Медицинская электроника

По закону Ома: I_BX = Е / ( R_э-к + R_вх) .

Тогда: U_вх = I_вх • R_вх = E • R_вх / (R_э-к + R_вх).

Из последней формулы видно, что если R_э-к → 0, то U_вх → Е.

Для сухой кожи человека R_э-к = 100 кОм.

Существует несколько способов уменьшения сопротивления «электрод- кожа»:

• подбор материала электрода. При этом используют благородные металлы: золото, платину, серебро и т.д., которые плохо окисляются. Окислы металлов являются диэлектриками. Поэтому электроды из хорошо окисляющихся металлов стараются не использовать.
• использование специальных прокладок между электродами и кожей, смоченных токопроводящими пастами или шампунями;
• увеличение поверхности электродов. При этом так как R = ρ • l/s, где ρ - удельное сопротивление, l - длина электрода, s - площадь соприкосновения с кожей, то при увеличении площади соприкосновения R будет уменьшаться.

Однако следует отметить, что  увеличение площади электродов ведёт  к ухудшению помехозащищенности электродов и к снижению их информативности, так как увеличивается площадь, с которой снимается электрический сигнал.

2. Электроды должны иметь минимальные размеры, так как в противном случае они будут ухудшать информативность сигнала и его помехозащищённость.
3. Отсутствие поляризации электродов. Поляризация в этом случае - возникновение разности потенциалов между электродом и электролитом. Лучшими в этом случае являются неполяризующиеся (Ag + AgCl) электроды.
4. Низкая стоимость электродов.
5. Возможность быстрой фиксации и съёма.

Классификация электродов:

1. Электроды для кратковременного применения. Эти электроды используются в кабинетах функциональной диагностики:

а) плоский электрод: эти электроды предназначены для отведения биоэлектрических сигналов с поверхности кожи и требуют её предварительной обработки физиологическим раствором или токопроводящим шампунем. Конструктивно такие электроды выполняются в виде металлических пластин, поверхность которых покрыта тонким слоем золота или хлористого серебра.

б) электрод-присоска: конструктивно этот электрод снабжён резиновым баллончиком, который даёт возможность просто и достаточно надёжно крепить собственно электрод в нужном месте грудной клетки. Однако такой электрод нельзя использовать для длительной регистрации из-за недостаточной герметичности, потери присасывающей силы резинового баллончика и возможных кровоизлияний в кожу и подкожную клетчатку.

в) пищеводный электрод: конструктивно данный электрод выполняется в виде оливы на конце резинового или пластмассового катетера. Такие электроды могут иметь различный диаметр.

г) инъекционный (коаксиальный) электрод: конструктивно такие электроды выполняются из тонкой платиновой проволочки, внедрённой в инъекционную иглу. Они просты в применении и не раздражают кожу. Однако их использование связано с нарушением кожного покрова и возможностью проникновения инфекции в канал электрода, хотя практически инфицирование происходит крайне редко.

2). Электроды для длительного применения (монитроды). Эти электроды применяются в специализированных отделениях: палатах реанимации, палатах реабилитации и т.д.:

а) чашеобразный электрод:

Схема чашеобразного  электрода

1 – корпус; 2 – сетка из хлористого  серебра; 3 – плёнка на клеевой  пластине; 4 – электродная паста

б) игольчатый электрод: конструктивно данный электрод выполнен в виде иглы щ платины длиной порядка 10 мм, которая вводится ноя кожу пациента. Хороший электрический контакт достигается за счёт того, что лимфа и кровь являются хорошими проводниками электрического тока.

Схема игольчатого  электрода

1 – электрод; 2 – кожа.

в) винтовой электрод: конструктивно такой электрод изготавливается из стали высоких сортов, и располагается в инъекционной игле. После прокола игла вынимается. оставляя электрод под кожей.

Схема винтового  электрода

1 – инъекционная игла; 2 – электрод  из нержавеющей стали.

