Основы медицинской электроники кратко
Обновлено: 07.07.2024
Медицинская электроника - область науки и техники, использующая достижения электроники для создания приборов и устройств, выполняющих следующие функции: 1) съем информации о физиологических процессах в организме с помощью различных внешних и внутренних датчиков; 2) обработка больших потоков информации с помощью осциллографов и других приборов; 3) моделирование физиологических и психических процессов; 4) стимулирование жизнедеятельности и управление отдельными процессами живого организма; 5) автоматическое регулирование среды, окружающей организм; 6) создание акустических, электромагнитных и других полей для лечебного воздействия на организм. [1]
Медицинская электроника - область науки и техники, использующая достижения электроники для создания приборов и устройств, выполняющих следующие функции: 1) съем информации о физиологических процессах в организме с помощью различных внешних и внутренних датчиков; 2) обработка больших потоков информации с помощью осциллографов, коррелометров, энцефалографов и других приборов; 3) моделирование физиологических j и психических процессов; 4) стимулирование жизнедеятельности и управление отдельными процессами живого организма; 5) автоматическое регулирование среды, окружающей организм; 6) создание акустических, электромагнитных и других полей для лечебного воздействия на организм. [2]
Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных устройств в медико-биологических целях, получили название медицинской электроники . [3]
МДП-транзисторы широко используются в кремниевых интегральных схемах, особенно в сверхбольших: микропроцессорах, микроЭВМ, электронных калькуляторах, запоминающих устройствах большой информационной емкости, электронных часах, устройствах медицинской электроники и др. Мощные МДП-транзисторы применяются в переключающих схемах. Транзисторы с управляющим переходом металл - полупроводник на арсениде галлия используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных микросхем и в СВЧ-устройствах. Транзисторы с управляющим р-п-переходом на кремнии используются в основном как низкочастотные дискретные приборы. По принципу действия они практически не отличаются от транзисторов с переходом металл - полупроводник. [4]
Пример наиболее передового подхода к фундаментальной технологии дает фирма Хониуэлл, применившая систему детального нормативного прогнозирования ПАТТЕРН ( см. раздел II.4.5), разработанную для продукции авиакосмической промышленности, к области медицины, чтобы определить задачи и сконцентрировать фундаментальные исследования и прикладные разработки в сфере медицинской электроники . [5]
В этом случае применяются методы измерения неэлектрических величин и используются датчики. В медицинской электронике рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в электрический сигнал, так как электрические сигналы с помощью электронных устройств можно сравнительно легко усиливать, передавать и регистрировать. [6]
Описанные выше звуковые анализаторы удовлетворительно работают до частот не ниже 20 гц. При изучении вибрации больших сооружений, при геофизических исследованиях и в медицинской электронике встречается необходимость различать составляющие спектра с частотой до 1 гц. Здесь интерес представляет диапазон частот от 2 до 25 гц, поэтому применяются гетеродинные анализаторы с очень малой скоростью качания и высоким Q фильтров. В одном из приборов этого назначения сигнал мозговых колебаний преобразуется в более высокую частоту смешением с колебаниями гетеродина в балансном модуляторе. Выходной сигнал модулятора проходит через магнитострикционный фильтр, работающий на частоте 125 щ и имеющий полосу 0 5 периода. Выходной сигнал фильтра приводит в движение перо самописца. Синхронизация качания частоты гетеродина с передвижкой бумаги под пером осуществляется мотором. Одновременно с анализом спектра производится запись формы сложной волны. Во избежание ухудшения разрешающей способности, время качания частоты установлено равным 4 сек. [8]
Способность многократно противостоять термообработке при стерилизации позволяет специализировать использование таких материалов для медицинской электроники . [9]
Наряду с лабораторными работами физического содержания студенты выполняют работы по вычислительным машинам, медицинской электронике и общей биофизике. Это обусловлено, с одной стороны, универсальностью курса физики в медицинском вузе, ибо нет другой учебной дисциплины, которая бы включала общетехнические сведения. С другой стороны, изменения практикума отражают стремление приблизить преподавание к потребностям медицинского образования. [10]
Техническая К-является теоретической основой автоматизации технологических и транспортных процессов. Биологическая К - способствует более глубокому познанию процессов в живых организмах и в человеке и тем самым помогает развитию медицины вообще и медицинской электроники в частности. Исследования в области биологической К - стимулируют также развитие бионики, помогающей созданию новых высокосовершенных технических кибернетических систем. [11]
