Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

В медицинской практике преимущественно применяются электрокардиографы с непосредственной записью, у которых функции регистрирующего устройства выполняет писчик, записывающий колебания гальванометра [6]. Недостатком такого электрокардиографа является инерционность регистрирующего устройства, которая приводит к заметным искажениям высокочастотного спектра кардиограммы и тем самым ограничивает диагностические возможности аппарата.

Этот недостаток полностью отсутствует у электрокардиографов, в которых в качестве регистрирующего устройства используется осциллограф на электронно-лучевой трубке. При снятии кардиограммы регистрируемый сигнал, усиливаемый высококачественным электронным усилителем, поступает на вертикальные пластины электронно-лучевой трубки, а на горизонтальные пластины подается линейно изменяющееся напряжение [7] с требуемой скоростью изменения и амплитудой, обеспечивающей развертку электронного луча трубки на полный экран. Это – так называемая развертка осциллографа.

Такой прибор можно использовать для снятия векторкардиограммы, представляющей собой векторную сумму двух разностей потенциалов, одна из которых поступает на вертикальные пластины, а другая – на горизонтальные пластины. При этом развертка отключается, а горизонтальные пластины подключаются к выводу второго усилителя, на вход которого подают вторую составляющую результирующего вектора.

Усилители необходимо строить с дифференциальным каскадом (см. разд. 1.3) на входе, чтобы можно было:

использовать инвертирующий и неинвертирующий входы;

подавлять синфазные помехи, обусловленные не только наводками в виде фона (с частотой 50 Гц или кратной), а также помехи, вызываемые электрической активностью скелетных мышц пациента, и т.д.;

реализовать стандартные отведения [6, 8], обеспечивающие измерение разности потенциалов между двумя участками тела, подключением электродов кардиографа к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального каскада.

461

Как известно [6, 8], основными стандартными отведениями являются:

I отведение – электроды на левой и правой руке подключаются соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам; II и III отведения – электрод на левой ноге подключают к инвертирующему входу, а к неинвертирующему входу –электрод на пра-

вой руке (II отведение) или на левой руке (III отведение).

При указанных правилах подключения электродов на экране электронно-лучевой трубки электрокардиограмма появляется направленная кверху, если поданный на инвертирующий вход сигнал превышает по амплитуде сигнал на неинвертирующем входе.

Усилитель, предназначенный для горизонтальных пластин при снятии векторкардиограммы, желательно также реализовать на дифференциальном каскаде. Промежуточные и выходные каскады усилителей целесообразно реализовать на дифференциальных парах, не прибегая к преобразованию двухфазного выходного напряжения в однофазный, так как усилители электронно-лучевых трубок, как правило, строят с двухфазным выходом.

Точность воспроизведения электрокардиограммы определяется линейными и нелинейными искажениями усиливаемых сигналов.

Линейные искажения определяются АЧХ усилителя. В области низких частот они могут быть полностью исключены, если отказаться от использования разделительных RC-цепей между каскадами и блокирующих конденсаторов в цепях задания и стабилизации режимных токов транзисторов. Однако при этом необходимо предусмотреть меры для установки нулевого уровня, от которого отсчитывается амплитуда зубцов и определяется степень смещения сегментов электрокардиограммы. Для установки нулевого уровня, смещение которого в основном определяется отклонением выходного напряжения входного дифференциального каскада, применяют балансировку каскада [9] путем изменения режимных токов входных транзисторов. В электрокардиографах эту операцию производят при помощи корректора.

Из-за температурного дрейфа выходного напряжения дифференциального каскада происходит смещение нулевого уровня, нестабильность которого мешает определению уровня S-T и создает усло-

462

вия для ошибочного толкования электрокардиограммы [6]. Влияние температурного дрейфа практически можно исключить использованием высокостабильных источников тока, задающих режимные токи коллекторов, а также охватом отрицательной обратной связью соответствующих звеньев усилителя.

При использовании усилителей с непосредственными связями возникает еще проблема согласования по постоянному току каскадов в последовательной цепи усилителя. Эту проблему решают применением схем сдвига потенциальных уровней [9].

Указанные проблемы, вызывающие смещение нулевого уровня, можно исключить применением разделительной RC-цепи, которую подключают к выходу усилителя.

Постоянную времени цепи τр = СрR необходимо рассчитать так, чтобы усилитель передавал без заметного искажения сигналы очень низкой частоты – около 0,25 Гц [6].

Вобласти низких частот существенно сказывается действие шумовых сигналов, обусловленных дисперсией процесса рекомби- нации-генерации. Как отмечалось (см. п. 3.2.2), это – низкочастотные шумы типа 1/f, амплитуда которых заметно возрастает по мере уменьшения частоты.

