Медицинская электроника

Данный датчик позволяет определить патологию на клеточном уровне.

 

1 -  источник света,

2 - волоконно-оптический

 кабель,

3 - микропипетка;

4 - фотоприемник,

5 -  поверхность клетки.

 

 

Схема микроспектрофотометрического датчика

При прохождении света через  оптическую систему 2 фотоприемником 4 регистрируется спектр люминесценции (спектр поглощения). Спектр люминесценции (поглощения) определяется химическим составом вещества, на которое падает при этом световой поток. По виду спектра судят о качественном составе клетки. По интенсивности спектра судят о количестве вещества, содержащегося в данном месте клетки. Датчик является энергетическим.

Достоинством метода является анализ биохимических процессов в тканях на клеточном уровне, что позволяет  получать наиболее достоверную информацию о развитии той или иной патологии.

 

19. Виды физиологических сигналов и их характеристики. Назначение усилителя биоэлектрических сигналов. Основные требования к усилителям.

Различные физиологические сигналы  характеризуются тремя основными  параметрами: амплитудой сигнала, динамическим диапазоном, полосой частот. Под  динамическим диапазоном сигнала понимается отношение максимальной амплитуды  сигнала к его минимальному значению.

Виды физиологических  сигналов и их характеристики.

Физиологический сигнал	Амплитуда сигнала, мВ	Динамический диапазон	Полоса частот, Гц
ЭКГ (электрокардиограмма)	0,3-3	10	0,5-400
ФКГ (фонокардиограмма)	10- 100	10	20 - 800
РГ (реограмма)	1-10	10	0,3-30
ЭМГ (электромиограмма)	0,02-3	150	1-10000
ЭГТ (электрогастрограмма)	0,01-0,4	40	0,02- 0,06
КТР (кожногальваническая реакция)	0,1-2	20	0,01 -10
ЭЭГ (электроэнцефалограмма)	0,002 - 0,1	50	0,3-80
Дельта-ритм	0,01 -0,03	3	0,3-3,5
Тета-ритм	0,02-0,04	2	3,5-8
Альфа-ритм	0,02 - 1,00	5	8-13
Бета-ритм	0,002-0,03	15	13-80

Для последующей обработки снятых с помощью электродов или датчиков физиологических сигналов и их анализа  данные сигналы необходимо усилить  до определённого уровня и не внести в усиленный сигнал искажения. Для  этих целей в медицинских приборах применяются усилители биоэлектрических сигналов.

До недавнего времени электронные  усилители выполнялись на радиолампах. В настоящее время они выполняются на транзисторах и интегральных микросхемах, что позволило значительно сократить их габариты, вес, энергопотребление, повысить их надёжность и улучшить параметры.

Исходя из частотного диапазона, усилители подразделяются на усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

20. Основные метрологические характеристики усилителей. Искажения в усилителях: виды, их происхождение, способы устранения. Временные зависимости с искажениями и без искажений.

К основным метрологическим характеристикам  усилителя относятся: динамический диапазон, коэффициент усиления, рабочий диапазон воспроизводимых частот, входное и выходное сопротивление.

Большинство эти характеристик  усилителя определяется по его амплитудной характеристике - графику зависимости напряжения на выходе усилителя от напряжения на входе при постоянной частоте усиливаемого сигнала.

1. Динамический диапазон усилителя  - диапазон изменения сигнала  на входе усилителя, в котором  он усиливается без амплитудных  (нелинейных искажений). Под искажениями понимается несоответствие формы входного сигнала форме выходного (усиленного) сигнала.

m = U_{вх max} / U_{вх min}

Когда амплитуда напряжения на входе  усилителя выходит за пределы  линейного участка амплитудной характеристики возникают так называемые амплитудные (нелинейные) искажения.

 

AB - линейный участок характеристики

Амплитудная характеристика усилителя

 

2. Коэффициент усиления усилителя:

К_ус = ∆U_вых / ∆U_вх

Коэффициент усиления усилителя, как  его параметр, определяется на середине линейного участка амплитудной характеристики.

Для каждого вида физиологического сигнала коэффициент усиления должен иметь номинальную величину, которая рассчитывается исходя из того, что минимальная величина данного сигнала должна быть усилена до 6 Вольт. Такое напряжение необходимо для работы регистрирующих устройств. Учитывая этот факт, можно вычислить номинальный коэффициент усиления усилителя для данного сигнала: К_ном = 6 В / U_{сигн min}. Например, для ЭКГ номинальный коэффициент усиления будет равен: К_1|Ю| = 6 В/0,3 мВ = 20 ООО.

Для борьбы с амплитудными искажениями  в усилителях предусмотрен методический приём «Калибровка». При этом на вход усилителя медицинского прибора подаётся напряжение I мВ, и регулировкой коэффициента усиления в небольших пределах добиваются определённой амплитуды записи. В случае ЭЭГ на вход усилителя подаётся напряжение 1 мкВ. При уменьшении коэффициента усиления усилителя происходит расширение динамического диапазона усилителя, при увеличении коэффициента усиления - сужение динамического диапазона. Это и позволяет приспособить усиливаемый сигнал пол линейный участок амплитудной характеристики усилителя.

3.Коэффициент нелинейных искажений. При выходе усиливаемого сигнала за пределы линейного участка характеристики (за пределы динамического диапазона) возникают нелинейные (амплитудные) искажения. Для характеристики этих искажений вводится понятие коэффициента нелинейных искажений, который вычисляется по формуле:

К_и.н. = (U_ном - U_вых) / U_ном

где U_ном - то значение выходного напряжения, которое давал бы усилитель при данном напряжении на входе усилителя, если бы амплитудная характеристика усилителя была бы полностью линейной.

4. Рабочий диапазон воспроизводимых  частот усилители - диапазон частот, в котором допустимы 30% частотные искажения.

Оказывается, что коэффициент усиления усилителя зависит не только от амплитуды  входного напряжения, но и от частоты  усиливаемого сигнала. Эта зависимость  выражается частотной характеристикой  усилителя - графиком зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала при постоянном напряжении на входе усилителя: К_ус = f(v) при U_вх = const.

Частотные характеристики усилителя постоянного (А) и усилителя  переменного (Б) тока.

Для определения частотного диапазона  усилителя определяют уровень затухания 3 децибела (0,7 от максимального значения коэффициента усиления) и по точкам пересечения этого уровня с характеристикой определяют граничные частоты: нижнюю - v_н и верхнюю - v_в.

5. Входное и выходное сопротивление  усилителя.

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 Е; U_вх - величина входного напряжения УБП.

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

Тогда: U_вх = I_вх • R_вх = Е• R_вх/( R_э-к + R_вх). Из последней формулы видно, что если R_вх → ∞ то U_вх → Е. Для усилителей R_вх должно быть не менее 100 МОм. Для того чтобы не шунтировать следующие за усилителем блоки диагностического прибора, сопротивление выхода усилителя должно быть примерно равным сопротивлению входа следующего блока диагностического прибора.

 

 

 

21. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Обозначение транзисторов на схемах.

Усилители биологических сигналов на транзисторах структурно состоят  из соединенных в цепочки элементарных звеньев, которые получили название - усилительные каскады. Основой каждого  каскада является усилительный прибор - транзистор.

В основе работы транзистора лежит  свойство р-n - перехода. Эта структура образуется на границе раздела полупроводников с различным типом проводимости. К полупроводникам относятся материалы с удельным сопротивлением, р = 10^-5 - 10^-8 Ом • м.

При контакте двух полупроводников  на границе их раздела образуется зона объемного заряда за счет диффузии основных носителей в зоны с противоположной  проводимостью.

Структура р-n - перехода приведена на рисунке:

Схема полупроводникового диода.

В области объемного заряда образуется поле напряженностью Е_р-n, и при этом протекают три тока: ток диффузии (за счет градиента концентраций), ток рекомбинации и ток дрейфа основных носителей заряда. Основными носителями тока в р-полупроводнике являются дырки, а в n-полупроводнике - электроны. В условиях равновесного состояния перехода суммарная составляющая токов равна нулю.

При приложении внешнего поля (Е_ист) оно либо суммируется с полем объемного заряда, или вычитается из него в зависимости от полярности. Такие включения называются соответственно прямым и обратным.

При обратном включении Е_общ = Е_ист + Е_р-n зона объемного заряда расширяется, и ток через прибор равен нулю. При прямом включении Е_общ — Е_ист • Е_р-n, и через р-n - переход течет ток.

Структура, состоящая из двух р-n - переходов, называется транзистором. Транзистор бывает р-n-р и n-p-n структуры. Рассмотрим принцип действия транзистора типа р-n-р:

Схема транзистора  типа р-п-р.

Р-n - переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, р-n - переход между базой и коллектором - коллекторным. При данном подключении источников тока эмиттерный переход является открытым, т.е. сопротивление транзистора (входное сопротивление) мало; коллекторный переход является закрытым, поэтому выходное сопротивление транзистора велико. Так как эмиттерный переход является открытым, основные носители тока (дырки) под действием приложенного входного напряжения Е_э устремятся в базу, создавая ток эмиттера (Ц где часть из них рекомбинирует с электронами (основными носителями тока в n-полупроводнике), и образуют ток базы (I_э). Однако, вследствие малой толщины базы транзистора, величина этого тока мала, и большая часть дырок устремится в коллектор, который закрыт для электронов н открыт для дырок. При этом будет создаваться ток коллектора (I_к).

По закону сохранения электрического заряда

I_э= I_б + I_к

Так как I_б мал, I_э = I_к.

Напряжение на входе транзистора  равно падению напряжения на входном  сопротивлении и поэтому может  быть вычислено но формуле: U_вх = I_э • R_вх

Напряжение на выходе транзистора  равно падению напряжения на выходном сопротивлении транзистора:

U_вых = I_к • R_вых

Коэффициент усиления транзистора  по напряжению можно вычислить по формуле:

К_ус = U_вых / Uвх - (I_K • R_вых) / (I_э • R_вх).

Из этой формулы видно, что, так  как токи эмиттера и коллектора приблизительно равны, а выходное сопротивление  транзистора гораздо больше входного сопротивления транзистора, о чём  говорилось выше, коэффициент усиления транзистора по напряжению гораздо  больше единицы. Таким образом, малые  изменения напряжения на входе транзистора  приводят к большим изменениям выходного  напряжения, но при этом, так как  ток коллектора повторяет ток  эмиттера, форма выходного напряжения соответствует форме входного напряжения.

Транзисторы на схемах изображаются следующим образом:

Обозначение транзисторов на электрических схемах

 

21. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Обозначение транзисторов на схемах.

Биполярный транзистор — трёхэлектродный  полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным  слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке. Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы. Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

 

22.Устройство  и принцип действия полевого  транзистора. Его преимущество.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой  транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом  отношении) от канала p-n переходом, смещённым  в обратном направлении.  
 
Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.