Интегральные схемы на МДП-транзисторах ( МДП-ИМС) составляют значительную часть продукции, выпускаемой промышленностью в настоящее время. В частности, схемы на МДП-структурах занимают доминирующее положение при создании постоянных ( ПЗУ) и оперативных ( ОЗУ) запоминающих устройств, микродроцессоров, электронных калькуляторов, электронных часов, устройств медицинской электроники и др. Благодаря высокому сопротивлению МДП-транзистора в выключенном состоянии и нулевому напряжению смещения МДП-структуры находят широкое применение в различных аналоговых схемах. Важное достоинство МДП-ИМС связано также с технологией их изготовления, которая позволяет с меньшими затратами средств по сравнению с биполярной технологией изготовлять гораздо более сложные схемы. [12]
Ныне, когда мы говорим о школе В. В. Парина, о той роли, которую она играет в прогрессе современной физиологической и медицинской науки, мы имеем в виду заслуги В. В. Парина и его учеников не только в физиологии кровообращения, в различных областях клинической физиологии, но и в медицинской электронике , биологической и медицинской кибернетике, в космической физиологии и медицине. Во всех этих направлениях науки успешно работают ученики и сотрудники В. В. Парина, многие из которых уже создали свои школы, возглавляют исследовательские коллективы и кафедры. [13]
Анализ зарубежной литературы говорит о том, чтодостигнутосогла-шение о структуре электронной техники, рынках ее сбыта и электронной промышленности. Выделяются следующие классы электронной техники и соответствующие им секторы мирового рынка электроники и отрасли электронной промышленности, в разрезе которых ведется исследование экономики этих изделий, рынков их сбыта и потребления, отраслей производства: средства обработки данных; средства связи и передачи данных; промышленная электроника; испытательная и измерительная аппаратура; аналитическое оборудование; медицинская электроника ; бытовая электроника; электронные приборы; компоненты. [14]
Другим решением серьезных проблем, связанных с заземлением, является использование изолирующего усилителя. На практике в некоторых экзотических ситуациях потенциалы этих земель могут отличаться на много киловольт. Применение изолирующих усилителей обязательно в медицинской электронике - там, где электроды прикладываются к телу человека, с тем, чтобы полностью изолировать такие контакты от измерительных схем, запитанных непосредственно от сети переменного тока. [15]
1. Классификации медицинской
техники. Структурная блок-схема
приборов для регистрации
биопотенциалов
2. Электроды и датчики
3. Усилители и генераторы
4. Регистрирующие устройства
5. Некоторые медицинские
электронные аппараты
используемые в медицине
Медицинская техника
Медицинское
оборудование
Медицинская
аппаратура
Электрическая
медицинская
аппаратура
Воздействующие
аппараты и приборы
Терапевтические
аппараты
Медицинские
инструменты
Механическая
медицинская
аппаратура
Воспринимающие
приборы
Диагностические
приборы
4. Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов
Медицинскую электронную аппаратуру можно
разделить на два класса:
медицинские приборы и медицинские аппараты.
Медицинский прибор — техническое устройство,
предназначенное для диагностических или
лечебных измерений (медицинский термометр,
электрокардиограф и др.).
Медицинский аппарат — техническое устройство,
позволяющее
создавать
энергетическое
воздействие
(часто
дозированное)
терапевтического,
хирургического
или
бактерицидного свойства (аппарат УВЧ терапии,
аппарат искусственной почки и др.), а также
обеспечить сохранение определенного состава
некоторых субстанций.
Основные группы приборов и аппаратов,
используемые
для
медикобиологических целей:
—Устройство для получения (съема),
передачи
и
регистрации
медикобиологической
информации.
Большинство этих устройств содержит в
своей схеме усилитель электрических
сигналов.
— Устройство, обеспечивающее
дозирующее воздействие на организм
различными физическими факторами с
целью лечения.
С физической точки зрения эти
устройства являются генераторами
различных электрических сигналов.
— Кибернетические электронные
устройства.
6. Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации
где X — измеряемый параметр
биологической системы,
Υ — величина, регистрируемая на выходе
измерительным прибором
8. 2. Принцип действия электродов
Электроды — это проводники специальной
формы, соединяющие измерительную
цепь с биологической системой.
К электродам предъявляются требования:
• они должны быстро фиксироваться и
сниматься, иметь высокую стабильность
электрических параметров, не искажать
сигнал,
• не раздражать биологическую ткань
Рис. 1. Эквивалентная схема снятия биопотенциалов
БП — ЭДС источника биопотенциалов;
r — сопротивление внутренних органов;
R — сопротивление кожи и электродов;
RВХ — входное сопротивление усилителя.
Проблемы:
1. возникновение гальванической ЭДС в
месте контакта электрода с биологической
системой.
2. электролитическая
поляризация
электродов, что приводит к выделению на
электродах
продуктов
реакции
при
прохождении тока. В результате возникает
встречная (по отношению к основной)
ЭДС.
В
обоих случаях возникновение ЭДС
искажает
снимаемый
электродами
полезный биоэлектрический сигнал.
Виды электродов при физиотерапии
Плоские
электроды.
Такие
электроды
используются,
например,
при
гальванизации, электрофорезе. К телу
больного подводят постоянный ток с
помощью двух электродов, каждый из
которых состоит из свинцовой пластинки
(или
токопроводящей
углеграфитовой
ткани) и гидрофильной прокладки.
