Тема: «Устройства съема медицинской информации» (Датчики)
Структурная схема съема, передачи и регистрации биоэлектрических сигналов.
2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала, требования предъявляемые к ним
3 Эквивалентная схема регистрации биопотенциала.
– Почему необходимо снижать переходное сопротивление электрод-кожа и каковы методы его уменьшения?
– Почему при регистрации биопотенциалов недопустимо применение электродов из разных материалов?
Примеры использования электродов в стоматологии.
Назначение датчиков как элементов общей схемы получения медико-биологической информации. Классификация датчиков.
Основные характеристики датчиков (функция преобразования, чувствительность, динамический диапазон, время реакции, стабильность параметров).
Термистор как датчик температуры, его чувствительность.
Термопара как датчик температуры, ее чувствительность.
Термодатчики в стоматологии. Методика измерения температуры в камере пульпы во время изготовления провизорных протезов.
1. Структурная схема съема, передачи и регистрации биоэлектрических сигналов
Общая структурная схема измерительной цепи для получения и регистрации информации о биологическом объекте приведена на рис. 1.
Рис. 1 Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации
Эта схема соответствует всем возможным реальным системам, применяемым в медицине для диагностики и исследования.
Здесь x — некоторый измеряемый параметр биологического объекта, подаваемый на вход системы. Это может быть биопотенциал, давление крови, температура и т. д., y обозначает величину, регистрируемую на выходе измерительным прибором, например, силу тока (мА), напряжение (мВ) или смещение пера (мм) на бумаге регистратора. Для получения количественной информации должна быть известна зависимость y = f(x).
Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие, т.е. увеличивающие по величине начальный сигнал или передающие его на расстояние.
В качестве примера рассмотрим схему получения электрокардиограммы (ЭКГ) с помощью элекрокардиографа.
Она включает в себя следующие элементы:
электроды, налагаемые на тело пациента и соединенные с кардиографом проводами или через ИК-порт (ИК – инфракрасный);
дифференциальный усилитель, позволяющий усиливать снимаемый с тела пациента сигнал (ЭКГ), до уровня, обеспечивающего его регистрацию, и уничтожать сигнал помехи;
регистрирующее устройство, записывающее усиленный сигнал ЭКГ на бумажный носитель или сохраняющий его в электронном виде.
2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала, требования предъявляемые к ним
Электроды — обычно металлические проводники специальной формы, с помощью которых органы, поверхность кожи и т. д. включаются в электрическую цепь. Электроды применяются как для съема электрических потенциалов, имеющихся в живом организме (получение электрограмм), так и для подведения внешнего электрического воздействия (например, при гальванизации, реографии, электростимуляции, высокочастотной электрохирургии).
В медицине к электродам предъявляют специфические требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, обладать постоянством электрических параметров, эластичностью, прочностью, не давать помех, не оказывать раздражающего действия.
Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для снятия биоэлектрических сигналов, обусловленных функциональной активностью органов и систем человека или животного, заключается в том, чтобы свести к минимуму потери полезной информации. Биоэлектрические сигналы имеют малую амплитуду — у человека от 0,01 до 50 мВ. Поэтому важнейшее требование к электродам — передать снимаемый сигнал на измерительный прибор после необходимого усиления с минимальными потерями.
3. Эквивалентная схема регистрации биопотенциала
Р
ассмотрим
эквивалентную схему первичного участка
электрической цепи, применяемой для
измерения биопотенциалов некоторого
биообъекта (рис. 2).
Источник электродвижущей силы (ЭДС) БП на этой схеме моделирует источник биопотенциалов с соответствующей амплитудой (например, сердце или мышцу), Ri — переходное сопротивление (сопротивление внутренних тканей кожи и электродов), Rвx — обязательное для усилителя входное сопротивление, I — ток, обусловленный источником биопотенциалов, Uвx — напряжение на сопротивлении Rвx, которое подлежит усилению.
Из закона Ома для последовательной цепи с источником тока (рис. 2) следует, что:
,
(1)
.
(2)
Подставив (1) в (2), получим:
(3)
Из анализа (3) очевидно, что напряжение на входе усилителя меньше, чем значение информационного сигнала — биопотенциала БП (знаменатель в (3) > 1), а также то, что полезный сигнал увеличивается (Uвх БП) с уменьшением переходного сопротивления Ri и увеличением Rвx.
Придерживаются правила: входное сопротивление усилителей для электрофизиологических исследований должно в 10-20 раз превышать наибольшее возможное электрическое сопротивление объекта.
Рассмотрим способы снижения переходного сопротивления. Оно зависит от типа металла электрода, площади соприкосновения электрода с кожей, свойств кожи. Для чистой сухой кожи переходное сопротивление составляет около 1 МОм. Марлевая прокладка, смоченная физиологическим раствором, снижает его до десятков кОм. Еще более снижают переходное сопротивление специальные электропроводящие пасты. Снижения переходного сопротивления можно также достичь за счет уменьшения удельного сопротивления материала электрода и увеличения площади его контакта с кожей.
Следует также учитывать, что в месте контакта электрода с кожей происходит диффузия электронов из металла в тканевый электролит, и возникает электродный потенциал , значение которого зависит от вида металла. Электродные потенциалы обоих электродов обязательно должны быть одинаковы, это условие выполняется, если они изготавливаются из одного и того же материала и одинаковым образом накладываются. В противном случае возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на полезный сигнал.