г) электрод из стеклообразного  углерода: Конструктивно электрод выполнен в виде катушки высотой 5 мм с диаметром щёчек 4 мм и диаметром осевого цилиндра 2,5 мм. Материал имеет высокую электропроводность и химически более инертен, чем другие известные формы углерода.

 

Схема электрода  из стеклообразного углерода

д) электрод из токопроводящей эмульсии: конструктивно такой электрод получают следующим образом: при помощи инъекционной иглы под кожу вводится токопроводящая эмульсия, где она застывает. Для получения электрического контакта на поверхность кожи накладывают серебряную пластинку.

Схема электрода  из проводящей эмульсии

1 – кожа; 2 – серебряная пластинка; 3 – токопроводящая паста.

3).Электроды для экстренного применения. Эти электроды применяются в условиях неотложной терапии, скорой помощи:

а) многоточечный электрод: конструктивно такой электрод является модификацией плоского овального электрода, к нижней поверхности которого прикрепляются несколько небольших игл. Высота игл примерно равна толщине верхних слоев эпителия. Электроды такого пни имеют небольшое переходное сопротивление. Наложение такого электрода сопровождается раздражением кожи, что ведёт к значительному увеличению кровотока в коже, что в свою очередь способствует еще большему снижению переходного сопротивления.

Схема многоточечного электрода.

1 – кожа; 2 – электрод.

б) электрод-присоска: это тот же электрод, который используется и для кратковременного применения.

4)Электроды для динамического  наблюдения. Эти электроды используются в условиях физических нагрузок в палатах реабилитации, в спортивной медицине. Данные электроды представляют собой те же самые монитроды, которые крепятся в тех местах организма человека, где отсутствуют мышцы.

 

11. Низкое  переходное сопротивление «электрод-кожа». Для сухой кожи это сопротивление составляет порядка 100 КОм. Покажем, что при уменьшении данного сопротивления увеличивается сигнал, который подаётся на усилитель биопотенциалов. С этой целью рассмотрим эквивалентную схему входной цепи диагностического прибора:

Эквивалентная схема входной цепи диагностического прибора.

Е - ЭДС источника биопотенциалов; R_э-к - переходное сопротивление «электрод-кожа»; R_вх - входное сопротивление усилителя биопотенциалов; I_ВХ - величина входного тока, обусловленного напряжением входного сигнала E; U_вх - величина входного напряжения УБП.

По закону Ома: I_BX = Е / ( R_э-к + R_вх) .

Тогда: U_вх = I_вх • R_вх = E • R_вх / (R_э-к + R_вх).

Из последней формулы видно, что если R_э-к → 0, то U_вх → Е.

Для сухой кожи человека R_э-к = 100 кОм.

Существует несколько способов уменьшения сопротивления «электрод- кожа»:

• подбор материала электрода. При этом используют благородные металлы: золото, платину, серебро и т.д., которые плохо окисляются. Окислы металлов являются диэлектриками. Поэтому электроды из хорошо окисляющихся металлов стараются не использовать.
• использование специальных прокладок между электродами и кожей, смоченных токопроводящими пастами или шампунями;
• увеличение поверхности электродов. При этом так как R = ρ • l/s, где ρ - удельное сопротивление, l - длина электрода, s - площадь соприкосновения с кожей, то при увеличении площади соприкосновения R будет уменьшаться.

Однако следует отметить, что  увеличение площади электродов ведёт  к ухудшению помехозащищенности электродов и к снижению их информативности, так как увеличивается площадь, с которой снимается электрический сигнал.

 

12. Датчики медико-биологической информации

Многие медицинские параметры  являются неэлектрическими, поэтому  их нельзя снять с помощью электродов. Тем не менее, эти параметры необходимо регистрировать и обрабатывать с  целью диагностики и лечения. Для этих целей служат датчики  медико-биологической информации.

Датчики - специальные устройства, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические на уровне, необходимом для регистрации. В общем случае датчик состоит из воспринимающего элемента и преобразователя.

Схема датчика

ЧЭ – чувствительный элемент; ПС – преобразователь сигнала.