Рис. 2. Расположение плоских электродов при
гальванизации
При продольном расположении электродов (на
одной стороне тела) воздействию подвергаются
поверхностно расположенные ткани. При
поперечном расположении электродов (на
противоположных участках тела) воздействию
подвергаются глубоко расположенные органы и
ткани.
Такие
электроды
используются в дарсонвализации. Воздух
внутри стеклянных электродов баллонов
имеет низкое давление (6,7-13,5 Па).
Вакуумные
электроды.
Рис. 3. Стеклянные вакуумные электроды (а), использование электродов при
лечении волосистой части головы (б)
При контактной методике (непрерывный контакт электрода с
кожей) действующим фактором является среднечастотный
электрический ток.
При дистанционной методике (электрод удален от кожи)
действующим фактором является искровой разряд. При обеих
методиках вакуумные электроды перемещаются относительно
кожи.
15. Датчики медико-биологической информации
Датчик — устройство, преобразующее
измеряемую
или
контролируемую
величину в сигнал, удобный для
передачи и регистрации.
Преобразуемая величина X называется
входной, а измеряемый сигнал α —
выходной величиной.
Характеристика датчика — функциональная
зависимость выходной величины α от входной X
(описывается аналитически или графически).
Обычно стремятся иметь датчик с линейной
характеристикой α = kХ, где k — постоянный
коэффициент. Чувствительность датчика S —
отношение изменения выходной величины к
соответствующему
изменению
входной
величины:
S = α / Х.
Предел датчика — максимальное значение входной
величины, которое может быть воспринято
датчиком без искажения и без повреждения
датчика. Порог датчика — минимальное
изменение входной величины, которое можно
обнаружить датчиком.
Классы датчиков:
генераторные и параметрические.
Генераторные датчики — такие, которые под
воздействием входного сигнала генерируют
напряжение
или
ток
(индукционные,
пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.п.).
Параметрические датчики — такие, в которых под
воздействием входного сигнала изменяется какойлибо параметр (тензометрические, емкостные,
индуктивные, реостатные и т.п.).
Различают
механические,
акустические,
температурные, оптические и другие датчики.
Параметрические датчики:
емкостные состоят из конденсатора,
индуктивные содержат катушку индуктивности.
Рис. 4. Емкость C плоского конденсатора (а) и индуктивность L
катушки индуктивности (б)
3. Усилитель
Усилитель
электрических
сигналов
(электронный усилитель) — устройство,
увеличивающее амплитуду этих сигналов
без изменения их формы за счет
постороннего
источника
электрической
энергии.
Усилители могут создаваться на основе
различных элементов (транзисторы, триоды и
др.), однако в общих чертах их можно
представить одинаково. Они имеют вход, на
который
подается
усиливаемый
электрический сигнал, и выход, с которого
снимается усиленный сигнал (рис. 5).
Рис. 5. Схема усиления сигнала
В зависимости от целей усилители
классифицируются по напряжению, силе
тока, мощности.
Коэффициент усиления усилителя из
нескольких каскадов равен произведению
коэффициентов усиления усилителей всех
используемых каскадов: КОБЩ = К1К2К3.
в) Амплитудная характеристика усилителя
— это зависимость максимального значения
выходного сигнала от максимального
значения входного.
Для
рассматриваемого
усилителя
по
напряжению амплитудная характеристика
представляется зависимостью
UMAXВЫХ =f(UMАХ ВХ)·
Для неизменности формы сигнала коэффициент
усиления должен быть одинаков в пределах
изменения входного сигнала.
Для этого необходимо использовать усилитель с
линейной амплитудной зависимостью:
UMAX ВЫХ = K UMAX ВХ .
Рис. 6. Амплитудная характеристика усилителя
г) Частотная характеристика. В том случае,
когда усиливаемый сигнал несинусоидальный,
его можно разложить на отдельные гармоники,
характеризующиеся соответствующей частотой.
Коэффициент усиления для каждой гармоники
может оказаться разным. Поэтому необходимо
учитывать частотную характеристику усилителя.
Частотная характеристика усилителя — это
зависимость коэффициента усиления от частоты
сигнала: К = f( ).
Для того чтобы несинусоидальный сигнал был
усилен
без
искажения,
нужно,
чтобы
коэффициент усиления не зависел от частоты, то
есть К ( ) = const. В общем случае это условие не
выполняется, что приводит к искажениям формы
сигнала, которые называются частотными.
0,7 K max
K max
2
Рис. 7. Частотная характеристика усилителя
Полосой
пропускания
усилителя
называется интервал частот, в котором
коэффициент усиления постоянен.
Особенности усиления биоэлектрических
сигналов
Специфика
усилителей
биопотенциалов
определяется
особенностями
биопотенциалов:
выходное сопротивление биологической
системы
совместно
с
сопротивлением
электродов, как правило, высокое;
биопотенциалы — медленно изменяющиеся
сигналы;
биопотенциалы — слабые сигналы.
