Kompendium_po_biofizike_1

солевой раствор или токопроводящую пасту, увеличивают площадь электродов (при последнем способе возрастает риск того, что БП будет регистрироваться не с той площади, что необходимо).

Электроды можно классифицировать следующим образом: по назначению:

а) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики,

б) для длительного использования, в) для подвижных обследуемых (спортивная, космическая,

военная медицина), г) для экстренного применения.

по типу диагностической процедуры: а) для ЭКГ, б) для ЭЭГ,

в) для миографии, г) для реографии и т.д.

3. Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках. Термопары и термисторы и их использование для измерения температуры.

Термоэлектрические явления – класс явлений, при которых изменение температуры проводника вызывает появление электрического тока в нѐм и наоборот. Основой термоэлектрических явлений является т.н. контактная разность потенциалов (КРП), она образуется из-за того, что при контакте двух проводников с разной концентрацией носителей зарядов, начинается переток носителей в зону их меньшей концентрации. В результате на границе образуется электрическое поле, которое и описывается этой разностью потенциалов по формуле:

kT	ln	n1	, где n ,	n		- концентрация носителей зарядов в
					2
e		n2	1

первом и втором проводнике.

171

Контактная разность потенциалов имеет небольшое значение для металлов (порядка мкВ), большее – для полупроводников (порядка мВ).

Если замкнуть в цепь два спая проводников и поддерживать их при разных температурах, пот между ними возникнет разность потенциалов, равная:

E U

kTI

ln

n1

kT2

ln

n1

k

ln

n1

T

T

T T

I

II

I

II

II

T

e

n2

e

n2

e

n2

I

, где ET

называется термо-ЭДС,

–

постоянной

спая

(термопары); если цепь будет замкнутой, то в ней будет

протекать электрический ток (т.н. термоэлектрический ток), это

явление называется эффектом Зеебека. Если же через такую цепь

пропускать электрический ток, то один из спаев будет

нагреваться, а другой – охлаждаться, это явление называется

эффектом Пельтье.

Спай двух разнородных проводников называется термопарой,

так как контактная разность потенциалов у термопар невелика, то

их объединяют в т.н. термобатареи, где их КРП суммируются.

Если один из спаев поддерживать при известной

температуре, и с помощью вольтметра определять термо-ЭДС, мо

можно определять температуру второго спая, что используется

при измерениях температур.

Также

зависимость

проводимости

металлов

и

полупроводников

от

температуры

используется

в

термозависимых

сопротивлениях – терморезисторах на основе

металлов, термисторах – на основе полупроводников. При повышении температуры сопротивление терморезистора растет, а термистора – падает, что и используется при измерениях температур.

4. Биоуправляемые и энергетические датчики и их характеристики

Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования и регистрации.

172

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют неэлектрическую величину в электрический сигнал. Устройства, работающие с электрическими сигналами, имеют ряд преимуществ:

высокую чувствительность и малую инерционность; возможность проводить измерения на расстоянии; удобство регистрации и обработки данных на ЭВМ.

Датчики характеризуются функцией преобразования F(x): зависимостью выходной величины Y от входной величины х: Y=F(x). Наиболее удобны датчики с прямо пропорциональной зависимостью Y от x: Y=kx. Величина Z= Y/ x, показывающая изменение выходной величины при единичном изменении входной, называется чувствительностью датчика. Минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком, называется порогом чувствительности.

Датчик – преобразователь медицинской информации в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (чаще всего в электрическую).

Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (давление, частота, колебание); физические (температура, освещенность, влажность); физиологические (наполнение ткани кровью).

Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление и т. д.

Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения.

В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т. е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты (пьезоэлектрические, индукционные, термоэлементы).

Пассивные под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность (емкостные, индуктивные, резистивные, контактные).

173

Энергетические датчики активно воздействуют на органы и ткани немодулированным энергетическим потоком со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра (фотоэлектрические, УЗ).

Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями:

а) чувствительность − минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;

б) динамический диапазон − диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений;

в) погрешность − максимальная разность между получаемой и номинальной величинами;

г) время реакции − минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.

5. Датчики температуры тела

Измеряют температуру ядра или сердцевины тела и температуру поверхности кожи человека.

