |
ЭЭГ электроэнцефалография |
ЭМГ электромиография |
ЭГГ электрогастрография |
Амплитуда, мВ |
0,1 – 5 |
0,01 – 0,5 |
0,01 – 50 |
0,1 – 1 |
Частота, Гц |
0,5 – 400 |
1 – 1000 |
1 – 10 тыс. |
0,01 – 10 |
Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя l). Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается . Измеряется в Кулон-метрах.
- потенциал в точке А
По Эйнтховену:
Кардиограмма представляет собой проекцию вектора дипольного момента сердца на направление соответствующего отведения, развёрнутую во времени.
Теория ЭКГ предполагает электрический диполь рассматривать в среде безграничного однородного диэлектрика. А это не человек. Теория ЭКГ на сегодняшний день не завершена. Блочная схема ЭКГ:
Модель эквивалентного токового генератора.
Эквивалентная схема возникновения биотока:
r – сопротивление источника
R – внешняя нагрузка
Сильный источник, слабая внешняя нагрузка => система работает в состоянии короткого замыкания:
но , тогда
Токовый диполь:
- дипольный момент токового диполя.
- потенциал в точке униполя, - удельное сопротивление среды.
Потенциал токового диполя:
G можно пренебречь.
Таких диполей на поверхности органа множество. Но можно выделить суммарный потенциал D0.
- потенциал электрического мультитокового генератора.
Минусы: модель не учитывает конфигурацию тела и неоднородность среды.
Плюсы: модель учитывает сопротивление.
Измерители неэлектрических величин. Пример: термометр. Способы перевода неэлектрической величины в электрическую. Обобщённая схема измерителя неэлектрической величины электрическим методом.
Измерительная схема прибора представляет собой канал съёма информации, её преобразования и регистрации, образованный последовательной цепью измерительных преобразований, осуществляющих однозначную зависимость выходящего сигнала от входящего.
Датчики медико-биологической информации – фиксируют неэлектрические показания и переводят их в электрические.
Датчики:
-
Генераторные – генерируют энергию, не требуют источника питания (сопротивления, ёмкости, индуктивности).
-
Параметрические (пассивные) – необходимо дополнительное питание.
Характеристики датчика:
-
Функция преобразования
х – входная величина; у – выходная величина
-
Порог чувствительности – минимальная входная величина.
-
Динамический диапазон – диапазон измерения.
-
Время реакции – скачкообразно изменяют входную величину и оценивают время.
-
Числовые характеристики.
Датчики температуры.
Термопара.
Минусы: очень низкая чувствительность, неудобный диапазон
Плюсы: очень малые размеры и быстрая реакция.
Термометры сопротивления:
-
Проволочные
-
Полупроводниковые
Для 1 – высокая чувствительность и стабильность, большой диапазон.
Для 2 – малый размер, высокая чувствительность и быстродействие. Диапазон до 1500. Не стабильные.
Датчики механических перемещений.
-
На деформирующей способности датчика – используется прямой пьезоэффект. Генераторный
-
Тензометрический датчик (стабильность, чувствительность). Пассивный.
-
Датчики скорости (эффект Холла). Генераторный.
Датчики электромагнитных излучений.
ИК 1011 – 1014 термопары, ИК фотоэлементы
ВС - УФ 1014 – 1016 фоторезисторы
Рентгеновское и гамма-излучения 1016 – 1021 фоторезистор Гейгера-Мюллера (фоторезистор + сцинтилляционный эффект).
Согласование измерительных преобразователей.
Принцип согласования: сопротивление входа второго преобразователя больше или равно сопротивлению выхода первого преобразователя. Идеальный преобразователь должен иметь максимальные входные и минимальные выходные сопротивления.
Существуют специальные приборы – повторители, предназначенные только для согласования сопротивления.
Типовые измерительные схемы датчиков.
1. Периодическая проверка нуля прибора (работоспособности). В схеме прибора создаётся цепь, которая подаёт на вход специальный калибровочный сигнал. Применение разностных измерительных схем. Если помеху нельзя исключить, то её можно измерить и вычесть.
2. Реализация дифференцирующих измерительных схем.
3. Применение компенсационных схем измерения (приборы, работающие по принципу весов). Неизвестная величина компенсируется известной и достигается состояние равновесия.
Преимущества: легче зафиксировать отсутствие величины, чем её измерить; не искажает температуру объекта; более точные.
Пример: термопара.
4. Частотно-кодовая модуляция сигнала.
Преимущества: быстродействие, запоминание, много каналов, повышает помехозащищённость, точнее в 10-и раз, устойчивей.
Электротерапевтическая аппаратура |
||
Постоянный пол ток |
Низкочастотный пол ток |
Высокочастотный пол ток |
Гальванизация, Аэрозольная терапия, Франклинизация |
Электромодуляторы, Электросон, Электроэхопунктура, Магнитотерапия, Биорезонанс |
УВЧ терапия УЗИ терапия ДЦВ терапия СВЧ терапия |
Электростимуляторы. Импульсные методы воздействия.
Параметры импульса: амплитуда, частота, фаза, пауза = скважность, S = Т/tи, субъективные параметры.
Порог возбуждения – минимальная амплитуда импульсного тока, вызывающая реакцию возбуждения. Зависит от длительности импульса и частоты.
Закон Вейса-Лапика:
Зависимость от частоты (с ростом частоты болевой порог растёт быстрее, чем порог возбуждения):
Использование электростимуляции для диагностики:
-
Лабильность – способность мышц воспроизводить ритм возбуждения без потери темпа.
-
Аккомодация – приспособление к колебаниям.
С ростом крутизны импульса порог возбуждения должен снижаться. Используются экспоненциальные импульсы с переменной частотой. При патологии зависимость другая.
Виды тока, использующегося для стимуляции:
-
Классические импульсы – прямоугольные, пилообразные, экспоненциальные.
Синкоп – режим пачек импульсов (сдвоенные, строенные). Амплитуда менее 50 мА, частота до 150Гц.
-
Токи Бернара (диадинамические).
-
Синусоидально-модулированные токи.
-
Интерференционные токи.