Общие характеристики электромедицинской аппаратуры

Общие характеристики электромедицинской аппаратуры. Обобщённая схема регистрации и передачи медицинских данных. Датчики, усилители и регистрирующие приборы, их виды и характеристики.

Медицинский аппарат - техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства. Аппаратура обеспечивает в той или иной степени самостоятельный, автоматизированный процесс взаимодействия с пациентом. Медицинский инструмент действует на пациента в сочетании с рукой человека, являясь как бы ее продолжением. Медицинское оборудование - вспомогательные устройства для обслуживания пациента и обеспечения медицинского технологического (диагностического и лечебного) процесса.

В процессе функционирования аппаратуры она оказывается определенным образом связанной с пациентом. При этом в системе аппаратура-пациент устанавливается движение энергии от аппаратуры к пациенту или наоборот. В зависимости от направления потока энергии всю электромедицинскую аппаратуру можно разделить на две части: аппаратуру воздействующую и аппаратуру воспринимающую.

В то же время электромедицинская аппаратура по функциональному признаку, т.е. в зависимости от целей, для которых она используется, разделена на терапевтическую и диагностическую. Изделия терапевтической аппаратуры принято называть аппаратами, изделия диагностической аппаратуры - приборами.

Терапевтические аппараты воздействуют на пациента с целью вызвать желаемые сдвиги в его организме - перестройку патологического процесса в сторону нормализации. Хирургические аппараты, являющиеся частью терапевтических, предназначены для осуществления радикальных изменений в структуре органов и тканей. Таким образом, терапевтические аппараты являются воздействующими.

Медицинским прибором принято считать техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений (медицинский термометр, сфигмоманометр, электрокардиограф и др.)

Диагностические приборы предназначены для исследования характеристик живого организма с тем, чтобы установить возможные отклонения от нормы и вызвавшие их причины. Диагностические приборы могут быть как воздействующими, так и воспринимающими.

Воздействующие диагностические приборы дают необходимую информацию по реакции пациента на определенное воздействие (например, диагностические электростимуляторы) либо по внесенному телом пациента возмущению в поток энергии (рентгеновское просвечивание, ультразвуковая эхография и т.п.). При диагностике воздействующими приборами стремятся, как правило, снизить до минимально возможного уровня энергию воздействия, чтобы исключить побочные вредные для организма эффекты. Предел такому снижению кладет чувствительность организма к воздействию либо чувствительность метода регистрации внесенных возмущений.

Воспринимающие диагностические приборы дают информацию о различных процессах в организме - генерируемых тканями и органами биопотенциалах, звуковых тонах сердца, температуре тела и др. Воспринимающие диагностические приборы аналогично любым другим измерительным приборам должны оказывать минимальное влияние на исследуемый процесс и передавать информацию с наименьшими искажениями.

Воздействующие терапевтические аппараты и диагностические приборы в зависимости от формы, в которой используется энергия, направленная на пациента, делятся на воздействующие электрической энергией и воздействующие механической энергией (по сложившейся терминологии многие диагностические воздействующие приборы принято называть аппаратами, например, рентгеновские, для электродиагностики и др.). Аппаратуру, использующую для воздействия механическую энергию, можно разделить по агрегатному состоянию рабочего тела, т.е. тела, непосредственно соприкасающегося с пациентом. Рабочее тело может быть твердым, жидким или газообразным. Соответственно можно выделить электромедицинские механические, гидравлические и газовые аппараты и приборы. К первым относятся ультразвуковые терапевтические аппараты и диагностические приборы, аудиометры, вибромассажные аппараты и др., ко вторым - аэрозольные аппараты с центробежными и ультразвуковыми распылителями, к третьим - аппараты для искусственной вентиляции легких с электроприводом.

Аппаратура, воздействующая электромагнитной энергией соответственно используемой части спектра электромагнитных колебаний, включает в себя аппараты и приборы низкочастотные, высокочастотные, светооптические, рентгеновские и радиологические.

Дальнейшая классификация дается только для рассмотренных в настоящем курсе терапевтических низкочастотных и высокочастотных аппаратов. Низкочастотные терапевтические аппараты делятся на две группы, в зависимости от формы воздействующей энергии (ток, поле). Среди аппаратов, воздействующих током, можно выделить три группы соответственно виду тока (постоянный, переменный или импульсный). Дальнейшее деление этих аппаратов производится по функциональному признаку и включает в себя названия медицинских методик.

Аппараты, воздействующие низкочастотным полем, делятся в зависимости от рода поля, т.е. используемой составляющей поля индукции (электрическое, магнитное). Следующая ступень классификации определяется видом поля (постоянное, переменное, импульсное). Дальнейшее деление - по медицинским методикам.

Высокочастотные терапевтические аппараты составляют две группы в соответствии с формой используемой энергии (ток, поле). Аппараты, воздействующие полем, делятся на три группы в зависимости от используемой составляющей электромагнитного поля (электрическое, магнитное, электромагнитное). Дальнейшее деление аппаратов, воздействующих как током, так и полем, - в зависимости от режима колебаний (непрерывный, импульсный). Заканчивается классификация высокочастотных терапевтических аппаратов конкретными медицинскими методиками.

Примером низкочастотных приборов являются приборы для электродиагностики, примером высокочастотных -приборы для импедансной плетизмографии.