Особенности биоусилителей:
Коэффициент усиления составляет 106 – 108;
Коэффициент дискриминации 105 – 106;
Все биоусилители – низкочастотные;
Высокое входное и низкое выходное
сопротивления.
Электростимуляторы, генераторы
Генераторы — устройства, которые преобразуют
энергию источников постоянного напряжения в
энергию электромагнитных колебаний различной
формы.
Классификация генераторов:
по форме сигнала: генератор гармонических
колебаний и генератор колебаний специальной формы
(импульсные колебания);
по частоте сигналов;
по мощности;
по принципу работы (генератор с самовозбуждением
и генератор с внешним возбуждением).
Генераторы гармонических колебаний работают
на транзисторах или трехэлектродных лампах.
Общие
принципы
функционирования
их
основаны
на
принципах
работы
автоколебательных систем.
Рис. 9. Схема генератора гармонических колебаний.
Релаксационные колебания — электромагнитные
колебания несинусоидальной формы.
Рис. 10. Пример релаксационных колебаний
38. Аналоговые
Рис.1. Схема струйного самописца
1 – электромагнит, через обмотки которого
проходит регистрируемый биопотенциал;
2 – постоянный магнит; 3 – стеклянный капилляр;
4 – сопло капилляра.
40. Аппарат для электрохирургии
41. Разрез электроскальпелем
43. Действие ВЧ магнитного поля Индуктотермия
45. Классификация медицинской аппаратуры по возможным последствиям отказов в процессе эксплуатации
• А – изделия, отказ которых представляет
непосредственную опасность для жизни
пациента или персонала. Вероятность
безотказной работы изделий этого класса
должна быть не менее 0,99 между
планово-предупредительными
техническими обслуживаниями (ремонт,
поверка). К изделиям класса А относятся
приборы для наблюдения за жизненно
важными функциями больного (аппараты
искусственного дыхания, кровообращения
и т.п.);
• Б – изделия, отказ которых вызывает
искажения информации о состоянии
больного или окружающей среды, не
приводящее
к
непосредственной
опасности для жизни пациента или
персонала. Вероятность безотказной
работы изделий этого класса должна
быть не менее 0,8. К изделиям класса Б
относятся
системы,
следящие
за
больным, аппараты для стимуляции
сердечной деятельности и др.;
• В – изделия, отказ которых снижает
эффективность
или
задерживает
лечебно-диагностический процесс, либо
повышает нагрузку на медицинский или
обслуживающий персонал. К этому
классу
относится
большая
часть
диагностической и физиотерапевтической
аппаратуры, инструментарий и др.
• Г–
изделия,
не
содержащие
отказоспособных частей.
47. Тест-контроль:
Устройство, преобразующее измеряемую
или контролируемую величину в сигнал,
удобный для передачи, дальнейшего
преобразования
и
регистрации,
называется:
1.датчиком
2.электродом
3.генератором
4.усилителем.
48. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Обязательная:
• Ремизов А.Н. Медицинская и
биологическая физика: учебник. -М.:
Дрофа, 2007.Дополнительная:
• Федорова В.Н. Краткий курс медицинской
и биологической физики с элементами
реабилитологии: учебное пособие. -М.:
Физматлит, 2005.• Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс
лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАРМедиа, 2006.-
Презентация на тему: " Основные понятия медицинской электроники Тема: Основные понятия медицинской электроники." — Транскрипт:
1 Основные понятия медицинской электроники Тема: Основные понятия медицинской электроники
2 План 1. Классификации медицинской техники. Структурная блок-схема приборов для регистрации биопотенциалов 2. Электроды и датчики 3. Усилители и генераторы 4. Регистрирующие устройства 5. Надежность медицинской аппаратуры 6. Использование ВЧ и НЧ токов и полей в медицине
3 Медицинская техника Медицинское оборудование Медицинская аппаратура Медицинские инструменты Электрическая медицинская аппаратура Механическая медицинская аппаратура Воздействующие аппараты и приборы Воспринимающие приборы Терапевтические аппараты Диагностические приборы
4 Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов Медицинскую электронную аппаратуру можно разделить на два класса: медицинские приборы и медицинские аппараты. Медицинский прибор Медицинский прибор техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений (медицинский термометр, электрокардиограф и др.). Медицинский аппарат Медицинский аппарат техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие (часто дозированное) терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства (аппарат УВЧ терапии, аппарат искусственной почки и др.), а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций.
5 Основные группы приборов и аппаратов, используемые для медико-биологических целей: Устройство для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации Устройство для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации. Большинство этих устройств содержит в своей схеме усилитель электрических сигналов. Устройство, обеспечивающее дозирующее воздействие на организм различными физическими факторами с целью лечения. Устройство, обеспечивающее дозирующее воздействие на организм различными физическими факторами с целью лечения. С физической точки зрения эти устройства являются генераторами различных электрических сигналов. Кибернетические электронные устройства.