Вэлектрокардиографах и целом ряде других медицинских аппаратов (например, энцефалографах) приходится усиливать сравнительно низкочастотные сигналы (с частотой, иногда составляющей десятые доли герца), поэтому наряду с полезными сигналами усиливаются низкочастотные шумовые сигналы типа 1/f, амплитуда которых может оказаться сравнимой с амплитудой полезных сигналов. При этом точность воспроизведения сигналов прибором характеризуется шумовым показателем

	μш =	Uвыхт	,
		k p|Uвых.ш |

определяемым отношением амплитуды полезного сигнала Uвыхт к амплитудному значению шумового сигнала kp|Uвых.ш| (|Uвых.ш| – среднеквадратичное значение шума, kр – коэффициент, определяющий амплитудное значение шума). Следовательно, при разработке или выборе низкочастотного усилителя для указанных меди-

463

цинских приборов необходимо ориентироваться и на коэффициент шума, стремясь к тому, чтобы μш > (10÷50).

В усилителях постоянных сигналов прямого усиления проблему уменьшения низкочастотных шумов возможно решить только одним способом – выбором малошумящих транзисторов во входном каскаде, избегая полевых транзисторов, характерной особенностью которых является высокий уровень шумов 1/f. Использование разделительных RC-цепей позволяет еще больше увеличить μш. Практически полностью можно исключить шумы 1/f применением усилителей постоянных сигналов с преобразованием, т.е. МДМусилителей, в которых следует использовать модулятор на элементе с низким уровнем шумов 1/f (см. п. 3.3.3).

Искажения в области высших частот обусловлены инерционностью элементов кардиографа. Считается [6], что пригодный для клинических целей электрокардиограф должен точно передавать сигналы с высокочастотным спектром более 200 Гц. Если регистрирующая система обладает верхней граничной частотой fв, не превышающей 120 Гц, то амплитуда зубцов уменьшается на 30%. Поэтому электрокардиографы с непосредственной записью, где в качестве регистрирующей системы используется инерционный писчик с очень низкой частотой свободных колебаний, практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов. В электрокардиографах с регистрирующей системой в виде осциллографа без особого труда можно обеспечить воспроизведение сигналов с высокочастотным спектром, составляющим десятки и более килогерц. При этом полностью исключается искажение формы зубцов.

Точность электрокардиограмм зависит и от уровня нелинейных искажений, вносимых аппаратом. Для установления этих искажений электрокардиографы снабжаются потенциометром, при помощи которого контролируется, во-первых, чувствительность усилителя с помощью контрольного милливольта [6] и, во-вторых, уровень нелинейных искажений подачей разнополярных контрольных милливольт. В первом случае подачей контрольного милливольта устанавливается определенный масштаб амплитуды усиливаемого сигнала. По международному стандарту 1 мВ должен

464

обеспечить отклонение 10 мм (в некоторых случаях отступают от этого стандарта). Во втором случае для установления уровня нелинейных искажений изменяют амплитуду контрольного сигнала и проверяют, соответствует ли отклонение на выходе кардиографа установленному значению контрольного сигнала. Такую проверку проводят для отклонения как вверх, так и вниз.

Для уменьшения нелинейных искажений охватывают усилитель отрицательной обратной связью требуемой глубины. При малых нелинейных искажениях их уровень уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

Современные электрокардиографы позволяют осуществлять как одноканальную, так и многоканальную запись кардиограммы [8]. Использование цифрового осциллографа позволяет компьютеризировать данный процесс. Для компьютерной обработки электрокардиограмм преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, снабдив усилитель аналого-цифровым преобразователем (см. разд. 8.7). Дополнив компьютер базой данных по кардиограммам, составленным медицинскими экспертами, можно установить диагноз исследуемого пациента.

9.4.2. Энцефалографы

Измерение и регистрация биотоков в тканях человеческого организма с последующим их анализом имеет большое значение для диагностики ряда заболеваний. Энцефалограф используется для разнообразных электрофизиологических исследований и, прежде всего, для регистрации биотоков мозга и мышц.

По своей структурной схеме электронный энцефалограф практически не отличается от электрокардиографа. Такое сходство объясняется основным назначением этих приборов – регистрация биотоков, возникающих в различных органах человека. Основное отличие этих приборов в их чувствительности. Энцефалографы обладают большей чувствительностью и лучшими шумовыми показателями, чем электрокардиографы, поскольку первые применяются для регистрации более слабых биотоков мозга и мышц. Эту особенность необходимо учитывать, прежде всего, при разработке усилительного блока энцефалографа.

