Медицинская электроника

R = R₀ (1 – αt⁰)

Тогда по закону Ома: I = U/R

Из приведенных формул следует, что изменение температуры среды, в которую помешается датчик, приводит к изменению сопротивления датчика. Это изменение сопротивления, которое прямо пропорционально изменению температуры. с помощью внешнего источника питания с напряжением I преобразуется в соответствующее изменение величины электрического тока. Таким образом, данный датчик является параметрическим (пассивным).

Термоэлектрические датчики

В основе работы лежит принцип возникновения  термоэлектродвижущей силы между двумя  спаями разнородных металлов, если они находятся при различных температурах. Такое соединение носит название термопара. Например, железо и константан.

ε = α(Т₂ – Т₁)

Таким обрезом, данный датчик сам генерирует электрический сигнал, который прямо пропорционален изменению температуры. Поэтому данный датчик является генераторным (активным).

Пьезоэлектрические датчики

В основе принципа работы датчика  лежит явление прямого пьезоэлектрического эффекта, состоящего в возникновении электрических зарядов разных знаков на поверхности кристалла при его механической деформации. Обратный пьезоэлектрический эффект возникновение деформации тела при изменении разности потенциалов между его поверхностями. Таким свойством обладают кварц, турмалин (природные материалы) и синтетические - титанат бария, сегнетова соль.

ε_р = φ(δ)

где δ - механическое напряжение.

Таким образом, данный датчик также  является генераторным (активным).

Тензорезисторные датчики

В основе их работы лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление вследствие их механической деформации. Датчики бывают проволочные. полупроводниковые. При изменении их размеров, например длины L, под действием внешней силы F меняется величина их сопротивления R = f(L)

Таким образом. при изменении величины силы, прямо пропорционально изменяется и сопротивление проводника. По закону Ома это изменение сопротивления может быть преобразовано в соответствующий электрический сигнал (величину электрического тока). Данный датчик также является параметрическим (пассивным), так как требует внешнего источника питания.

Емкостные датчики

Принцип работы такого датчика заключается  в изменении его емкости при  воздействия внешней силы. Конструктивно  их выполняют в виде конденсатора. При изменении расстояния между  обкладками конденсатора меняется его  ёмкость. Если включить такой датчик я цепь переменного тою. то изменение  емкости приведет к изменению и емкостного сопротивления Х_с = 1/(ωС) • где ω - циклическая частота. С - электроёмкость.

По закону Ома для цепи переменного  тока это изменение емкостного со- противления может быть преобразовано  в величину переменного тока: ~I=~U/X_C

Данный датчик также является пассивным.

Индуктивные датчики

Датчики индуктивного типа преобразовывают  изменение перемещения или давления в изменение индуктивности. Изменение  индуктивности приведет к изменению  индуктивного сопротивления: Х_L = ωL

По закону Ома для цени переменною тока это изменение индуктивного сопротивления может быть преобразовано  в величину переменного тока: ~I=~U/X_L

Данный датчик является пассивным.

Индукционные датчики

Принцип действия таких датчиков основан  на явлении электромагнитной индукции Конструктивно такие датчики  представляют катушку с намагниченным ферромагнитным сердечником. При перемещении сердечника внутри катушки (или катушки относительно сердечника) в ней генерируется ЭДС. пропорциональная скорости изменения магнитного потока: ЭДС = - ∆Ф / ∆t

Из данной формулы следует, что  индукционный датчик является активным (генераторным).

 

15. Устройство и принцип действия датчиков температуры (термисторный и термоэлектрический датчики). Их преимущества и недостатки. Температурный коэффициент сопротивления термисторных датчиков.

Для регистрации температуры биологических  объектов используются датчики термоэлектрических и термисторных систем. Существуют датчики температуры ядра (сердцевинные) и температуры кожи (поверхностные). У датчиков температуры ядра более достоверные показания, а показания датчиков температуры кожи зависят от многих условий окружающей среды (влажности, одежды, волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т.д.).

Для измерения температуры тела человека применяются пассивные  датчики (терморезисторы) и активные датчики (термопары).

Обычно, датчик на основе термосопротивления включается в цепь в соответствии с рисунком, приведенным ниже.