6 Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации X где X измеряемый параметр биологической системы, Υ Υ величина, регистрируемая на выходе измерительным прибором
7 Устройства съема Электроды Датчики Активные (генераторные) Пассивные (параметрические)
8 2. Принцип действия электродов 2. Принцип действия электродов Электроды Электроды это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. К электродам предъявляются требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, не искажать сигнал, не раздражать биологическую ткань и т. п.
9 Рис. 1. Эквивалентная схема снятия биопотенциалов БП БП ЭДС источника биопотенциалов; r r сопротивление внутренних органов; R R сопротивление кожи и электродов; R ВХ R ВХ входное сопротивление усилителя.
11 Проблемы: 1. возникновение гальванической ЭДС в месте контакта электрода с биологической системой. 2. электролитическая поляризация электродов, что приводит к выделению на электродах продуктов реакции при прохождении тока. В результате возникает встречная (по отношению к основной) ЭДС. В обоих случаях возникновение ЭДС искажает снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал.
12 Плоские электроды. Плоские электроды. Такие электроды используются, например, при гальванизации, электрофорезе. К телу больного подводят постоянный ток с помощью двух электродов, каждый из которых состоит из свинцовой пластинки (или токопроводящей углеграфитовой ткани) и гидрофильной прокладки. Виды электродов при физиотерапии
13 Рис. 2. Расположение плоских электродов при гальванизации продольном поперечном При продольном расположении электродов (на одной стороне тела) воздействию подвергаются поверхностно расположенные ткани. При поперечном расположении электродов (на противоположных участках тела) воздействию подвергаются глубоко расположенные органы и ткани.
14 Вакуумные электроды. Вакуумные электроды. Такие электроды используются в дарсонвализации. Воздух внутри стеклянных электродов баллонов имеет низкое давление (6,7-13,5 Па). контактной методике При контактной методике (непрерывный контакт электрода с кожей) действующим фактором является среднечастотный электрический ток. дистанционной методике При дистанционной методике (электрод удален от кожи) действующим фактором является искровой разряд. При обеих методиках вакуумные электроды перемещаются относительно кожи. Рис. 3. Стеклянные вакуумные электроды (а), использование электродов при лечении волосистой части головы (б)
15 Датчики медико-биологической информации Датчик Датчик устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи и регистрации. X α Преобразуемая величина X называется входной, а измеряемый сигнал α выходной величиной.
16 Характеристика датчика Характеристика датчика функциональная зависимость выходной величины α от входной X (описывается аналитически или графически). Обычно стремятся иметь датчик с линейной характеристикой α = kХ, где k постоянный коэффициент. Чувствительность датчика Чувствительность датчика S отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины: S = α / Х S = α / Х. Предел датчика Предел датчика максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято датчиком без искажения и без повреждения датчика. Порог датчика Порог датчика минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком.
17 Классы датчиков: генераторные и параметрические генераторные и параметрические. Генераторные датчики Генераторные датчики такие, которые под воздействием входного сигнала генерируют напряжение или ток (индукционные, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.п.). Параметрические датчики Параметрические датчики такие, в которых под воздействием входного сигнала изменяется какой- либо параметр (тензометрические, емкостные, индуктивные, реостатные и т.п.). Различают механические, акустические, температурные, оптические и другие датчики.
18 Рис. 4. Емкость C плоского конденсатора (а) и индуктивность L катушки индуктивности (б) Параметрические датчики Параметрические датчики: емкостные емкостные состоят из конденсатора, индуктивные индуктивные содержат катушку индуктивности.
19 19 Ультразвуковые датчики Фотодатчики Гибкие датчики для сердца Датчики Датчики давления
20 3. Усилитель Усилитель амплитуду Усилитель электрических сигналов (электронный усилитель) устройство, увеличивающее амплитуду этих сигналов без изменения их формы за счет постороннего источника электрической энергии. вход выход Усилители могут создаваться на основе различных элементов (транзисторы, триоды и др.), однако в общих чертах их можно представить одинаково. Они имеют вход, на который подается усиливаемый электрический сигнал, и выход, с которого снимается усиленный сигнал (рис. 5).
21 Рис. 5. Схема усиления сигнала В зависимости от целей усилители классифицируются по напряжению, силе тока, мощности.
22 Усилитель однокаскадный Усилитель многокаскадный
24 Коэффициент усиления усилителя из нескольких каскадов равен произведению коэффициентов усиления усилителей всех используемых каскадов: К ОБЩ = К 1 К 2 К 3. в) Амплитудная характеристика усилителя в) Амплитудная характеристика усилителя это зависимость максимального значения выходного сигнала от максимального значения входного. Для рассматриваемого усилителя по напряжению амплитудная характеристика представляется зависимостью U MAX ВЫХ =f(U MАХ ВХ )·
25 Для неизменности формы сигнала коэффициент усиления должен быть одинаков в пределах изменения входного сигнала. линейной Для этого необходимо использовать усилитель с линейной амплитудной зависимостью: U MAX ВЫХ = K U MAX ВХ U MAX ВЫХ = K U MAX ВХ. Рис. 6. Амплитудная характеристика усилителя
26 г) Частотная характеристика. г) Частотная характеристика. В том случае, когда усиливаемый сигнал несинусоидальный, его можно разложить на отдельные гармоники, характеризующиеся соответствующей частотой. Коэффициент усиления для каждой гармоники может оказаться разным. Поэтому необходимо учитывать частотную характеристику усилителя. Частотная характеристика усилителя Частотная характеристика усилителя это зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала: К = f( ). Для того чтобы несинусоидальный сигнал был усилен без искажения, нужно, чтобы коэффициент усиления не зависел от частоты, то есть К ( ) = const. В общем случае это условие не выполняется, что приводит к искажениям формы сигнала, которые называются частотными.
27 Полосой пропускания Полосой пропускания усилителя называется интервал частот, в котором коэффициент усиления постоянен. Рис. 7. Частотная характеристика усилителя
28 Особенности усиления биоэлектрических сигналов особенностями биопотенциалов Специфика усилителей биопотенциалов определяется особенностями биопотенциалов: выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов, как правило, высокое; биопотенциалы медленно изменяющиеся сигналы; биопотенциалы слабые сигналы.
29 Особенности био усилителей: Коэффициент усиления составляет 10 6 – 10 8 ; Коэффициент дискриминации 10 5 – 10 6 ; Все био усилители – низкочастотные; Высокое входное и низкое выходное сопротивления.
30 Электростимуляторы, генераторы Генераторы Генераторы устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы. Классификация генераторов: по форме сигнала: генератор гармонических колебаний и генератор колебаний специальной формы (импульсные колебания); по частоте сигналов; по мощности; по принципу работы (генератор с самовозбуждением и генератор с внешним возбуждением).
31 гармонических колебаний Генераторы гармонических колебаний работают на транзисторах или трехэлектродных лампах. Общие принципы функционирования их основаны на принципах работы автоколебательных систем. Рис. 9. Схема генератора гармонических колебаний.
32 Релаксационные колебания Релаксационные колебания электромагнитные колебания несинусоидальной формы. Рис. 10. Пример релаксационных колебаний
35 35 Аппарат для амплипульстерапии Аппарат Рефтон Аппарат Электросон Аппарат УВЧ
37 Регистрирующие устройства Аналоговые Комбинированные Дискретные
38 Аналоговые Рис.1. Схема струйного самописца 1 – электромагнит, через обмотки которого проходит регистрируемый биопотенциал; 2 – постоянный магнит; 3 – стеклянный капилляр; 4 – сопло капилляра.
39 Дискретные – все виды счетчиков Комбинированные – электронно-лучевая трубка
40 НАДЕЖНОСТЬ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ Надежность – это способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени. Вероятность безотказной работы – это отношение числа N(t) работающих (не испортившихся) за время t изделий к общему числу N 0 испытывавшихся изделий:
41 Интенсивность отказов – это отношение числа отказов dN к произведению времени dt на общее число работающих элементов:
42 Классификация медицинской аппаратуры по возможным последствиям отказов в процессе эксплуатации А – изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,99 между планово- предупредительными техническими обслуживаниями (ремонт, поверка). К изделиям класса А относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями больного (аппараты искусственного дыхания, кровообращения и т.п.);
43 Б – изделия, отказ которых вызывает искажения информации о состоянии больного или окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,8. К изделиям класса Б относятся системы, следящие за больным, аппараты для стимуляции сердечной деятельности и др.; В – изделия, отказ которых снижает эффективность или задерживает лечебно- диагностический процесс, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий персонал. К этому классу относится большая часть диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др. Г– изделия, не содержащие отказоспособных частей.
44 Интервалы частот электромагнитных волн Низкие (НЧ)До 20 Гц Звуковые (ЗЧ)20 Гц – 20 к Гц Ультразвуковые (УЗЧ) 20 к Гц – 200 к Гц Высокие (ВЧ)200 к Гц- 30 МГц Ультравысокие (УВЧ)30 – 300 МГц Сверхвысокие (СВЧ)300 МГц – 300 ГГц Крайне высокие (КВЧ) Свыше 300 ГГц
46 Порог неотпускающего тока минимальная сила тока, вызывающая такое сгибание сустава, при котором человек не может самостоятельно освободиться от проводника. Для мужчин эта величина составляет мА. Превышение порога губительно для человека (паралич дыхательных мышц, фибрилляция сердца).
47 Биофизическое действие низкочастотных токов и полей Раздражающее действие тока обусловлено ускорением при перемещении ионов тканевых электролитов
48 Действие переменного и импульсного токов НЧ Действие, которое оказывают на организм переменный или импульсный ток, зависит от частоты, максимальной силы тока и формы его импульсов. Первичное действие – поляризация тканей Как и постоянный ток, оказывает раздражающее действие.
49 Действие высокочастотного (ВЧ) тока Действие высокочастотного (ВЧ) тока При частотах более 500 к Гц смещение ионов, вызванное переменным током, становится соизмеримым с их смещением в результате молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромагнитная волна не вызывает раздражающего действия. Основным первичным эффектом для ВЧ тока является тепловое воздействие.
50 Аппарат для электрохирургии
53 Действие ВЧ магнитного поля Индуктотермия Аппарат для индуктотермии ИКВ 4
55 Заключение: Рассмотрены: 1. Основные этапы получения медико- биологической информации и средства, необходимые для их реализации: устройства съема (электроды датчика), усилитель, регистрирующие устройства. 2. Вопросы безопасности и надежности медицинской аппаратуры. 3. Применение в медицине аппаратов и приборов, использующих НЧ и ВЧ токи и поля.
56 Тест-контроль: Устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования и регистрации, называется: 1. датчиком 2. электродом 3. генератором 4.усилителем.
57 ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М.: Дрофа, Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. -М.: Физматлит, Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАР- Медиа, Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов /сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМА, Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к внеаудит. работе студентов по спец. – педиатрия / сост. О.П.Квашнина и др. - Красноярск: тип.КрасГМУ, Ресурсы интернет Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, 2004.
— научное направление в электронике, разрабатывающее электронные приборы и технику их применения для медико-биологических исследований и лечения человека. Мед. электронные приборы и устр-ва применяют: для сбора и регистрации; индикации и анализа мед. информации; лечебного воздействия на человека; управления некоторыми функциями человеческого организма; замены функций отдельных органов и систем человека; электронного моделирования процессов деятельности некоторых систем и органов человека.
Сбор мед. информации осуществляют с помощью датчиков, при помощи которых можно принимать и преобразовывать информацию о функциях органов и систем человека или окружающей среды. По характеру воспринимаемой информации датчики можно разделить следующим образом: фотоэлектрические приемники излучения (фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления, полупроводниковые приемники), применяемые в оксигемометрах и оксигемографах, электрорентгенокимографах, фотоэлектрокалориметрах и т. п.: датчики, определяющие температурные колебания в организме или внешней среде (ртутностеклянные термометры, термопары, термисторы), применяемые в термостатах и электротермометрах для определения скорости кровотока и др.; датчики, определяющие влажность воздуха, одежды и пр. (гигрометры, в которых применяют термопары, герметизированные термисторы, электролитические пирометры); датчики, определяющие ионизирующее излучение (ионизационные камеры, счетчики Гейгера — Мюллера, пропорциональные счетчики, сцинтилляционные счетчики); датчики преобразования мех. величин в электр. Они делятся на динамические (пьезоэлектрические, электродинамические, электромагнитные и магнитоэлектрические) и статические (реостаты, жидкостные потенциометры, тензометрические, индуктивные и фотоэлектрические датчики, механотроны). В динамических датчиках выходной сигнал создается только при деформации или движении датчика. Они не требуют дополнительной энергии, тогда как статические не могут работать без нее, и механически управляют мощностью этого источника энергии. Управление осуществляется в их схемах через сопротивления, емкость и индуктивность. И динамические, и статические датчики получили широкое применение в кардиологии (баллистокардиографические приставки, сфигмодатчики, кинето- и сейсмодатчики и т. д.). Мех. датчики с круговым вращением (тахометры) преобразуют данные о величине поворота вала в электр. сигналы; датчики регистрации и измерения потенциалов (капиллярные микроэлектроды с жидкостными и металлическими проводниками), неполяризующиеся электроды (серебро, платина, цинк), простые металлические электроды, электроды для вживления в ткани, широко применяемые в электро- и векторкардиографии и электрофизиологии; датчики для измерения напряжения кислорода, водорода, и т. п., в тканях (с открытым и скрытым кольцом, металлические и стеклянные, радиопилюли и т. п.). Все датчики должны гарантировать требуемую точность измерения и быть по возможности небольших размеров, относительно простыми и надежными в пользовании.
Кроме датчиков для сбора информации необходимы электронные усилители и устр-ва для регистрации.
Электронные усилители применяют в большинстве случаев при сборе физиол. информации, так как датчик часто не имеет на выходе достаточного напряжения для того, чтобы регистрирующее устр-во могло записать эту информацию. Усилители биопотенциалов бывают низкой частоты — от 0-0,5 до 200— 250—500 гц. В приборах для сбора и регистрации физиол. информации может быть один или несколько каналов регистрации — соответственно числу датчиков. При последовательном опросе датчиков через определенные промежутки времени, канал регистрации может оставаться одним и тем же. Число усилителей при этом соответствует числу каналов регистрации. Снятая датчиком информация после предварительного усиления регистрируется с помощью электроннолучевых гальванометров, электромагнитных самописцев с чернильной записью или нагревом пера на
фото- или бумажную ленту. При длительной регистрации информации, напр., при записи кардиотопограмм используют киноленту. В последнее время информацию в виде цифровых или аналоговых характеристик все чаще записывают на магнитную ленту, анализируя ее впоследствии с помощью различных методов.