465

Указанные особенности были учтены при реализации первого отечественного энцефалографа1, разработанного на кафедре электроники МИФИ в 1952 г. В комплект энцефалографа входили два электронных усилителя, обладавшие высокой чувствительностью (с крутизной до 0,7 мА/мкВ) и повышенной помехоустойчивостью, что позволяло помещать блок усилителя вместе с источником питания вне клетки Фарадея, использованной в качестве экрана от электромагнитных помех при записи биотоков мозга. Высокая помехоустойчивость обеспечивалась использованием дифференциальных каскадов во всем тракте усилителя, а также рациональным монтажом и хорошей экранировкой схемы.

В современных разработках тоже следует строить усилительные блоки полностью на дифференциальных каскадах: начиная от входного и кончая выходным. Во входном каскаде не следует использовать полевые транзисторы для обеспечения высокоомного входа, чтобы повысить чувствительность усилителя. Как отмечалось, полевые транзисторы обладают более высоким уровнем низкочастотных шумов типа 1/f, амплитуда которых может превосходить амплитуду биотоков мозга и мышц.

Использование дифференциальных каскадов позволяет разрешить две проблемы. Первая из них связана с необходимостью подавления помех различных происхождений. При соответствующем монтаже входных цепей дифференциальных каскадов можно обеспечить синфазное воздействие сигналов помехи, которые при этом ослабляются дифференциальным каскадом в 103÷106 раз (в зависимости от глубины общей отрицательной обратной связи, которая обеспечивается включением в эмиттеры транзисторов высокоомного сопротивления обычно динамического характера).

Вторая проблема – стабильность режимных токов транзисторов, образующих дифференциальный каскад. Как известно, стабилизация режимных токов производится посредством отрицательной обратной связи достаточной глубины. Однако обычные способы реализации стабилизирующей обратной связи приводят к уменьшению коэффициента усиления пропорционально глубине обрат-

1 Описание этого прибора было опубликовано в журнале «Радио», № 12 за 1955 г.

466

ной связи. В дифференциальном каскаде эти противоречия исключаются включением элемента обратной связи в общую цепь эмиттеров или истоков транзисторов. При этом обратная связь оказывает стабилизирующее действие на режимные токи транзисторов. Этой глубокой обратной связью оказываются охваченными синфазные составляющие входных сигналов, в том числе и помехи. Именно благодаря действию этой общей обратной связи и происходит существенное подавление помех, действующих как синфазные сигналы. Что касается парафазных сигналов, включающихся в полезные сигналы, то они не оказываются охваченными общей обратной связью, поэтому они усиливаются существенно.

Как правило, в качестве элемента обратной связи в дифференциальных каскадах используют источник стабилизированного тока, при помощи которого задаются токи эмиттеров или истоков. Такой способ реализации обратной связи имеет свои достоинства. Он позволяет реализовать глубокую обратную связь без заметного перепада напряжения на элементе обратной связи и, тем самым, высокую стабильность режимных токов и существенное подавление синфазных помех. Глубина этой обратной связи определяется выходным сопротивлением источника стабилизированного тока rк, достигающим десятков и сотен килоом. Использование источника тока, задающего стабилизированные токи в эмиттеры или истоки, способствует еще большей стабильности и уменьшению температурного дрейфа режимных токов дифференциальных каскадов.

Усилители энцефалографов должны обеспечивать существенное усиление сигналов в полосе пропускания, начиная от единиц герц и кончая килогерцами. Требование к нижней граничной частоте усилителя fн ≈ (1÷2) Гц оказывается затруднительным из-за проблемы подавления низкочастотных шумов 1/f. Именно эта проблема исключает использование усилителей постоянных сигналов прямого усиления с f = 0 (например, интегральных операционных усилителей). Можно применять МДМ-усилитель постоянных сигналов, в котором дрейф и низкочастотные шумы транзисторов не модулируются, поэтому они не поступают на выход. Выпускаемые промышленностью интегральные МДМ-усилители (например, 140УД13) практически не пригодны для этой цели, так как в них не

467

приняты меры для подавления синфазных помех и, кроме того, коэффициент усиления небольшой (всего 10÷20).

В настоящее время применяются усилители переменных сигналов с эквивалентной постоянной времени разделительных RC- дифференцирующих цепей, удовлетворяющей условию τн.эк = = 1/(2πfн) (0,1÷0,2) Гц. При этом во входном дифференциальном каскаде необходимо использовать биполярные транзисторы с возможно низким уровнем шумов 1/f. Влияние шумовых сигналов проявляется в виде нерегулярных медленных колебаний выходного напряжения – около нулевого значения. При снятии энцефалограммы эти колебания проявляются в «перекосе» оси времени. Подбором входных транзисторов с наименьшим уровнем низкочастотных шумов 1/f можно свести эти колебания к минимальной величине. Полностью избавиться от них невозможно. В новых разработках следует применять усилители переменных сигналов с противошумовой коррекцией, позволяющей уменьшить «перекосы» нулевого уровня.