Для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков используются проволочные и полупроводниковые

терморезисторы и термоэлементы.
Термометры	сопротивления	(терморезисторы,

термисторы) – датчики, в основе действия которых лежит изменение электрического сопротивления при изменении температуры. При этом у металлов сопротивление с ростом температуры увеличивается, а у полупроводников уменьшается.

Большей чувствительностью, малой температурной инерционностью, относительно меньшими размерами обладают полупроводниковые термосопротивления – термисторы.

Конструктивно термистор представляет собой небольшой (порядка долей миллиметра) полупроводниковый шарик, в

174

который введены два электрода из тонкой проволоки, подключаемые к измерительному прибору. Весь термистор заключен в тонкий пластмассовый корпус (см. рисунок 73).

Б

А

Рисунок 73. Схема термисторного датчика (А – контактные металлические проводники, Б – полупроводник)

Действие термистора основано на зависимости электропроводности полупроводника от температуры: при увеличении температуры полупроводника его сопротивление уменьшается (увеличивается число свободных носителей зарядов). Входной величиной такого датчика является изменение температуры Т, а выходной – изменение сопротивления датчика

R. Коэффициент чувствительности термистора определяется

уравнением: K ΔR ΔT .

Термоэлементы (генераторные датчики) могут изготавливаться как из металлов, так и из полупроводников. В основе действия металлических термоэлементов лежит различие концентраций электронов в металлах. При контакте (сварке, спайке) двух разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U.

При нагревании места соединения металлов разность потенциалов между проводниками будет повышаться. Величина такой термо-ЭДС является постоянной для данной пары металлов и конкретной разности температур. Металлические термоэлементы – термопары – обладают невысокой чувствительностью и обычно используются при измерении высоких температур (до 1500 С). Применяют медноконстантановые, никель-нихромовые и другие термопары.

В полупроводниковых термоэлементах используют явления увеличения концентрации основных носителей зарядов в нагретом участке и их перемещение к холодному концу, в

175

результате чего возникает разность потенциалов между нагретым и холодным концами полупроводника.

Термо-ЭДС у полупроводниковых термоэлементов примерно в 100 раз больше, чем у металлических термопар (около 0,1В при Т=100K). КПД также выше: 8% против 0,1%.

Термисторы широко применяются в медицинской практике. Они являются основной частью электротермометра. Основными его достоинствами является малая тепловая инерция и высокая чувствительность при малом объеме рабочего тела. Это позволяет производить измерения быстро и в любых местах поверхности тела, а также в глубине тканей. В этом случае термистор помещают в инъекционную иглу, которая вкалывается в глубину ткани. Электротермометры используются также для непрерывного измерения температуры тела при хирургических операциях, проводимых в условиях гипотермии.

Рисунок 74. Температурные датчики

Характеристики термисторных датчиков: а) линейность зависимости R от Т; б) время реакции;

176

Рисунок 75. Датчики частоты дыхания

в) стабильность параметров.

Рассмотрим несколько конкретных конструкций температурных датчиков.

Корпус датчика для измерения температуры поверхности тела может быть похож на шариковую авторучку, но вместо шарика на рабочем конце имеется термистор, выводы которого идут внутри полого корпуса (простой и надежный).

Термистор датчика может крепиться в латунном корпусе. Датчик для измерения ректальной температуры

изготавливается в виде пластмассового катетера, на конце которого под металлическим колпачком расположен чувствительный элемент (проволочный терморезистор, термистор или термоэлемент).

6. Датчики параметров системы дыхания.

При обследовании системы дыхания врача интересуют как количественные характеристики − частота дыхания, объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, − так и качественные характеристики: содержание газов в выдыхаемом воздухе, насыщение крови кислородом.

Рассмотрим резистивный датчик частоты дыхания. Состоит из резиновой эластичной трубки,

наполненной угольным порошком, в торцах трубки вставлены электроды.

Кконцам трубки крепится

опоясывающий грудную клетку ремень. При вдохе резиновая трубка растягивается, контакт между частичками угля ухудшается, сопротивление цепи меняется, и ток изменяется, по изменению тока судят о частоте дыхания.

В другом резистивном датчике используется токопроводящая резина. Растяжение резины при вдохе приводит к увеличению сопротивления, которое преобразуется в импульсы тока.