 

Классификация датчиков

Датчики
Техническая классификация: (по техническому принципу преобразования параметра в электрический сигнал)	Генераторные (активные) Изменение регистрируемого сигнала приводит к возникновению или изменению ЭДС (не требуют внешнего источника питания).	Параметрические(пассивные) Изменение регистрируемого сигнала приводит к изменению параметров (требуют внешнего источника питания).	Энергетические (активные и пассивные) Они сами активно воздействуют на органы и ткани. Эти датчики создают не- модулированный энергетический поток в организме, который модулируется измеряемым параметром.
Физическая классификация: (какой физический закон лежит в основе преобразования)	Термоэлектрический. Пьезоэлектрический. Индукционный.	Термисторный. Емкостной. Тензорезисторный. Индуктивный.	1.Фотоэлектрический. 2. Ультразвуковой.
Медицинская классификация (по применению датчика)	Датчики температуры тела. Датчики параметров системы дыхания. Датчики параметров системы кровообращения. Датчики параметров системы тканевого обмена.

 

13. Основные метрологические характеристики датчиков и методы их определения.

1. Чувствительность датчика - отношение  изменения выходного электрического сигнала к вызвавшему его изменению входного параметра, измеряемою датчиком

g =  ∆y / ∆x

где ∆y - соответствующее изменение выходного электрического сигнала, ∆x - изменение входного неэлектрического сигнала.

Схема определения  чувствительности датчика

Чувствительность датчика определяется по амплитудной характеристике датчика. Амплитудная характеристика датчика - зависимость величины выходного сигнала электрического от величины входного неэлектрического сигнала.

Чувствительность, как метрологическая  характеристика датчика, определяется на линейном участке амплитудной характеристики.

Амплитудная характеристика датчика

АВ – линейный участок характеристики

2.Динамический диапазон - диапазон  изменения входной величины, в  котором она воспроизводится  в электрический сигнал без  искажений.

m = x_max / x_min

m ≥ 10 -наиболее распространенный динамический диапазон для датчика.

3.Линейность датчика. Чем длиннее прямолинейный участок характеристики, тем больше линейность датчика.

4.Время реакции датчика (τ) - минимальный  промежуток времени, в течение которого происходит установление выходной величины, при скачкообразном изменении входной величины.

'Гак как в медицинских приборах  допустимы 30% искажения, то на  практике под временем реакции датчика понимается промежуток времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,67Y_уст при скачкообразном изменении входного сигнала.

τ = Т (При У = 0,67Y_уст) - время реакции датчика.

 

Зная время реакции датчика, можно определить его частотный  диапазон:

f_нижн = 0; f_верхн = 1/τ

 

 

 

 

 

 

 

Принцип определения  времени реакция датчика.

5.Коэффициент нелинейных искажений

Коэффициент нелинейных искажений  определяется по амплитудной характеристике датчика.

К_н.и. = (Y_ном – Y_реал) / Y_ном · 100%

6.Стабильность датчика - неизменность  выходной величины при неизменности входной величины.

X = const → Y = const

7.Погрешность датчика (∆). Датчик  искажает информацию Величина  погрешности датчика зависит от: старения датчика (δ₁), влияния окружающей среды (δ₂), погрешности измерительною прибора (δ₃) нестабильности источника питания (δ₄) и т.д.

∆ = δ₁ + δ₂ + δ₃ + δ₄.... + δ_n

 

14. Физические принципы работы термисторных, термоэлектрических, пьезоэлектрических, тензорезисторных, индуктивных, емкостных и индукционных датчиков.

Термисторные датчики

Применяются для измерения температуры  человеческого тела. В качестве датчиков применяются проволочные и полупроводниковые  терморезисторы. В основу работы терморезисторов  положена зависимость их сопротивления  от температуры. Эта зависимость  характеризуется величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). При положительном ТКС с возрастанием температуры возрастает сопротивление, при отрицательном ТКС зависимость обратная.

Для полупроводникового резистора (термистора):