В последние годы в М. э. большое внимание уделяют созданию анализаторов, в которые мед. информацию вводят с магнитных лент спец. или бытовых магнитофонов, анализируют ее, получая в результате гистограммы и кривые авто- и кросскорреляционной функции, по которым врач может судить о состоянии организма больного и его отдельных органов и систем. Такие устр-ва могут действовать автономно или в комплексе с ЭЦВМ, во внешнем ЗУ которой запоминаются результаты анализа диагностики состояний (напр., определение по энцефалограмме уровня бодрствования, появления ошибочных реакций, оценки умственной активности и т. п.). Создан прибор для определения взаимной дисперсии данных различных энцефалографических отведений, который отличает уменьшение взаимных дисперсий на фоне нарастающей гипоксии во время наркоза, что очень важно знать анестезиологу. Создан цифровой измеритель скорости пульсовой волны, выполненный в виде небольшой приставки к многоканальному электрокардиографу, на котором записываются кривые пульса и электрокардиограмма. Прибор позволяет определить время распространения пульсовой волны с точностью до ±0,001 сек.
Наметилось направление, разрабатывающее мед. диагностические устр-ва, напр., диагностическая релейная машина, созданная в Ин-те математики АН УССР, специализированное диагностическое устр-во для определения степени недостаточности кровообращения, разработанное в Ин-те хирургии им. А. В. Вишневского.
Разрабатываются киберн. комплексы для измерения и диагностики состояния человека, находящегося в центре реанимации. Все приборы такого комплекса состыковываются со средними или малымй ЭВМ. Каждый больной, поступивший в центр реанимации, подлежит наблюдению в комплексе, в систему оценок которого входят показатели: электрокардиограммы, температуры тела, центрального и периферического пульса, дыхания, кровяного давления. Такого рода прикроватный блок мед. приборов позволит врачу или медсестре постоянно следить за характером изменений органов и систем реанимированного больного. При изменении состояния больного к нему вызывается, с помощью аварийной сигнализации, врач. Такие устройства уже функционируют в СССР, США, Франции. ФРГ, Швеции.
Создаются электронные анализаторы для клинико-диагностических и биохимических лабораторий, позволяющие выполнять за один час до 100—200 анализов с выпечатыванием результатов анализа в виде бланка заключения и передачей его содержания по телетайпу в клиники, из которых прибыл для анализа материал. Разработаны информационно-измерительные системы, совмещающие в себе электронный микроскоп и ЭВМ. Эти системы
позволяют определить форменные элементы крови, анализировать гистологические срезы и т. п. Делаются попытки анализировать на ЭВМ гемодинамику с помощью ангиокардиограммы, электро- и фонокардиограммы на основе спец. матем. моделей и внеш. устр-в, создающих объемное изображение сердца и сосудов. Созданы сложные рентгенодиагностические устр-ва с биол. управлением от зубцов электрокардиограммы, с возможностью сбора информации в разные фазы систолы и диастолы сердца.
Создаются и внедряются в клиническую практику экспресс-анализаторы, позволяющие анализировать по нескольким показателям большие потоки людей. В этом отношении очень перспективны разработки автоматизированных флюорографических, теплографических, радиографических и кардиометрических анализаторов, совмещенных со счетно-решающими и диагностическими устр-вами. Такие анализаторы нужны для создания систем диспансеризации в больших производственных коллективах.
Аппаратура для лечебного воздействия на человека охватывает, в основном, два класса приборов: приборы, действующие при помощи электр. тока через контактно наложенные электроды, и приборы, действующие с помощью электр., магн. и электромагн. полей без контактного наложения электродов. В области применения этой аппаратуры сложным остается выбор соответствующих доз и времени действия лечебного фактора. Они, несмотря на появление специально разработанных дозиметров, во многих случаях остаются эмпирическими, основанными на опыте врача. Разработан дозатор постоянного и импульсного действия для регуляции состояния сердечнососудистой системы животного. Ведутся работы по созданию дозаторов для регулирования углеводного обмена у больного сахарным диабетом, для расчета дозы радиоактивного иода при лечении больного тиреотоксикозом, для определения дозы радиорентгенологической терапии при лечении злокачественных опухолей. При создании таких дозаторов необходимо, чтобы они учитывали действие проведенного ранее лечения, контролировали дозу при проведении терапии в зависимости от изменения показателя эффективности назначенного лечения. Таким образом, в медицинскую электронику проникают идеи теории автоматического регулирования.
М. э. разрабатывает и создает спец. устр-ва, позволяющие моделировать деятельность отдельных органов и систем; электр. активность сердца; динамические отношения между сердцем и телом и т. п.
М. э. находится на стыке с кибернетикой биологической, кибернетикой медицинской и бионикой.
Читайте также: