Лекция № 6. Тема: Медицинская электроника

Тема: Медицинская электроника

План лекции:

1. Предмет общей и мед. э-ки. Осн. группы эл.мед.приборов и ап-тов

2. Общая схема съема, передачи и рег-ции медико-биол. инф-ции

3. Эл-ды для съема биол. сигнала

4. Датчики медико-биологической инф-ции

Эл-ка - область науки и техники, в кот. рассм-ся работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых уст-в (приборов). Эл-ку можно подразделить на группы по области применения, по классуиспользуемых уст-в, по категории теор. Вопросов.

1. Физическая - электропровод-ть тел, контактные и термоэл.явления;

2. Техническая — уст-ва приборов и ап-тов и схемы их включения;

3. Полупроводниковая - применение полупроводниковых приборов

Иногда - на три крупные области:

1. Вакуумная э-ка - создание и применение электровакуумных приборов (эл. лампы, фотоэл. уст-ва, рентгеновские трубки, газоразрядные приборы)

2. Твердотельная э-ка - создание и применение полупроводниковых приборов, в т.ч. интегральных схем

3. Квантовая э-ка — специфический раздел эл-ки, имеющий отношение к лазерам и мазерам.

Мед. эл-ка - разделы эл-ки, в кот. рассм-ся особ-ти применения эл. систем для решения медико-биол. задач и уст-во соотв. ап-туры. Включает в себя биол. и физиологич. эл-ку. В наст. время многие «неэл.» хар-ки — температуру, смещение тела, биохим. показатели — при измерениях преобразуют в эл. сигнал. инф-цию.

Группы эл. приборов и ап-тов, исп. для медико-биол.целей:

1. Уст-ва для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической инф-ции. Такая инф-я может быть о пр-ссах, происходящих в орг-ме (биотканях, органах, сист), но и о состоянии окр. среды (санитарно-гигиенич. назначение), о пр-ссах, происх. в протезах, и т. д. Диагн. ап-ра: баллистокардиографы, фонокардиографы, реографы. Характерно наличие усилителей эл.сигналов. Также электромед. ап-тура для лаб. иссл (рН-метр).

2. Эл. уст-ва, обесп. дозирующее возд-е на орг-м различными физ. факторами (ультразвук, эл. ток, электромагнитные поля и др.) с целью лечения: ап-ты микроволновой терапии, ап-ты для электрохирургии, кардиостимуляторы и др. С физ. т. зр. эти уст-ва - генераторы различных эл.сигналов.

3. Кибернетические эл. уст-ва: а) эл.лычисл. машины для анализа медико-биол. инф-ции; б) уст-ва дляуправления пр-ссами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием окр. чел. среды; в) эл. модели биол. пр-ссов и др.

Технические средства, применяемых в медицине:

а) мед. приборы; в) мед. инструменты;

б) мед. ап-ты и системы; г) мед. оборудование.

Термин мед. ап-ра - объединяющий для мед. приборов и ап-тов.

Мед. ап-тура:

· по виду используемой энергии (электронн, механич)

· эл-нная по напр-ю потока энергии ( воздействующие ап-ты и приборы; воспринимающие природы)

· воздействующие по назначению ( терапевтические ап-ты, диагн. Приборы)

· воспринимающие по виду воспринимаемой энергии ( воспринимающие эл. энергию, восп-е мех. эн., восп-е хим. эн., восп-е теплвую эн)

· воздействующие по виду воздействующей энергии ( электрической/механ.)

· воздействующие механической энергией по агрегатному состоянию рабочего вещества ( механические, гидравлические, газовые)

· воздействующие эл. энергией по положению в спектре электромагнитных колебаний ( низкочастотные, высокочастотные, светооптические, рентгеновские, радиологические)

Мед. прибор – техническое уст-во, предназначенное для диагн. и леч. измерений. Например:

- приборы для измерения биопотенциалов

- электротермометры

- электроманометры

- спектрофотометры, оксигемометры

- реоплетизмографы и т.д.

Мед. ап-т – техническое уст-во, позволяющее создавать энергетическое возд-е терапевтического или разруш. свойства, а также обесп-ть в мед. целях опр. состав различных субстанций. Например:

- ап-ты для терапии пост. током

- ап-ты для терапии импульсными и переменными токами

- ап-ты для низкочастотной и ВЧ-терапии

- ап-ты УЗ-терапии

- ап-ты для жизнеобеспечения орг-ма.

Основные требования, предъявляемые к медицинской ап-туре:

- электробезопасность

- надежность

- точность измерения

Обеспечение полной электробезопасности

Поражение орг-ма эл. током - эл. травмы или эл. удара. Эл. травмы — это рез-т внешнего местного действия тока на тело: эл. ожоги, электрометаллизации кожи, знаки тока. Эл. Ожоги -или следствие теплового действия тока, проходящего через тело, или происходят под действием эл. дуги, возникающей при кор. замыканиях в уст-ках с напр-ем >1000 В. Электрометаллизация кожи - при внедрении в кожу мельчайших частиц расплавленного, под действием тока, Ме. Эл. знаки тока — поражение кожи в виде резко очерченных округлых пятен, возн. в местах входа и выхода тока из тела при плотном контакте с частями под напр-ем. Эл. удар — возбуждение тканей орг-ма под дей-ем тока, кот. сопровождается непроизвольным судорожным сокращением мышц. Эл. удары м. вызывать наиболее тяжелые повреж­дения, поражая внутренние органы: сердце, легкие, ЦНС. В результате м. произойти рас-тво серд. Деятельности, дыхания, шок, смерт. исход. Действие эл. тока на орг-м зависит от различных факторов: величина тока, определяемая напряжением и сопр-ем, род и частота тока, прод-ть воздействия, путь прохождения тока. Больной вследствие различных причин (ослабленность, наркоз, отс-е сознания, наличие эл-дов на теле, т.е. прямое включение пациента в эл. цепь, и др.) оказывается в особо электроопасных условиях по сра-ю со здоровым. Мед. Персонал также в условиях риска поражения током.

В эл. сети и в технических уст-вах обычно задают эл. напр, однако действие на орг-м или органы оказывает эл. ток, т. е. заряд, протекающий через биообъект в единицу времени.

Величина тока- осн. пар-р, опр-щим степень поражения. При сжимании руками эл-дов ощущения тока частотой 50-60 Гц появля. при силе тока около 1 мА, при увеличении тока до 5-10 мА нач. судороги в руках, при токе 12-15 мА уже трудно оторваться от эл-дов. При 50-80 мА наступает паралич дыхания, а при 90-100 мА и длит-ти воздействия 3 с и более — паралич сердца. При действии пост.тока соотв.р-ции имеют место в момент замыкания и размыкания цепи и наступ. При большей его величине. Так ощ-е пост. тока появл. при 5-10 мА, затруднение дых. при 50 -80 мА, паралич дых-я - при 90-100мА.

Важнейшее значение - время действия эл. тока на орг-м: с умен-ем времени д-я увел-ся та пороговая сила тока, кот. еще не выз. паралича или фибрилляции сердца.

Сопр-е тела чел. между 2 касаниями (эл-дами) складывается из сопр-я внут. тканей и органов и сопр-я кожи. Сопр-е внутренних частей орг-ма для пути ладонь – ступня 1 кОм, сопр-е кожи зависит от внутренних и внешних причин и на порядок выше.

Общие указания техники безопасности:

— не касайтесь приборов одновр-но 2мя обнаж. руками, частями тела;

— не работайте на влажном, сыром полу, на земле;

— не касайтесь труб (газ, вода, отопление), метал. конст-ций при работе с электроап-турой;

— не касайтесь одн-но мет. частей двух ап-тов (приборов).

При проведении процедур с исп-ем эл-дов, наложенных на пациента, возможна электроопасная ситуация, поэтому необходимо четко следовать инструкции по проведению процедуры, не делая отступлений.

Мед. ап-тура должна нормально функционировать. Врач, её использующий, должен иметь представление о вероятности отказа изделия, превышения или понижения допустимых параметров. Уст-во, не отвечающее тех. Условиям — неработоспособное. Нужен ремонт.

Способность изделия не отказывать в работе в зад. усл. эксплуатации и сохранять работосп-ть в теч-е зад. инт-ла врем. - надежность.

Важный пар-р - вероятность безотказной работы. Она оценивается эксп-но отн-ем числа N работающих (не испортившихся) за время tизделий к общему числу N₀ испыт. изделий:

Эта хар-ка оценивает возм-ть сохр-я изд-ем работосп-ти в зад. инт-ле врем.

В зав-ти от возм. посл-й отказа в пр-се эксп-ции подразд. на 4 класса:

А — изделия, отказ кот. пред-ет опасность для жизни. Вероятность безотказной работы этих изделий должна быть не менее 0,99, а для изделий, не подлежащих ремонту, — в теч. уст. срока службы. (наблюдают за жизненно важными функциями, ап-ты иск. дыхания и кровообращения)

Б — изделия, отказ кот. выз. искажение инф-ции о состоянии орг-ма или окр. ср., не приводящее к опасности для жизни, либо вызывает необх-ть немедл. исп-я аналогичного в режиме ожидания. Вероятность их безотказной работы - не менее 0,8. (Сист, следящие за больными, ап-ты для стимуляции серд. Деят.)

В – изделия, отказ кот. снижает эф-ть или задерживает леч.-диагн. пр-сс в некритич. ситуац, либо повышает нагрузку на персонал, либо приводит только к матер. ущербу. (Большая часть диагн. и физиотер. ап-туры, инструментарий)

Г — изделия, не содерж. отказоспособных частей. Электромед. ап-тура к этому классу не отн.

М етрология – наука об измерениях, методах и ср-вах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – пр-сс, заключающийся в определении значения величины с помощью специальных технических средств (прямые и косвенные). Погрешность измерений – отклонение рез-та измерения от истин. значения измеряемой величины.

Абсолютная погрешность:

Х – показания прибора,

Х0 – истинное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность:

Точность измерения – величина, отражающая близость рез-тов измерения к истинному значению измеряемой величины. Существуют классы точности приборов.

2. Любое медико-биол. иссл-е связано с полу­чением и регистрацией соответствующей инф-ции. М. указать их общие схемы и принци­пы действия. Чтобы получить и зафиксировать инф-цию о состоянии и параметрах медико-биол. сист, необходимо иметь совокупность уст-в.

Первичный элемент её — чувствительный элемент средства измерений, уст-во съема, — непременно контактирует или взаимодействует с системой, ост. эл-ты находятся обособленно от медико-биосистемы, в некоторых случаях части отнесены на значительные расстояния от объекта измерений.

Рис.1

Структурная схема - рис 1. Отражает всевозможные реальные системы, применяемые в мед. Чувствительный элемент либо прямо выдает эл. сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Уст-во съема преобразует инф-ю в сигнал электронного уст-ва. В мед. э-ке используются два вида уст-в съема: эл-ды и датчики.

Завершающий эл-т измерит. Цепи - средство измерений (отображает или регистрирует инф-цию о биосистеме в форме, доступной для восприятия.

Во многих случаях между уст-вом съема и средством из­мерений имеются элементы, усиливающие нач. сигнал и передающие его на расст.

В стрю схеме (рис. 1) X - некоторый измеряемый пар-р биосистемы, напр, давление кр. У - выходная величина, напр, сила тока (мА) на измер. приборе или смещение писчика (мм) на бумаге рег-щего прибора. Для получения колич. инф-ции о биосистеме д.б. известна зависимость У = f(X).

3. эл-ды для съема биоэл. сигнала — проводники спец. формы, соед-е измер. цепь с биосистемой.

При диагностике эл-ды исп. Также для подведения внешнего электромагни­ного воздействия (реография), для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

По назначению эл-ды для съема биоэл. сигнала 1) для кратковременного применения в кабинетах функц. Диаг. (разового снятия ЭКГ); 2) для длит. Исп-я, (пост. Наблюдении в палатах инт. терапии); 3) для исп-я на подвижных обследуемых, например в спорт. или косм. медицине; 4) для экстр. Применения (скорая пом.). Своя специфика прим-я эл-дов.

К эл-дам предъявляются опр. требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность эл. пар-ров, б. прочными, не создавать помех, не раздражать биоткань и т. п.

Рис.2

На рис.2 показано поперечное сечение двух серебряных пластинок, используемых в качестве эл-дов для снятия биоптцлов и контактирующих с поверхностью кожи (электролит). Так как серебро - хор. проводник эл-ва. При контакте эл-да с кожей (биообъектом) возникающая разность потенциалов - потенциал полуэлемента. Для погруженного в электролит серебра напряжение полуэлемента - 0,8 В. Разность птцлов между контактами физиол. эл-дов, контактирующих с телом - напряжение смещения эл-дов. Если эл-ды химически идентичны, то напряжение смещения равно нулю. На практике между контактами используемых физиол. эл-дов существует н апряжение смещения. При подключении эл-дов с помощью проводников ко входу усилителя последний будет реагировать на пост. напряжение смещения точно так же, как и на физиол. Сигналы от орг-ма.

Значени я полярности потенциалов п олуэлем е нта для эл-д ов определяются применяемыми матер иалами. Бол. напряжение смещения может помешать или повлиять на результат и привести к получению нежел. артефактов. Например, серебреный эл-д создает потенциал полуэлемента + 0,8 В, что приблизительно в 800 раз больше знач. ЭКГ, которые можно измерить на поверхности тела.

Эксперименты: происходящие в эл-дах хим. Явл. м. явиться причиной возникновения флуктуации напряжения шумов при отс-и физиол. сигналов. Такие изменения могут также быть восприняты как артефакты. Как шум, так и потенциал полуэлемента, можно уменьшить, выбрав соотв. материал эл-дов или специально их обработав. Уст, что эл-д серебро-хлорид серебра является наиб. стабильным и его эл-дный потенциал мал. Эл-д такого типа изг. путем хим. покрытия куска почти чист.серебра солью - хлоридом серебра.

При накладывании эл-д а на пов-ть кожи на переходе эл-д-кожа существует опр. эл. сопр-е. Для надежной записи физиол. сигналов, свободной от артефактов, необходимо, чтобы эл-д имел хороший с малым сопр-ем контакт с кожей. Так как верхний слой кожи в знач. мере состоит из мертвых клеток и на нем есть жир и грязь, то ест.эл. сопр-е кожи высоко по сравнению с сопр-ем жидкостей в орг-ме. Слой мертвых клеток может быть удален из области наложения эл-да спиртом. Затем между эл-дом и поверхностью кожи наносят проводящую электролитическую пасту. Эта паста образует мост между ионами тела и поверхностью эл-да и обеспечивает низкое сопр-е перехода эл-д-кожа. Их можно применять и для подготовки места наложения эл-да, и для снижения контактного сопр-я.

Размер и тип используемого эл-да также играют важную роль при определении сопр-я. Круп. эл-ды обычно имеют меньшее сопр-е. Поверхностные эл-ды имеют сопр-е 2000... 10 ООО Ом, а мал. игольчатые - высокое.

Из сказанного выше можно сделать ВЫВОД:

Для кач. регистрации биопотенциалов необходимо обеспечитъ:

1. Низкое переходное сопр-е эл-д-кожа

2. Низкое межэл-дное сопр-е

3. Малый уровень эл-дных потенци­алов, возникающих на пов-ти эл-да в месте контакта с пов-ю кожи.

Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют эл-ды — мет. пластинки с клеммами 1(рис.3), в которые вставляют и закрепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют эл-ды с ЭКГфом. На груди пациента уст-ют грудной эл-д 2.Он удерживается резиновой присоской. Этот эл-д также имеет клемму для штыря кабеля отведений.

Рис.3

4. Многие медико-биол. хар-ки нельзя «снять» эл-дами, так как эти характеристики не отражаются биоэл. сигналом: давление крови, темп, звуки сердца. К ней удобнее подойти как к неэл. величине (пульс). Используют датчики (измерит. преобр-ли).

Датчиком - уст-во, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобр-я или регистрации. Датчик, к кот. подведена измеряемая величина, т.е. 1ый в изм. цепи - первичным.

В рамках мед. э-ки рассм-ся только такие датчики, кот. преобр-ют измеряемую неэл. величину в эл. сигнал. Исп-е эл. сигналов предпочтительнее, т.к. эл. уст-ва позволяют несложно усиливать их, передавать на расст. и регист-ть. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные датчики под воздействием измеряемого сигнала генерируют напряжение или ток. Их типы и явления, на которых они основаны: 1) пьезоэл., пьезоэл. эффект; 2) термоэл., термоэлектричество — явление возникновения ЭДС в эл. цепи, состоящей из посл-но соед. разнородных пр-ков, имеющих разл. темп. спаев; 3) индукционные, электромагнитная индукция; 4) фотоэл., фотоэффект.

Параметрические датчики под воздействием измеряемого сигнала изменяют свой пар-р. Их типы и измеряемый пар-р: 1) емкостные, емкость; 2) реостатные, омическое сопр-е; 3) индуктивные, индуктивность или взаимная индуктивность.

В зависимости от вида энергии, являющейся носителем инф-ции, различают механические, акустические (звуковые), температурные, эл., оптические и др. В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине ( датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д.)

Датчик характеризуется функцией преобразования — функциональной зависимостью выходной величины уот входной х, ко­торая описывается аналитическим выражением у = f(х) или гра­фиком. Наиб. простым и удобным случаем - прямо пропорциональная зависимость у = кх.

Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной:

К = Δу/Δх.

Она в зависимости от вида датчика выражается(Ом/мм), (мВ/К) и т.д.

Существенны врем. хар-ки датчиков. Дело а том, что физ.е пр-ссы в датчиках не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Инерционность датчика оценивается по его переходной хар-ке, выражающей изменение выходной величины во времени при скачкообразном изменении преобразуемой величины на входе (пропорциональна массе датчика). Конструкция датчиков разнообразна. Они — тех. аналогами рецепторов биосистем.

Примеры датчиков:

Рис. 4. Резистивный датчик дыхания

Рис.5. Тензометрические датчики

Рис. 6. Электролитический датчик

Рис.7. Индуктивные датчики

Рис.8. Термопары

Рис. 9. Пьезоэл. датчик

Дата добавления: 2014-01-15