Е - источник питания;

R₁, R₂, R₃, R₄ - измерительный мост;

G - гальванометр;

R₄ - резистор балансировки моста;

R₂- термосопротивление.

                                 

Схема термисторного  датчика.

Мост сбалансирован при условии  равенства сопротивлений R₁ и R₃. R₄ и R₂ соответственно. В этом случае электрический ток через гальванометр не протекает. При изменении температуры нарушается балансировка моста и через гальванометр (G) протекает ток Y_G, пропорциональный величине температуры. Прибор можно проградуировать в градусах, и отсчет будет производиться непосредственно в градусах.

1 - железо,

2 – константан

 

 

 

Схема термоэлектрического  датчика.

Величина ЭДС термопары (Е) может  быть определена согласно выражению:

E = λ(t₂ – t₁)

где λ - удельная ЭДС, t₁ и t₂ - температуры сред, где находятся термопары.

Если собрать электрическую  цепь согласно рисунку, то в цепи потечет  электрический ток, прямо пропорциональный разности температур.

Термисторные датчики - дешевые, имеют  малое время реакции (5 - 50 с), но обладают значительной нелинейностью.

Термоэлектрические датчики - дорогие, имеют малое время реакции  и большой динамический диапазон, высокую линейность.

 

 

16. Устройство и принцип действия датчиков параметров сердечно-сосудистой системы (пьезодатчик, микрофонный датчик, датчик для измерения давления в периферических артериях, датчик для прямого измерения давления крови).

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются такие характеристики, как пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, импеданс ткани, различные показатели циркуляции крови и другие.

Для регистрации частоты периферического  пульса получили распространение пьезоэлектрические и электродинамические датчики.

а) Пьезоэлектрический датчик артериального  пульса. Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях некоторых кристаллических тел (пьезоэлектриков) при их механических деформациях (растяжении, сжатии, изгибе и т.д.).

Схема пьезоэлектрического  датчика.

При деформации в элементе возникает  прямой пьезоэлектрический эффект - на противоположных поверхностях кристалла  из гита нага бария появляется разность потенциалов, причем частота изменения  этой ЭДС совпадает с частотой пульса.

б) Микрофонный датчик. Этот датчик является тоже генераторным и часто используется для определения частоты пульса, тонов и шумов сердца.

Схема микрофонного датчика.

Устройство и принцип  действия датчиков - параметров сердечно-сосудистой системы (датчик для измерения давления в периферических артериях; датчик для прямого измерения давления крови)

Различают датчики непосредственного  и косвенного измерения артериального давления.

Косвенный метод: метод измерения  артериального давления в периферических артериях.

Рассмотрим принцип этого метода на примере измерения давления на пальце руки с применением фотодатчика  кровенаполнения. Манжета для пережима сосудов пальца располагается в  области проксимальной фаланги  пальца, а фотодатчик - на ногтевой фаланге. Мри отсутствии давления в сдавливающей манжете автоматически регистрируется амплитуда пульсового сигнала, снимаемого с фотодатчика, и величина его запоминается. В процессе измерения давление в манжете повышается до какой-то величины P_m (момент времени t₁), заведомо больше, чем систолическое давление крови. Затем давление в манжете начинает линейно уменьшаться. Величина давления, при которой появляется первый импульс с фотодатчика (момент времени t₂), соответствует систолическому давлению Р_с. По мере дальнейшего снижения давления в манжете амплитуда импульсов с фотодатчика растёт и в момент времени t₃ достигает своего максимального значения.

Схема датчика  для измерения давления крови  в периферической артерии, питающей фалангу пальца.

 

Величина давления в манжете  в момент времени t₃ характеризует диастолическое давление P_d. Датчик является энергетическим, так как световой поток, попадающий на фотоприёмник датчика, модулируется давлением крови в периферической артерии.

Датчик для прямого  измерения давления крови

Датчик имеет форму катетера с чувствительной мембраной на конце. Внутри катетера расположены два  световода. По одному из них свет от лампочки попадает на мембрану, а по другому световоду отражённый свет попадает на фотоприёмник. При измерении давления, приложенного к мембране, величина отраженного светового потока меняется, что и фиксируется с помощью фотоприёмника, в качестве которого используются либо фотосопротивление, либо фотоэлемент. При этом датчик вводится непосредственно в кровеносный сосуд.

Диапазон измерения давления: от - 50 до + 200 mm Hg. Датчик является энергетическим, так как величина отражённого светового потока модулируется приложенным к мембране давлением крови.

Схема датчика  для прямого измерения давления крови

 

17.Устройство  и принцип действия датчиков  параметров системы дыхания (контактный  датчик, датчик из углеродистой  резины, турбинный датчик, датчик  оксигемографа).

Существует целая группа датчиков, предназначенных для анализа  параметров системы дыхания. Они отличаются как конструктивно, так и по форме преобразования регистрируемого параметра в электрический сигнал. Такими измерительными системами оцениваются: частота дыхания, величина дыхательного объема, минутный объем дыхания (МОД), оксигенация крови и т.д.

Контактный датчик. Данный датчик применяется для фиксации моментов периодически повторяющихся движений грудной клетки.

1, 2 – электрические контакты;

3 – резиновая лента.

 

 

Схема контактного  датчика

Конструктивно датчик выполнен из резиновой  ленты 3 с двумя контактами 1 и 2, которые  замыкаются при вдохе и размыкаются  при выдохе. Недостатком измерительной  системы с таким датчиком является невозможность записи дыхательной кривой. Данный датчик является пассивным, так как требует внешнего источника питания.

Датчик из углеродистой резины

Этот датчик относится к параметрическим. Активная часть датчика выполнена из резины на основе углерода.

1 – углеродистая резина

 

 

 

 

Схема датчика  из углеродистой резины

При изменении длины датчика  изменяется его сопротивление, так  как сопротивление датчика определятся длиной датчика и площадью cix> поперечного сечения. При приложении к резине разности потенциалов по ней протекает ток, изменяющийся в такт изменения сопротивления, а, следовательно, с частотой вдоха и выдоха.

Турбинный датчик Датчик применяется для определения объема вдыхаемого или выдыхаемого воздуха. Датчик состоит из дыхательной маски 3, в которой расположена турбина 4 с зеркальными накладками на лопастях. Свет от источника 1 попадает на зеркала и, отражаясь, регистрируется фотоприёмником 2. Полученные импульсы фототока пропорциональны частоте вращения турбины. Зная частоту и количество импульсов можно определить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Схема турбинного датчика

Турбинный датчик является также энергетическим, так как отражённый световой поток  модулируется объёмом вдыхаемого или  выдыхаемого воздуха.

Датчик оксигемографа

Датчик позволяет регистрировать насыщенность крови оксигемоглобином.

 

1 - светофильтр для получения

монохроматического света;

2 - ткань;

3 - фотосопротивление;

4 - источник света.

 

 

 

 

Схема датчика  оксигемографа.

По ткани 2 протекает поток крови, и, в зависимости от се насыщенности оксигемоглобином, изменяется ослабление величины светового потока, а это  определяет величину сопротивления  фоторезистора 3. Чем больше в крови  оксигемоглобина, тем меньше поглощение света кровью и больше величина фототока в цепи фоторезистора, т.к. меньше величина сопротивления. Таким образом, данный датчик также является энергетическим.

 

18.Датчики  тканевого обмена веществ (катионочувствительный  и микроспектро-фотометрический  датчики).

Катионочувствительный датчик

Для анализа процессов в тканях его вводят внутриклеточно. Оценка процессов в тканях производится путем анализа концентраций ионов Na⁺, К⁺ Mg⁺ и т.д. на клеточном уровне. Микропипетка из стекла вводится в ткань. Диаметр ее около 1 мкм. Она обогащена каким-то щелочным металлом. Измеряется ве личина разности потенциалов между микропипеткой и обычным микроэлектродом. При этом величина регистрируемой разности потенциалов пропорциональна концентрации ионов в клетке. При равенстве концентраций ионов в клетке и микропипетке выходное напряжение равно нулю. Путем подбора микропипеток с различной степенью обогащённости ионами можно определить концентрацию соответствующих ионов внутри клетки.

Микроспектрофотометрическии датчик