Так же как и в электрокардиографах, усилители в энцефалографах снабжаются корректором для изменения режимных токов входных транзисторов в допустимых пределах – потенциометром, при помощи которого контролируется чувствительность усилителя с помощью контрольного сигнала, а также уровень нелинейных искажений подачей контрольных сигналов разной амплитуды.

Поскольку энцефалографы обладают высокой чувствительностью, то в них обычно предусмотрена не только плавная регулировка коэффициента усиления, но и ступенчатая, реализуемая отключением промежуточного каскада усилителя при помощи соответствующей ручки. По этой же причине особые требования предъявляются к источникам питания, в качестве которых используют стабилизированные источники напряжения с глубокой отрицательной обратной связью (см. п. 4.4.2).

Обычно применяют двухканальные приборы. Наличие двух каналов позволяет одновременно исследовать биотоки на двух различных участках исследуемого органа.

Для визуального наблюдения за характером изменения биотоков или для фоторегистрации в первых разработках приборов ис-

468

пользовались шлейфовые осциллографы. В настоящее время для этой цели применяют электронно-лучевые осциллографы.

9.4.3. Томографы

Томография – это новейшее средство медицинской диагностики, основанное на визуализации радиационно-изотопного воздействия на человеческие органы, которое позволяет получить при помощи томографа изображение поперечного сечения исследуемого органа, содержащее как морфологические, так и функциональные данные.

Первый рентгеновский компьютерный томограф был создан в Великобритании в 1977 г. физиком Г. Хаунсфилдом. Американский физик П. Лаутербер и британский исследователь П. Менсфилд разработали принципы получения объемного изображения внутренних органов, в том числе и тех, которые недоступны рентгеновским аппаратам. За эту работу им была присуждена Нобелевская премия.

Существенным преимуществом томографии является возможность получения изображения внутреннего органа на нескольких срезах. На основе указанных научных исследований была разработана так называемая радиоизотопная (радионуклидная) диагностика.

На сегодняшний день известны три вида томографии: магниторезонансная, компьютерная и позитронно-эмиссионная. Первые два вида томографии позволяют фиксировать анатомические и органические изменения тканей. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) превосходит их по своим возможностям. Она обеспечивает регистрацию функционального действия органа, показывая, насколько он правильно работает, и позволяет получать функциональные изображения, отражающие процессы жизнедеятельности органов и тканей организма на молекулярном уровне, включая метаболизм глюкозы и утилизацию кислорода, оценку кровотока, определение концентрации и сродства специфических рецепторов. Данные особенности ПЭТ существенно расширяют возможности и точность такого способа диагностики. Это особенно важно при заболеваниях мозга человека, так как она позволяет проводить ис-

469

следования его функций, в том числе психики, мышления, внимания и даже творчества.

Возможность оценки функциональных изменений на уровне клеточного метаболизма является важным преимуществом ПЭТ, поскольку часто изменения на функциональном клеточном уровне предшествует морфологическим изменениям. Именно поэтому при помощи этого томографического способа многие заболевания диагностируются намного раньше, чем при магниторезонансной и компьютерной томографиях.

ПЭТ основана на использовании уникальных радиофармпрепаратов, содержащих ультрокороткоживущие изотопы – позитронные излучатели. Они обладают свойством неустойчивости ядер, в которых число протонов превышает число нейтронов. Переход таких ядер в устойчивое состояние сопровождается излучением позитрона. После эмиссии из ядра атома позитрон проходит в окружающих тканях расстояние порядка 1–3 мм, теряя энергию при соударении с другими молекулами. В момент остановки позитрон соединяется с электроном, и масса обеих частиц превращается в энергию в виде двух высокоэнергетических гамма-квантов, разлетающихся в противоположные стороны под углом 180°. Этот процесс в физике называется аннигиляцией.

Регистрация этой пары излучаемых гамма-квантов производится ПЭТ с помощью нескольких колец детекторов ПЭТ-камеры, в которой находится пациент. Детекторы подключены к электронной схеме совпадения, которая регистрирует аннигиляцию позитрона следующим образом: схема совпадения срабатывает только тогда, когда сигналы поступают на ее входы одновременно от пары детекторов, расположенных в противоположных точках кольца. Это означает, что точка аннигиляции позитрона находится на протяжении линии между парой детекторов (так называемой «линии ответа»), т.е. регистрация этой пары гамма-лучей позволяет установить координату точки излучения. Фотоны, распространяющиеся под другими углами и пересекающие линию ответа, тоже регистрируются, и компьютерная система на основе данных о приеме генерируемых фотонов и углах, под которыми они пересекают линию ответа, формирует изображение исследуемого органа.

470