177

Пневматический датчик частоты дыхания представляет собой

		гофрированную трубку из резины,
		герметично закрытую с торцов. При
		растяжении		объем		трубки
		увеличивается		и давление воздуха
		внутри падает. Изменение давления
		внутри фиксирует датчик. Описанные
		выше	пневматические			датчики
		изображены на рисунке 75.
		Объем вдыхаемого и выдыхаемого
		воздуха	позволяет			определять
	Рисунок 76. Датчик
		турбинный датчик (см. рисунок 77). Он
	концентрации
		представляет собой полый цилиндр,
	оксигемоглобина в крови
		изготовленный		из	оргстекла		с

фланцами для крепления к дыхательной маске и к трубке подачи газовой смеси.

Газовому потоку с помощью направляющих придается

	вращательное движение. На пути газового
	потока расположена на оси плоская
	пластинка. К торцам пластинки крепятся
	отражательные		плоскости.			Движение
	газовой струи вызывает вращение пластики
	со скоростью, пропорциональной скорости
	движения этой струи. Число оборотов
	фиксируется фотодатчиком. На выходе
	преобразователя			мы	будем		иметь
	последовательность				электрических
								Рисунок 77. Датчик
	импульсов, частота			следования			которых
								объѐма воздуха
	будет	пропорциональна				количеству
	прошедшей через датчик газовой смеси.
	Контроль		эффективности			дыхания можно осуществлять

путем фотометрического измерения процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови.

Метод измерения основан на отличии спектральных характеристик поглощения света восстановительным гемоглобином − Нв и оксигемоглобином НвО2. Для = 620-680

178

нм коэффициент поглощения для Нв в несколько раз выше, чем НвО2, что может быть использовано.

Датчик для такого измерения выполнен в виде клипсы и надевается на мочку уха таким образом, чтобы с одной стороны ее располагался осветитель − лампочка со светофильтром для получения монохроматического света, а с другой стороны – фотосопротивление (см. рисунок 76). Изменение светового потока может быть вызвано изменением степени поглощения света за счет изменения толщины ткани, вариаций еѐ кровенаполнения и содержания оксигемоглобина в крови. Вводя в измерительную систему соответствующую компенсацию на толщину ткани, можно фиксировать процентное содержание оксигемоглобина в крови.

7. Датчики параметров сердечно-сосудистой системы

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются такие характеристики: частота сокращений сердечной мышцы, давление, тоны, шумы сердца, импеданс тканей и др.

Рисунок 78. Пьезоэлектрические датчики

Для регистрации частоты периодического пульса получили распространение пьезоэлектрические преобразователи, использующие пьезоэффект.

Пьезоэффект состоит в возникновении электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях некоторых кристаллических тел при их механических деформациях (растяжении, сжатии, изгибе) (кварц, турмалин,

сегнетова соль).

Датчики, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта, относятся к числу активных биоуправляемых датчиков.

179

Конструктивно они обычно выполняются в виде таблеток. Внутри корпуса расположен пьезоэлемент, работающий на

сжатие или изгиб (см. рисунок 78).
Для исследования токов и
шумов сердца	и	записи
фонокардиограмм применяют
электродинамические		и
пьезоэлектрические
микрофоны	(активные
генераторные датчики).
Принцип	работы:
акустические	колебания
				Рисунок 79. Индуктивный и
воздействуют на	эластичную
				емкостной датчики
мембрану, которая по		своей

окружности крепится к корпусу микрофона. На жестком основании цилиндра, закрепленном в центре мембраны, крепятся витки провода катушки. Под действием звуковых волн катушка движется в сильном магнитном поле, образованном кольцевым магнитным сердечником. В результате такого движения в катушке индуцируется ЭДС звуковой частоты.

Электродинамические микрофоны постепенно вытесняются пьезоэлектрическими.

К корпусу крепится упругая мембрана. Колебания мембраны через недеформирующуюся стойку передаются к пьезоэлементу.

В настоящее время для измерения абсолютного давления широко используются емкостные и индуктивные датчики (см. рисунок 79).

Индуктивный датчик содержит:

1.Кольцо.

2.Внутри в эластичной основе расположена катушка индуктивности.

3.Одна поверхность кольца имеет отверстие, в котором помещается сердечник.

Если такой датчик прижать к стенке кровеносного сосуда или глаза так, чтобы стенка полости, соприкасающаяся с датчиком, стала плоской, и сердечник всей плоскостью прилегал к этой стенке, то датчик будет воспринимать давление внутри полости.

180