Классификация диагностических воспринимающих приборов основана на форме энергии, передаваемой от пациента к прибору. При диагностике может восприниматься электрическая, механическая, тепловая, химическая энергия. Электрическая энергия воспринимается в виде биопотенциалов различных тканей и органов (сердца, мышц, мозга, желудка и др.). Механическая энергия передается от организма к прибору в виде акустических тонов сердца (фонокардиография), незначительных движений всего тела в результате толчков крови в сердце и крупных сосудах (баллистокардиография), перемещений участков тела в результате сокращения желудка, матки (гистерография) и т.д. Тепловая энергия тела воспринимается при измерении температуры контактным (электрические термометры) или бесконтактным (термография) методом, использующим инфракрасное излучение тела. Химическая энергия используется при измерении концентрации кислорода, водорода в крови с помощью контактных электродов.

В связи с развитием электронных устройств широкое распространение получил диагностический метод, основанный на записи биопотенциалов, возникающих в живом организме и отражающих функциональное состояние различных органов и систем:

Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное состояние органов и тканей в норме и патологии, регистрация их с последующим анализом является важным примером при физиологических исследованиях и диагностики заболеваний.

В данное время применяется регистрация биопотенциалов многих органов и систем: 1. Сердца – ЭКГ

2. Головного мозга - ЭЭГ ( электроэнцефалография ) 3. Нервных стволов и мышц - ЭМГ (электромиография ) 4. Сетчатки глаз - ЭРГ (электроретинография ) 5. Кожных потенциалов - ХРГ (кожное - гальваническое реакция ) 6. электрогастрография (ЭГГ), 7. реография, 8. плетизмография и др.

Рассмотрим принципиальное устройство соответствующих приборов на примере электрокардиографов.Приборы, которые регистрируют ЭКГ, называются элект­рокардиографами. В настоящее время применяют электронно-усилительные приборы, принципиальная схема которых слагается из четырех частей: входного устройства, усилителя, регистрирующего устройства и блока питания.

Входное устройство снимает биопотенциалы с поверхности тела человека и подает их на усилитель. Устройство состоит из электродов, кабеля отведения и переключателя. Кабель отведения представлен набором маркированных проводов (цветовая маркировка). Каждый провод имеет конкретное назначение. Электроды изготавливаются обычно из металла и имеют гнезда для подключения проводов кабеля. Электроды, располагаемые на конечностях, представляют собой прямоугольные пластинки размером 6X2,5 см, на грудной клетке располагаются круглые электроды диаметром 15 мм. Первые фиксируют на конечностях посредством резиновых лент, вторые снабжены присасывающим приспособлением. Предварительно кожу в местах наложения электродов обезжиривают, чтобы снизить электрическое сопротивление. Под электроды помещают прокладки из байки или марли, смоченные теплым изотоническим раствором хлорида натрия.

Распространение меняющегося потенциала мембран сердца связано с распространением потенциала действия, выраженного в изменении электрического поля вокруг сердца. Это поле может быть зафиксировано с помощью электродов, приложенных к различным точкам поверхности тела. Посредством записи изменений электрических сигналов во времени можно получить представление о работе сердца и установить наличие болезни или нарушения в его деятельности. Эта техника называется электрокардиографией.

Электрокардиография основывается на теории Эйнтховена, позволяющей судить косвенно о биопотенциалах сердца, путем измерение потенциалов в определенных точках на поверхности тела человека.

Запись ЭКГ осуществляется при усилении аппарата 1 мВ = 10 мм. Чаще всего применяемая скорость движения бумаги 50 мм/с. Во время работы электрокардиограф и металлическая кровать или сетка, на которой лежит пациент, должны быть заземлены. Исследование проводят в теплом помещении во избежание дрожи больного, после 10-15-минутного отдыха, не ранее чем через 2 ч после приема пищи. Во время исследования пациент лежит на спине с вытянутыми вдоль туловища руками, расслабив мускулатуру, в удобной, свободной позе

Датчик - (преобразователь медицинской информации) - устройство съема информации, реагирующий своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющий преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т.д.

Тип и конструкция датчика зависят от вида необходимого преобразования, то есть определяются конкретными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика.

Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, давление, частота колебаний), физические (температура, освещенность, влажность), химические (концентрация, вещества, состав), непосредственно физиологические (наполнение ткани кровью).

Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, ионное сопротивление (импеданс), частота (или фаза) переменного тока или импульсных сигналов.

Датчики медико-биологической информации можно разделить на

две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).

В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, то есть под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы.

Пассивные датчики под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие от активных (генераторных) датчиков, пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.

Энергетические датчики в отличие от биоуправляемых активно воздействуют на органы и ткани. Они создают в исследуемом органе так называемый немодулированный энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра. Энергетические информационные преобразователи нуждаются в источнике дополнительной энергии для воздействия на объект и создания немодулированного энергетического потока. Из датчиков такого типа можно указать, к примеру, фотоэлектрические и ультразвуковые.

Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:

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

2) динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех;

3) погрешность - максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами;

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

Причинами погрешностей могут быть:

1) температурная зависимость функции преобразования;

2) гистерезис - запаздывание y от x даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике;

3) непостоянство функции преобразования во времени;

4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний;

5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками