КоврижныхДВ_Лаб.практикум по мед.электронике

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данный лабораторный практикум представляет собой руководство по выполнению лабораторных работ, направленных на изучение принципов работы отдельных узлов и упрощенных электрических схем диагностической и физиотерапевтической медицинской аппаратуры студентами медико-биологических факультетов медицинских вузов. Возможно применение практикума в качестве элективного курса для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов медицинских вузов. Особенностью данного курса является то, что он является виртуальным, т.е. в рамках лабораторных работ в компьютерной программе Electronics Workbench с высокой степенью точности моделируются реальные электрические схемы. Таким образом, каждый студент самостоятельно выполняет сборку, наладку и проверку работоспособности схемы, подключение измерительных инструментов, а также проводит все необходимые измерения.

Необходимо отметить, что особенностью медицинской диагностической аппаратуры является то, что она предназначена для усиления биопотенциалов — очень слабых сигналов. Например, в электрокардиографии биопотенциалы составляют от 0,1 до 5,0 мВ, в электроэнцефалографии — от 0,02 до 0,3 мВ, в электромиографии — от 0,01 до 1,0 мВ, в электроокулографии — от 0,02 до 2 мВ, при регистрации кожно-гальванической реакции — от 1 до 100 мВ. Кроме того, для усиления биопотенциалов как медленно изменяющихся со временем сигналов обычно применяют усилители постоянного тока. Также стоит подчеркнуть, что общее сопротивление биологической системы как источника сигнала достаточно велико. Это предъявляет высокие требования не только к электродам для снятия биопотенциалов, но и к применяемым усилителям.

Несмотря на широкие возможности программы Electronics Workbench, позволяющей моделировать практически любые аналоговые и цифровые цепи, в рамках компьютерной программы невозможно достаточно адекватно смоделировать биологический объект, воздействие на который осуществляется помощью медицинской аппаратуры. Тем не менее,

влабораторном практикуме рассмотрены не только отдельные узлы схем электронной медицинской аппаратуры, но и упрощенные схемы некоторых диагностических и физиотерапевтических приборов.

Представленные в данном практикуме лабораторные работы состоят из трех частей — базовой, заданий для аудиторной СРС (в тексте обозначены как задания для СРС), и задания для внеаудиторной СРС (темы рефератов). Выставление рейтинговых баллов за выполненную лабораторную работу подразумевает суммирование баллов за выполнение базовой части лабораторной работы, заданий по аудиторной СРС и заданий по внеаудиторной СРС с учетом результатов отчета о результатах лабораторной работы.

Задания по самостоятельной работе студентов делятся на две части — аудиторная СРС и внеаудиторная СРС. Первая представляет собой дополнения к лабораторным работам,

вкоторых рассматриваются упрощенные схемы диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, а также их отдельные узлы. В данном курсе представлены схемы для измерения импеданса биологических тканей, умножения напряжения, стабилизации и ограничение напряжения с помощью полупроводниковых стабилитронов, принципиальной схемы аппарата для гальванизации и электрофореза, источников тока на биполярных и полевых транзисторах, упрощенной схемы детектора лжи, схемы для спектрального анализа сигналов различной формы и изучения биений при измерении скорости кровотока, преобразователя сопротивления в напряжение, упрощенной схемы электрокардиографа, упрощенной схемы электроакупунктурного стимулятора, RS– и D–триггеров.

Задания для внеаудиторной СРС представляют собой темы рефератов, более полно раскрывающие применение электронных схем в медицинской электронной диагностической, физиотерапевтической и лабораторной измерительной аппаратуре. В рамках внеаудиторной СРС изучаются методы защиты от поражения электрическим током при эксплуатации

5

электромедицинской аппаратуры, методы измерения импеданса биотканей и регистрации биоэлектрических потенциалов, электроемкостные методы физиологических исследований, регистрация кожно-гальванической реакции по Тарханову и Фере; емкостные, индуктивные датчики в медицинской аппаратуре; электронные пикфлоуметры, пневмотахометры и компьютерные спирометры; фотометрические методы клинико-диагностических исследований; аппараты для терапии постоянным током, импульсными и переменными токами; физические основы электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии, пневмографии, плетизмографии, устройство и принцип работы современного медицинского полиграфа с электронной обработкой информации, спектральный анализ в лабораторных медико-биологических исследованиях, аппараты для диатермии, электрохирургии, дарсонвализации, индуктотермии, УВЧ и СВЧ–терапии; ультразвуковая медицинская аппаратура, электронные электростимуляторы, кардиостимуляторы и дефибрилляторы; применение триггеров в медицинской аппаратуре, медицинская телеметрия. При выполнении лабораторных работ в компьютерных классах вузов не следует сохранять собранные схемы на жестком диске компьютера, категорически запрещается подключать внешние носители, тем более копировать с них или на них любую информацию. Также категорически запрещается вносить и тем более сохранять изменения в элементах цепи и настройках программы.

При оформлении лабораторных работ приветствуется применение информационных технологий при расчетах таблиц, построении графиков и т.д., например, таблиц Microsoft Excel.

6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Цель лабораторной работы: Ознакомление с программой Electronics Workbench, изучение основных элементов электрических цепей, изучение температурных свойств проводников и методов измерения импеданса биологических тканей.

Теоретическая подготовка:

Для подготовки к данной работе прочитайте теоретический материал по теме «Элементы электрических цепей», «Интерфейс программы Electronics Workbench» и «Контрольно-измерительные приборы» [10; сс. 11–14, 247–254]. Основные инструменты

Electronics Workbench приведены в Приложении 1.

Вэлектронной медицинской технике применяются все элементы электрических цепей

—резисторы широко применяются в электрических фильтрах, в резистивных делителях напряжения, в нагрузочных цепях усилительных каскадов, в качестве датчиков в медицинских и лабораторных электрических термометрах (термоэлектрических датчиков), баллистокардиографии и при измерении частоты и глубины дыхания и артериального давления и т.д.; конденсаторы широко применяются в электрических фильтрах, для разделения переменной и постоянной составляющих электрического тока, в качестве индукционных датчиков в баллисто- и фонокардиографии, в измерителях кровяного давления, плетизмографах, сфигмографах и т.д.; катушки индуктивности используются в блоках питания, в схемах гальванической развязки физиотерапевтических приборов, в качестве индуктивных датчиков при измерении давления в желудочно-кишечном тракте; источники постоянного напряжения и постоянного тока широко используются в диагностической и физиотерапевтической электронной технике — аппаратах для гальванизации, электрофореза, депофореза, франклинизации и аэроионотерапии, при измерении электрокожного сопротивления и т.д.; генераторы сигналов различной формы и частоты, в том числе с различными видами модуляции — в дарсонвализации, диатермии, индуктотермии, диадинамотерапии, интерференцтерапии, УВЧ и СВЧ-терапии, в аппаратах для электросна, в аппаратах для обезболивания, электродиагностики и электростимуляции мышц, электро-одонтотестерах, в аппаратах для терапии синусоидальными импульсными и модулированными токами, в электрохирургии (электрокоагуляции и электротомии), в реографии и т.д. Кроме того, в медицинской диагностике широко используется спектральный анализ сигналов, а при моделировании и описании электрических свойств биологических тканей используются свойства и характеристики электрических сопротивлений и емкостей (конденсаторов).

Врамках данной лабораторной работы будут использоваться резисторы, конденсаторы, источники постоянного и переменного напряжений, но рассматриваться будут свойства в основном только резисторов и конденсаторов. Учитывая, что свойства катушек индуктивности студентами медико-биологических факультетов изучаются на втором курсе и к началу изучения медицинской электроники должны быть хорошо изучены, в данной лабораторной работе они рассматриваться не будут. Генераторы переменного напряжения и прямоугольных импульсов будут рассмотрены в Лабораторной работе № 9.

7

Порядок выполнения работы: I Измерение величины сопротивления резистора.

I.1. Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу Electronics workbench. После запуска она будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 1.1. Внешний вид (интерфейс) программы Electronics Workbench.

I.2. Одним из наиболее распространенных в электронной технике элементом является электрическое сопротивление (резистор), которое в зарубежной литературе преимущественно обозначается . В программе Electronics Workbench применяются

обозначения вольтметра и амперметра , которые отличаются от принятых в отечественной литературе обозначений. По умолчанию внутреннее сопротивление вольтметра составляет 1 МОм, а амперметра — 1 мОм. На Рис. 1.2 изображена простейшая схема, которая может быть использована для измерения сопротивления резистора, которое на порядок меньше внутреннего сопротивления вольтметра. Проверим это утверждение.

Рисунок 1.2. Электрическая схема для измерения сопротивления резистора.

Соберите схему, изображенную на Рис. 1.2. Установите напряжение на источнике питания в соответствии с номером Вашего варианта (напряжение в Вольтах численно равно номеру варианта, например, на Рис. 1.2 представлено напряжение на источнике питания для

Варианта №3). Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу окна программы или нажать комбинацию клавиш <CTRL+G>.

8

Устанавливая различные значения сопротивления резистора, произведите измерения силы тока в цепи и падения напряжения на резисторе. Заполните Таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

В третьей колонке Таблицы 1.1 указаны те значения сопротивления, которые необходимо установить в свойствах резистора. Для этого необходимо вызвать окно свойств резистора двойным щелчком левой кнопки мыши или через контекстное меню. Вид окна установки свойств резистора представлен на Рис. 1.3.

Рисунок 1.3. Вид окна установки свойств резистора.

Справа от установки величины сопротивления устанавливается размерность — от Ом до МОм. Получите расчетные значения сопротивления по закону Ома и сравните рассчитанные данные с установленными величинами. Количественное сравнение осуществляется с помощью абсолютной погрешности (модуль разности полученного и истинного значения величины) и относительной погрешности (отношения абсолютной погрешности к истинному значению), которая может быть выражена в процентах. Сделайте вывод о границах применимости такого метода определения сопротивления.

I.3. Для определения больших величин сопротивления может быть применена схема, изображенная на Рис. 1.4.

Рисунок 1.4. Электрическая схема для измерения больших сопротивлений.

9

Соберите схему, изображенную на Рис. 1.4. Установите напряжение на источнике питания в соответствии с номером Вашего варианта. Устанавливая различные значения сопротивления, занесите показания амперметра и вольтметра в Таблицу 1.2.

Таблица 1.2.

Получите расчетные значения сопротивления и сравните рассчитанные данные с установленными величинами. Сделайте выводы о границах применимости рассмотренных схем для определения сопротивления резистора.

I.4. Сопротивление металлического резистора зависит от материала, из которого он изготовлен, длины проводника и площади поперечного сечения. Если к резистору добавить еще один вывод, соединенный с подвижным контактом, который будет перемещать по длине проводника, то можно получить переменный резистор. Переменные резисторы обычно используют в качестве потенциометров (регуляторов напряжения) и реостатов (регуляторов силы тока). Исследуем зависимость сопротивления переменного резистора от положения ползунка. Соберите схему, изображенную на Рис. 1.5.

Рисунок 1.5. Электрическая схема для исследования сопротивления переменного резистора.

Установите напряжение на источнике питания в соответствии с номером Вашего варианта. Уменьшение на 5% значения сопротивления переменного резистора (в программе Electronics Workbench — потенциометра) по умолчанию осуществляется нажатием клавиши [R] (ее можно задавать в свойствах потенциометра, на схеме клавиша указана в квадратных скобках), увеличение на 5% — [Shift-R]. Изменяя относительное сопротивление переменного резистора (в процентах), определите зависимость абсолютного сопротивления (в Омах).

Таблица 1.3.

10