tema_3

Ф КГМУ 4/3-06/02
ИП №6 УМС при КазГМА
от 14 июня 2007 г.
Карагандинский государственный медицинский университет
Кафедра медицинской биофизики и информатики











Методические рекомендации для практических занятий

Тема: Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики.
Специальность: 5D130100 «Общая медицина»
Дисциплина: OODO12 МВ 1112 медицинская биофизика
Курс: I
Составитель: преподаватель Коршуков И.В.
























Караганда 2011


Обсуждены и утверждены на заседании кафедры
Протокол № __ от «__» ______20_
зав. кафедрой _______________ Койчубеков Б.К.

Тема: «Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики».
Цель занятия: Изучить первичные звенья получения медико-биологической информации такие как датчики и электроды. Получить представление о принципах их работы, возможных конструкциях, области применения и ограничениях, проблемах возникающих в ходе регистрации как электрических так и неэлектрических величин
Задачи обучения:
В результате изучения темы студент будет способен:
Дать определения основным терминам и понятиям темы: прямое измерение/опосредованное измерение, электрод/датчик и т.д.
Классифицировать электроды и датчики
В результате изучения темы студент должен знать:
Общую структуру системы съема, обработки и регистрации биосигналов.
Конструктивные решения лежащие в основе устройства электродов и датчиков.
Основные схемы наложения электродов используемые в электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии.
Основные вопросы темы:
Общая схема съема, обработки и регистрации биосигналов.
Прямое измерение физиологических параметров (электрических величин). Определение термина «электрод». Классификация электродов.
Использование электродов в методах электрографии и электротерапии. Электрод заземления. Рабочий электрод. Электрод сравнения (референтный). Активный электрод. Индифферентный электрод.
Основные методы электрографии. Прямая и обратная задачи электрографии.
Разность потенциалов между точками тела. Определение термина «отведение». Системы отведений используемые в электрографических методах.
Погрешности при регистрации электрических величин. Импеданс. Артефакты.
Опосредованное измерение неэлектрических физиологических параметров. Примеры. Определение термина «датчик». Классификация датчиков.
Причины возникновения погрешностей при регистрации биосигналов.
Методы обучения и преподавания:
Опрос по основным вопросам темы. Работа в малых группах.

Литература
Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика., Высшая школа, 2004. с. 307 – 319.
Н.М. Ливенцев «Курс физики» М. Высшая школа 1978. с.140-146.
Л.Кромвелл и соавт., перевод М.К.Размахнина «Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения» М. Радио и связь 1981, стр. 15-24, 76-115.
В.Д. Жуковский «Медицинские электронные системы», М. Медицина 1976 стр. 29-65.
Лекция №17 «Принципы работы приборов, регистрирующих биопотенциалы»
Дополнительная
Теория и проектирование диагностической электронно-медицинской аппаратуры. Учебное пособие. Под общей редакцией проф. В. М. Ахутина Ленинград 1980 с.4-31.
Статья «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» из Википедии .
Статья «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» из Википедии.
Контроль: контрольные вопросы по теме занятия
Общая схема получения биомедицинского информации.
Электроды. Определение, классификация.
Погрешности при регистрации биосигнала.
Основные методы регистрации биопотенциалов
Схемы наложения электродов применяемые в ЭКГ.
Схемы наложения электродов применяемые в ЭЭГ.
Электрическая регистрация неэлектрических величин.
Датчики. Определение, классификация.

13 TOC \o "1-3" \h \z \t "Header2;2;Header3;3;Header1;1" 1413 LINK \l "_Toc253743674" 14КОМПОНЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ 13 PAGEREF _Toc253743674 \h 1451515
13 LINK \l "_Toc253743675" 14ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 13 PAGEREF _Toc253743675 \h 1451515
13 LINK \l "_Toc253743676" 14АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 13 PAGEREF _Toc253743676 \h 1451515
13 LINK \l "_Toc253743677" 14ДИСПЛЕИ (устройства отображения информации) 13 PAGEREF _Toc253743677 \h 1451515
13 LINK \l "_Toc253743678" 14СТИМУЛЯЦИЯ 13 PAGEREF _Toc253743678 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc253743679" 14СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА 13 PAGEREF _Toc253743679 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc253743680" 14ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА 13 PAGEREF _Toc253743680 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc253743681" 14ДИАПАЗОН 13 PAGEREF _Toc253743681 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc253743682" 14ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ 13 PAGEREF _Toc253743682 \h 1471515
13 LINK \l "_Toc253743683" 14ТОЧНОСТЬ 13 PAGEREF _Toc253743683 \h 1471515
13 LINK \l "_Toc253743684" 14ЛЕГКОСТЬ КАЛИБРОВКИ 13 PAGEREF _Toc253743684 \h 1471515
13 LINK \l "_Toc253743685" 14СТАБИЛЬНОСТЬ 13 PAGEREF _Toc253743685 \h 1471515
13 LINK \l "_Toc253743686" 14ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН 13 PAGEREF _Toc253743686 \h 1471515
13 LINK \l "_Toc253743687" 14ОТСУТСТВИЕ ШУМОВ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ПОМЕХ, АРТЕФАКТОВ) 13 PAGEREF _Toc253743687 \h 1471515
13 LINK \l "_Toc253743688" 14УДОБСТВА ДЛЯ ПАЦИЕНТА И ЕГО БЕЗОПАСНОСТЬ 13 PAGEREF _Toc253743688 \h 1481515
13 LINK \l "_Toc253743689" 14МЕДИЦИНСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 13 PAGEREF _Toc253743689 \h 1481515
13 LINK \l "_Toc253743690" 14ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 13 PAGEREF _Toc253743690 \h 14101515
13 LINK \l "_Toc253743691" 14ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СНЯТИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ 13 PAGEREF _Toc253743691 \h 14121515
13 LINK \l "_Toc253743692" 14ЭЛЕКТРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТВЕДЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ 13 PAGEREF _Toc253743692 \h 14151515
13 LINK \l "_Toc253743693" 14ОТВЕДЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ 13 PAGEREF _Toc253743693 \h 14161515
13 LINK \l "_Toc253743694" 14ДАТЧИКИ 13 PAGEREF _Toc253743694 \h 14181515
13 LINK \l "_Toc253743695" 14ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА 13 PAGEREF _Toc253743695 \h 14191515
13 LINK \l "_Toc253743696" 14ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ 13 PAGEREF _Toc253743696 \h 14201515
13 LINK \l "_Toc253743697" 14ПОГРЕШНОСТИ УСТРОЙСТВ СЪЕМА ИНФОРМАЦИИ 13 PAGEREF _Toc253743697 \h 14251515
15
Термин инструмент имеет несколько значений, основное из которых - это орудие, инструмент, прибор. Приборы для измерения длины, массы, давления или какой-либо иной физической величины также являются инструментами
Термин оборудование или аппаратура означает группу приборов или инструментов, применяемых для выполнения специальных действий или функций.
В учреждениях здравоохранения для диагностики и лечения заболеваний пользуются широким набором разнообразных инструментов и приборов. Во многих приборах используются электрические явления. Все вместе они образуют совокупность, получившую название медицинской аппаратуры. В широком смысле медицинская аппаратура включает в себя все типы инструментов и приборов, используемых для различных аспектов клинической медицины и медицинских исследований.
Основной задачей медицинской аппаратуры является измерение физиологических переменных или параметров. Переменная есть некоторая величина, значения которой изменяются в течение времени. Переменная, связанная с физиологическими процессами в организме, называется физиологической. Примерами физиологических показателей является температура тела, электрическая активность сердца, определяемая ЭКГ, артериальное давление, параметры дыхательной активности. Измерение физиологических показателей необходимо и при диагностике заболеваний, и при наблюдении за процессом лечения. В любом случае измеренные значения сравнивают с так называемыми нормальными, полученными при тех же самых измерениях у большого числа здоровых людей.
Чтобы физиологический показатель был полезен при диагностике данного заболевания, его значение должно значительно отличаться от нормального. Важно, чтобы этот показатель можно было легко измерить, метод его измерения должен создавать пациенту минимально возможные неудобства. Одни физиологические показатели, такие как температура тела и пульс, удовлетворяют обоим требованиям и уже давно используются для диагностики, другие, обеспечивающие важную информацию, труднее поддаются измерению и для их изучения необходима сложная электронная аппаратура.
Одни физиологические показатели, такие как масса и температура тела, изменяются относительно медленно, следовательно, их можно измерять не так уж часто. Другие непрерывно и достаточно быстро меняются, и для их измерения и регистрации необходимы приборы, которые достаточно быстро реагируют на эти изменения. Мгновенное значение физиологических показателей, например напряжение электрокардиосигнала, несет мало информации. Чтобы показатель был полезным, его следует регистрировать в течение определенного временного интервала. Запись ЭКГ необходимо производить в течение по крайней мере одного цикла работы сердца. В некоторых случаях клинически важная информация появляется при регистрации весьма редко и физиологический показатель следует регистрировать длительное время, чтобы определить наличие существенных явлений.
Иногда важную для диагностики информацию можно получить только при измерении физиологического показателя с использованием определенной стимуляции. Стимуляция предполагает создание определенных условий или использование специальных средств, таких, например, как глюкоза при проверке восприимчивости пациента к ней, или определенной программы упражнений при записи ЭКГ пациента под нагрузкой. Изменения физиологических показателей при стимуляции пациента являются откликом на стимуляцию.
КОМПОНЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ
Независимо от сложности каждый медицинский прибор для измерения физиологических показателей может быть разделен на три основные части: преобразователь, аппаратура для обработки сигнала и устройство отображения информации или дисплей. Некоторые приборы, кроме того, содержат блоки для формирования и применения стимулирующих воздействий. В некоторых прибоpax эти компоненты выделить легко, в других - функции различных блоков разделить трудно. В последующих разделах мы рассмотрим каждый из этих компонентов и объясним принцип их работы.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Преобразователь - это часть прибора, которая способна «чувствовать» или воспринимать измеряемый физиологический показатель. В преобразователе измеряемая информация преобразуется в электрический сигнал, который изменяется точно так же, как и измеряемый показатель. Если, например, измеряется артериальное давление, то создаваемое преобразователем напряжение увеличивается при возрастании давления и уменьшается при снижении, причем изменение напряжения точно повторяет изменение давления. Даже те физиологические показатели, которые имеют по существу электрическую природу, такие как ЭКГ и электроэнцефалограмма, требуют при измерении использования преобразователей, называемых электродами, которые преобразуют ионное напряжение в электрический сигнал.
Так как преобразователь в большинстве случаев должен быть прикреплен к телу пациента или даже введен в некоторый орган, то его часто выделяют из прибора. Крепление преобразователя к телу часто определяет возможность правильного функционирования прибора.
Таким образом информация преобразуется в преобразователе в электрический сигнал, следовательно, для понимания принципов работы и использования медицинской аппаратуры необходимо знать основы электротехники.
АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В большинстве приборов электрический сигнал, поступающий от преобразователя, должен пройти обработку, прежде чем он примет форму, удобную для дальнейшего его использования в устройстве отображения. Такая модификация или обработка сигнала выполняется в специальных блоках прибора - блоках обработки сигналов.
Электрический сигнал, получаемый от большинства преобразователей, мал, поэтому его следует усилить. Усиление осуществляется с помощью электронных приборов, т. е. приборов, в которых осуществляется управление электронными потоками. Блок обработки сигналов в приборе может состоять только из одного простого усилителя, а может включать и много устройств, которые модифицируют или обрабатывают сигнал различными способами. Обычно блоки обработки сигналов встраивают в основной корпус прибора или в стойку системы. В большинстве случаев ручки органов управления прибором находятся на передней панели, что позволяет оператору настраивать или отлаживать определенные характеристики прибора.
ДИСПЛЕИ (устройства отображения информации)
Если результаты измерений имеют важное значение, то они должны быть представлены в такой форме, чтобы человек мог воспринимать их. Та часть прибора, которая преобразует модифицированный электрический сигнал, появляющийся на выходе блоков обработки сигнала, в форму, удобную для восприятия, называется дисплеем или устройством считывания результатов. Дисплей может иметь вид какой-либо индикаторной лампы, стрелочного прибора, зуммера сигнала тревоги, устройства записи на бумажную ленту, экрана осциллографа (на основе электронно-лучевой трубки, аналогичной той, которая используются в телевизорах) и т. д.
Иногда в одном и том же приборе могут использоваться несколько различных дисплеев. Например, монитор состояния пациента может отображать ЭКГ на экране осциллографа, частоту сокращения сердца на стрелочном приборе и подавать сигнал о наступлении опасного состояния -с помощью зуммера.
СТИМУЛЯЦИЯ
В состав некоторых приборов входят средства для формирования, подачи к пациенту и управления сигналами стимуляции. При измерении, например, времени нервной проводимости необходима электрическая стимуляция (легкий удар током). Отклик на стимуляцию (мускульная реакция или активность другой части нервной системы) измеряется соответствующим преобразователем и результаты отображаются на экране осциллографа.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА
Функционирование прибора часто описывают с помощью структурной схемы. В такой схеме каждый квадрат или блок соответствует узлу прибора. Стрелки указывают направление передачи сигнала или информации между блоками. Структурная схема на рисунке демонстрирует основные компоненты медицинского прибора. Здесь стимулирующее воздействие приложено к телу пациента. Преобразователь (иногда их несколько) воспринимает измеряемый физиологический показатель и формирует электрический сигнал, который модифицируется в блоке обработки сигнала. Модифицированный сигнал преобразуется с помощью дисплея в воспринимаемую информацию. В тех случаях, когда для получения необходимого набора измерений используется более одного прибора, формируется система приборов. Она может включать в свой состав несколько преобразователей, набор блоков и устройств обработки сигналов и различные устройства отображения. Часто информация от нескольких преобразователей записывается на соседних дорожках одного и того же самописца или отображается на одном экране осциллографа. Измеренные данные от каждого преобразователя образуют канал информации. Система приборов может также включать в свой состав аппаратуру (например, магнитофон) для регистрации информации, поступающей по нескольким каналам, которая позволяет в дальнейшем при необходимости воспроизвести ее.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА
ДИАПАЗОН
Диапазон прибора - полный набор значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор в нормальном режиме функционирования. Для прибора, измеряющего физиологические показатели, диапазон простирается от наименьшего значения показателя, которое прибор способен точно измерить, до наибольшего. Например, для монитора ритма сердца диапазон от 0 до 250 ударов в минуту. При этом можно ожидать, что такой прибор будет правильно измерять и указывать любое значение ритма сердца между этими двумя пределами.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Существует два толкования термина чувствительность, которые используются для описания медицинских приборов. Прежде всего, это способность прибора измерять и обнаруживать малые изменения измеряемых показателей. Более чувствительный прибор способен обнаруживать и отображать меньшие изменения показателя, чем менее чувствительный. Чувствительность прибора частично зависит от разрешения дисплея. Разрешение - это способность индицировать наименьшие изменения, которые могут быть считаны с дисплея. Например, если в качестве дисплея используется стрелочный прибор, то прибор, имеющий большую шкалу с хорошо различимыми рисками между цифрами, позволяет производить отсчеты значительно точнее, чем прибор с небольшим стрелочным индикатором, и следовательно, имеет более высокое разрешение.
Другое определение чувствительности связывает значение измеряемого физиологического показателя с размерами бумажной ленты самописца или с высотой регистрируемой кривой на. экране осциллографа. Дисплей монитора, например, может иметь чувствительность 1 мВ напряжения на каждый сантиметр высоты кривой ЭКГ на экране. Зная чувствительность, легко определить, что кривая, имеющая на экране высоту зубца R 3 см, отображает ЭКГ, в которой максимальная высота зубца R 3 мВ. Часто предусматривается регулировка чувствительности (с соответствующим обозначением на ручке «Чувствительность»), позволяющая подстраивать чувствительность прибора.
ТОЧНОСТЬ
Точность прибора - это его способность точно указывать истинное значение измеряемого показателя. Точность означает также отсутствие ошибок, хотя она иногда выражается через максимальную ошибку, которую может допустить прибор. Ошибка (погрешность) определяется отклонением значения, указываемого прибором, от истинного значения измеряемого показателя. Точность не надо смешивать с разрешением. Возможность считывать с цифрового дисплея отсчеты с четырьмя цифрами еще не гарантирует, что точность прибора будет высока.

Рис.2 ЭКГ со стандартным калибровочным импульсом
ЛЕГКОСТЬ КАЛИБРОВКИ
Калибровкой называется процедура, с помощью которой прибор настраивают так, чтобы его показания как можно точнее соответствовали истинным измеряемым значениям. Иногда калибровка выполняется с помощью измерения величин, истинные значения которых известны точно, и соответствующей регулировки прибора. Приборы другого типа калибруют, сравнивая показания прибора с показаниями другого вочным импульсом прибора, который служит образцом, эталоном или стандартом. Калибровка одних приборов производится легко, а для калибровки других необходимо выполнить, трудные и длительные процедуры. Соответствующая калибровка прибора значительно повышает его точность. На рисунке 2 показана ЭКГ с калибровочным стандартным прямоугольным импульсом амплитудой 1 мВ. Напряжение в любой точке можно - точно определить, сравнив его с напряжением калибровочного импульса. Однако для этого прибор должен быть отрегулирован так, чтобы вершина калибровочного импульса с амплитудой 1 мВ на графике соответствовала определенному уровню.
СТАБИЛЬНОСТЬ
Однажды откалиброванный прибор будет сохранять точность лишь такой период времени, в течение которого не происходит отклонений от условий калибровки. Постепенное ухудшение точности после калибровки называется дрейфом прибора. Стабильность прибора - это его способность сохранять точность в течение заданного времени после калибровки. Стабильный инструмент редко требует повторной калибровки, а прибор с плохой стабильностью необходимо калибровать часто.
ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН
Одни физиологические показатели изменяют свои значения быстро, а другие медленно. Многие показатели, такие как ЭКГ, отражают и быстрые, и медленные изменения. Поэтому медицинский прибор должен отслеживать быстрые и медленные изменения. Сложный колебателный процесс можно охарактеризовать диапазоном или полосой частот. Частота выражается в циклах в секунду или герцах (Гц). Полоса частот, в котором прибор способен отслеживать изменения измеряемой величины, составляет его частотный диапазон. Таким образом, частотный диапазон прибора должен соответствовать полосе частот, в которую попадают все изменения измеряемой величины. Это основное условие адекватного представления показателя.
ОТСУТСТВИЕ ШУМОВ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ПОМЕХ, АРТЕФАКТОВ)
Сигнал, поступающий от преобразователя - изменения напряжения, соответствующие измеряемой -информации. Однако наряду с сигналом в этом напряжении часто присутствуют и другие изменения. Эти нежелательные изменения, обычно называемые шумом, интерференцией, помехами или артефактами, также участвуют в формировании результирующего сигнала, появляющегося на дисплее.
Артефакт представляет собой любое искусственное изменение измеряемого показателя, такое, например, которое возникает на ЭКГ при движении пациента. Если в качестве дисплея используется экран монитора, то помехи могут проявиться в виде высокочастотных изменений, наложенных на кривую, что придает изображению «пушистый» вид. В стрелочных приборах или в некоторых других типах дисплеев интерференция может привести к ошибочным измерениям.
Могут существовать различные источники шумов и интерференции. При измерении ЭКГ, электроэнцефалограммы (ЭЭГ) или других биоэлектрических потенциалов тело пациента может действовать в качестве антенны и улавливать энергию с частотой 50 Гц от электроламп, электропроводки или от другого электрооборудования. Эта энергия с частотой 50 Гц может также улавливаться длинными входными кабелями прибора.
Шумы могут появляться из-за воздействия линий питания аппаратуры или генерироваться внутри самой аппаратуры. Преобразователь наряду с измеряемым показателем может улавливать и другие нежелательные при данном измерении показатели. Если, например, электрод ЭКГ размещен над мышцей, то активация этой мышцы может вызвать наложение нежелательного сигнала электромиограммы (ЭМГ) на ЭКГ.
В некоторых приборах предусмотрены специальные меры для устранения или ослабления воздействия определенных видов шумов или интерференции. Во многих случаях хорошее знание прибора позволяет оператору принять определенные меры для уменьшения интерференции.
УДОБСТВА ДЛЯ ПАЦИЕНТА И ЕГО БЕЗОПАСНОСТЬ
При измерении физиологических показателей часто бывает необходимо ввести или подсоединить преобразователь к такой точке организма, где эти показатели можно измерить. Многие физиологические показатели можно измерять, размещая преобразователь вне тела или на поверхности кожи. Измерения такого типа называют неинвазивными (невторгающимися). Некоторые измерения требуют инвазивных (вторгающихся) методов - преобразователь или катетер размещают внутри тела. Например, при прямом измерении артериального давления катетер с преобразователем следует ввести внутрь артерии. Введение преобразователя в тело обычно связано с определенным риском для пациента, поэтому этот метод рассматривают как дискомфортный. Следовательно, если это возможно, предпочтительнее проводить измерения с помощью неинвазивных методов. Если, однако, неинвазивные методы применить нельзя, нужно использовать инвазивные.
Прибор, предназначенный для выполнения исследований с введением преобразователя внутрь тела, должен удовлетворять определенным требованиям. Он должен выдерживать стерилизацию, по возможности минимизировать травмы и дискомфорт пациента. При введении в сердечно-сосудистую систему та часть прибора, которая вводится в поток крови, должна быть нетромбогенной (не способствовать образованию сгустков или тромбов) и непирогенной (не выделять тепло).
Можно отметить, что развитие техники и технологии сделало возможным замену некоторых старых инвазивных клинических методов новыми неивазивными, которые позволяют получить аналогичную информацию. Например, эхокардиографию, при которой для получения функциональной информации о сердце используется ультразвуковая энергия, в настоящее время часто применяют вместо некоторых клинических диагностических методов, которые требовали катетеризации.
Даже использование неинвазивных приборов может создать определенный дискомфорт для пациента. Например, долговременное наложение ЭКГ электродов может вызвать раздражение кожи. Степень дискомфорта в значительной мере зависит от длительности процедуры. Поэтому лечащий персонал должен быть подготовлен быстро выполнять дискомфортные процедуры.
Здесь следует упомянуть и другую опасность для пациента, возникшую при использовании медицинской аппаратуры. Когда для обследования или лечения пациента используется аппаратура, получающая питание от силовых электрических линий, существует опасность поражения пациента электрическим током. Она значительно возрастает в тех случаях, когда пациент подсоединяется к прибору (например, электрокардиографу или монитору ЭКГ) или когда возникают электропроводящие пути между внешними и внутренними участками тела (особенно пути, ведущие к сердцу).
МЕДИЦИНСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Все медицинские параметры, подлежащие измерению и регистрации, можно разделить на две группы: измеряемые непосредственно; измеряемые опосредованно.
13 EMBED OrgPlusWOPX.4 1415
К первой группе относятся, например, движения, связанные с сердечными сокращениями, температура тела, биоэлектрические потенциалы. Съем этих величин осуществляется с помощью соответствующих устройств, которые непосредственно воспринимают от исследуемого организма изменения тех или иных параметров: механического перемещения, температуры, электрического потенциала.
Ко второй группе параметров относятся такие, которые сами по себе не могут быть измерены, либо проведение подобных замеров затруднено, но изменения которых приводят к изменениям других показателей, более удобных для измерения. Иными словами, интересующие врача те или иные стороны жизнедеятельности организма оцениваются косвенным путем измерения некоторых вспомогательных величин. Так, например, электрическое сопротивление некоторого участка тела может интересовать врача как определенная характеристика кровенаполнения этого участка; изменения степени поглощения света тканями могут быть связаны с изменениями объема органа или части тела. Очевидно, что для параметров, измеряемых опосредованно, требуется обратить особое внимание на установление первоначальных зависимостей между параметрами, интересующими врача, и фактически измеряемыми косвенными показателями.
Устройства съема медицинской информации обеспечивают получение сигналов, связанных с теми или иными явлениями, происходящими в живом организме. Устройства съема - переходное звено между исследуемым организмом и последующими устройствами усиления сигналов, их отображения, регистрации, передачи по каналу связи, обработки и т.д. В дальнейшем будут рассматриваться устройства съема, выходным сигналом которых является электрический сигнал.
Независимо от особенностей конкретных технических реализаций к устройствам съема можно предъявить ряд общих требований. Они должны обеспечивать:
получение устойчивого информативного сигнала;
минимальное искажение полезного сигнала;
максимальную помехозащищенность;
удобство размещения в необходимом для измерения месте;
отсутствие побочного - раздражающего или другого действия на организм;
возможность стерилизации (без изменения характеристик) и многократного использования.
Всю совокупность различных устройств съема медицинской информации целесообразно подразделить на две большие группы (рис. 3): электроды и датчики (преобразователи).
13 EMBED OrgPlusWOPX.4 1415
Рисунок 3. Классификация устройств съема медицинской информации.
Электроды - это проводники специальной формы, с помощью которых часть электрической цепи, составленная из проводов, соединяется с другой частью этой цепи неметаллического типа проводимости (например, с той или иной частью тела, органом, поверхностью кожи и т. д). Электроды чаще всего используются для съема электрического сигнала реально существующего в исследуемом организме. Они просто выполняют роль контакта в электрической цепи, осуществляя отведение электрического сигнала с той или иной степенью потерь, зависящей от качества контакта между электродом и той частью организма, с которой он соприкасается.
Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. Два электрода приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют меняющуюся во времени разность потенциалов. Временная зависимость изменения этой разности потенциалов
·
·(t) называется электрограммой.
В зависимости от вида тканей (или органов), биоэлектрическая активность которых исследуется, различают:
электрокардиографию (ЭКГ) - исследование электрической активности сердца;
электроэнцефалографию (ЭЭГ) - исследование биоэлектрической активности мозга,
электромиографию (ЭМГ) - анализ электрической активности мышц,
Регистрация ЭМГ осуществляется с использованием:
введённых в мышцу игольчатых электродов, при этом улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном.
накожных электродов. Отражает процесс возбуждения мышцы как целого.
стимуляционной электромиографии - при искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную деятельность, определить скорость проведения возбуждения по нерву.
электроокулографию (ЭОГ) - исследование изменений потенциала, обусловленного движением глазного яблока;
электрогастрографию (ЭГГ) - анализ вариации электрических сигналов, вызванных моторной деятельностью желудка.
Это наименование объединяет группу электрофизиологических методов, основанные на взаимосвязи электрической и сократительной активности ЖКТ. Они включают в себя либо регистрацию биопотенциалов с фиксированных на стенках органов электродов, так называемая прямая электрогастроэнтерография, либо регистрацию биопотенцилов с накожных электродов, закреплённых на животе или конечностях – непрямая или периферическая электрогастроэнтерография. Периферическая электрогастроэнтерография, будучи неинвазивной, т.е. не требуя никакого вторжения в организм человека, хорошо переносится всеми больными.
В принципе указанный перечень методов исследования биоэлектрической активности тех или иных органов может быть расширен.
В электрографии существуют две фундаментальные задачи:
1) прямая задача – расчет распределения электрического потенциала на заданной поверхности тела по заданным характеристикам эквивалентного генератора
2) обратная задача – определение характеристик эквивалентного генератора (изучаемого органа) по измеренным потенциалам на поверхности тела.
В некоторых случаях электроды могут использоваться не для съема электрических потенциалов, реально имеющихся в живом организме, а для подведения к организму некоторого внешнего электрического воздействия.
Такая ситуация имеет место, например, в электроплетизмографии (реографии), с помощью которой исследуются колебания интенсивности кровотока в органе или кровеносном сосуде. Переменное напряжение достаточно высокой частоты (30-250 кГц) прикладывается с помощью электродов к исследуемому участку тела. Измеряя вариацию полного электрического сопротивления (импеданс) тканей, включающего активную и реактивную компоненту, можно судить о характере изменения кровенаполнения тканей.
К электродам, как элементам съема медико-биологической информации, обычно предъявляются специфические требования:
они должны быстро фиксироваться и сниматься,
обладать низкой стоимостью,
высокой стабильностью электрических параметров,
эластичностью при достаточной механической прочности,
не давать артефактов и помех,
не оказывать раздражающего действия.
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ


Рис. 4. Химические реакции между металлом и электролитом: а-потенциал полуэлемента для серебряного электрода; б-потенциал полуэлемента для медного электрода; в-результирующее напряжение между контактами.

Простейшие электроды, используемые для измерения биопотенциалов, представляют собой кусочки металла, которые можно размещать на поверхности или внутри тела; при этом жидкости, входящие в состав организма, можно рассматривать как электролиты. В результате электрохимической реакции между металлом и раствором возникает разность потенциалов (напряжение). Химические реакции, которые протекают между металлами и электролитами, влияют на функционирование физиологических электродов. Эти же реакции обусловливают и функционирование обычной батареи или гальванического элемента. Следовательно, химические принципы работы простого гальванического элемента (рис. 4), можно использовать для объяснения основ теории электродов.
На рис. 4а показан серебряный электрод, погруженный в соляной раствор, являющийся электролитом. Так как серебро является хорошим проводником электричества, то оно имеет избыток слабо удерживаемых или относительно свободных валентных электронов. При погружении серебра в электролит некоторые из его валентных электронов переходят в раствор; это приводит к тому, что бывший ранее электрически нейтральным электрод становится заряженным положительно по отношению к электролиту. Возникающая разность потенциалов называется потенциалом полуэлемента; это один из двух потенциалов, ассоциирующихся с гальваническим элементом или батареей. Для погруженного в электролит серебра напряжение полуэлемента составляет примерно 0,8В, при этом электрод положителен по отношению к электролиту. При погружении в электролит медного электрода (рис. 4б) некоторые из его валентных электронов также переходят в раствор, это приводит к тому, что медный электрод становится положительно заряженным по отношению к электролиту. Значение этого потенциала полуэлемента составляет приблизительно 0,3В, при этом медный электрод также является положительным по отношению к электролиту. На рис. 4в показаны оба металла, погруженные в электролит. Так как потенциалы полуэлементов для серебра и меди равны соответственно 0,8 и 0,3В и оба электрода положительны по отношению к электролиту, то разность потенциалов между электродами 0,5В (+0,8В - (+0,3В)=0,5В). Серебряный электрод положителен по отношению к медному электроду. Таким образом, при погружении в один и тот же электролит двух разнородных металлов между их контактами появляется постоянное напряжение. Такие металлы можно использовать для создания батареи. Из предыдущего объяснения должно быть ясно, что два одинаковых металлических образца, погруженные в один и тот же электролит, не должны создавать разности потенциалов.

Рис. 5. Электродный потенциал смещения: а-серебряные электроды, размещенные на поверхности кожи; б-напряжение смещения поступает на вход усилителя.
На рис. 5 показано поперечное сечение двух серебряных пластинок, используемых в качестве электродов для снятия биопотенциалов и контактирующих с поверхностью кожи, которая действует как электролит. Если эти пластинки химически идентичны, то каждая из них порождает один и тот же потенциал полуэлемента и результирующее напряжение между электродами будет равно нулю.
Разность потенциалов между контактами физиологических электродов, контактирующих с телом пациента, называется напряжением смещения электродов. Если электроды, показанные на рис. 5а, химически идентичны (идеальное предположение), то напряжение смещения будет равно нулю. На практике даже специально подобранные (согласованные) электроды имеют некоторые химические различия. Поэтому между контактами используемых физиологических электродов обычно существует некоторое напряжение смещения. При подключении электродов с помощью проводников ко входу усилителя (рис. 5б) последний будет реагировать на постоянное напряжение смещения точно так же, как и на физиологические сигналы, поступающие от организма.
Значения и полярности потенциалов полуэлемента для электродов определяются в большой степени применяемыми материалами. Как показано на рис. 5а, серебряный электрод в контакте с электролитом создает потенциал полуэлемента +0,8В, что приблизительно в 800 раз больше значений ЭКГ, которые можно измерить на поверхности тела. Даже при использовании очень хорошо согласованных электродов возникающее на них постоянное напряжение смещения может все-таки значительно превышать значение измеряемого физиологического показателя. Большое напряжение смещения может помешать проведению измерений или повлиять на их результат и привести к получению нежелательных артефактов.
Эксперименты показали, что происходящие в электродах химические явления могут явиться причиной возникновения флуктуации напряжения (шумов) при отсутствии каиих-либо физиологических сигналов. Такие изменения могут также быть восприняты как артефакты. Как шум, так и потенциал полуэлемента, можно уменьшить, выбрав соответствующий материал электродов или (в некоторых случаях) специально их обработав. Было установлено, что электрод серебро-хлорид серебра (Ag-AgCl) является наиболее стабильным и его электродный потенциал мал. Электрод такого типа изготовляется путем химического покрытия куска почти чистого серебра солью - хлоридом серебра. Обычно покрытие производят, погружая очищенный кусок серебра в раствор хлористого натрия. В этот раствор погружают и второй кусок серебра; оба куска подсоединяют к источнику постоянного напряжения таким образом, чтобы электрод, который покрывается хлоридом серебра, был положителен по отношению к другому. При этом ионы серебра соединяются с ионами хлора из соляного раствора и образуют тонкую пленку нейтральных молекул хлорида серебра, которая покрывает серебряный электрод. При очистке такого электрода после использования необходимо проявлять осторожность, чтобы не повредить покрытие из хлорида серебра. Эти электроды можно очищать мягкой хлопчатобумажной тряпочкой, смоченной изопропиловым спиртом или тепловатой водой.
При накладывании электрода на поверхность кожи на переходе электрод-кожа существует определенное электрическое сопротивление. Для надежной записи физиологических сигналов, свободной от артефактов, необходимо, чтобы электрод имел хороший (с малым сопротивлением) контакт с кожей. Так как верхний слой кожи в значительной мере состоит из мертвых клеток и на нем всегда присутствует некоторое количество жиров и грязи, то естественное электрическое сопротивление кожи высоко по сравнению с сопротивлением жидкостей в организме. Поэтому при размещении электродов на поверхности кожи то место, на которое будет наложен электрод, обычно подготавливают или обрабатывают, чтобы понизить сопротивление. Слой мертвых клеток может быть удален из области наложения электрода спиртом или какими-либо другими подходящими очищающими агентами. Затем между электродом и поверхностью кожи наносят проводящую (электролитическую) пасту. Эта паста образует как бы мост между ионами тела и поверхностью электрода и обеспечивает низкое сопротивление перехода электрод- кожа. Некоторые пасты содержат в электролите очень маленькие абразивные частицы. Эти пасты можно применять и для подготовки места наложения электрода, и для снижения контактного сопротивления.
Размер и тип используемого электрода также играют важную роль при определении его сопротивления. Более крупные электроды обычно имеют меньшее сопротивление. Поверхностные электроды имеют сопротивление 2000...10000 Ом, а маленькие игольчатые - значительно более высокое.
ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СНЯТИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Электроды, применяемые для снятия биоэлектрических потенциалов тела, могут иметь самые различные формы и размеры. Для снятия потенциалов ЭКГ, ЭЭГ или ЭМГ можно использовать любые электроды. Однако более крупные обычно применяют для снятия ЭКГ, так как при этом не так важна локализация измерений. При снятии ЭЭГ и ЭМГ, а также при наблюдении за плодом применяют меньшие электроды.
На ранней стадии измерений биоэлектрических потенциалов использовались погружаемые (иммерсионные) электроды, которые представляли собой просто бадьи с солевым раствором, в которые пациент погружал руки и ноги. Как и следовало ожидать, использование электродов такого типа было связано с многочисленными трудностями, например неудобное фиксированное положение пациента и опасность разлить электролит.
По сравнению с погружаемыми электродами введенные в практику примерно в 1917 г. пластинчатые электроды (рис. 6) были значительным шагом вперед. Сначала эти электроды отделялись от кожи пациента хлопчатобумажной или фетровой прокладкой, пропитанной солевым раствором. Позднее такие пропитанные прокладки были заменены проводящими пастами, при этом металл контактировал с кожей. Пластинчатые электроды такого типа используются и сегодня, так же как и пропитанные солевым раствором марлевые прокладки.
Другим довольно старым типом электрода, который используется и в настоящее время, является электрод на присоске (рис. 6), в котором с кожей действительно контактирует только кольцевой край. Используются электроды на присосках двух размеров; диаметр чашечки приблизительно 30 мм для обследования взрослых пациентов, 15 мм для обследования детей. Обычно электроды на присосках используются для грудных отведений при снятии ЭКГ.
Одним из неудобств при использовании пластинчатых электродов является возможность их сползания или смещения. Эта проблема возникает и при использовании электрода на присоске после его достаточно длительной эксплуатации. Были найдены несколько методов преодоления этих затруднений, например использование липкой ленты для закрепления электродов, придание поверхности электрода формы терки, зубцы которой проникают в кожу, уменьшая контактное сопротивление и снижая вероятность соскальзывания электрода.

Рис. 6. Металлические пластинчатые электроды (они обычно изготовлялись или покрывались из серебра, никеля или аналогичных сплавов). Электрод на присоске.
Все описанные выше электроды имеют общий недостаток: они чувствительны к перемещению, одни в большей, другие в меньшей степени. Даже малейшее перемещение изменяет толщину тонкой пленки электролита между металлом и кожей, что приводит к изменению потенциала смещения и контактного сопротивления. Эти изменения проявляются как артефакты на записи ЭКГ или на экране монитора для наблюдения за пациентом; они являются источниками дрейфа нуля (опорной линии) или блужданий. Во многих случаях изменения потенциала настолько существенны, что они полностью блокируют биоэлектрические потенциалы, которые пытаются измерить с помощью электродов. Липкая лента и применение электродов в виде терки уменьшают эти артефакты, связанные с перемещением электродов, так как они ограничивают возможности смещения электродов и уменьшают переходное сопротивление, но ни одно из этих средств не может эффективно обеспечить нечувствительность измерений к движению.
Позднее некоторые изготовители предложили несколько моделей нового типа электрода - плавающего или электрода со столбом жидкости. В них артефакты, обусловленные перемещением электрода, практически полностью устраняются, так как здесь отсутствует прямой контакт между металлом и кожей. Единственным проводящим путем между металлом и кожей является слой пасты или желе, который образует электролитический мост. Даже если поверхность электрода образует прямой угол с поверхностью кожи, функционирование электрода не ухудшается, так как электролитический мост поддерживает контакт и с кожей, и с электродом. На рис. 7 показано поперечное сечение плавающего электрода и типичные образцы плавающих электродов. Можно заметить, что металлическая поверхность электродов находится в углублении и не может непосредственно контактировать с кожей.
Плавающие электроды обычно прикрепляются к коже с помощью двухстороннего клейкого хомутика (или кольца), который прилипает к пластиковой поверхности электрода и к коже.

Рис. 7. Схема плавающего поверх ностного электрода. Вид сверху, снизу и сбоку плавающих поверхностных электродов.
В последние несколько лет в практику вошли различные типы одноразовых электродов (однократного применения), которые устраняют необходимость очистки электродов после каждого использования и упрощают сам процесс исследований. Эти электроды, первоначально рассчитанные для наблюдения за ЭКГ пациента, можно также использовать и для снятия ЭЭГ и ЭМГ. В большинстве случаев одноразовые электроды являются плавающими с простым зажимом для подключения проводников (которые используются неоднократно). Некоторые одноразовые электроды уже при изготовлении смазываются пастой, что устраняет необходимость наносить пасту между электродом и подготовленной поверхностью кожи.
Недавно разработаны одноразовые электроды, при использовании которых не нужны проводящие пасты и подготовка кожи. Эти электроды содержат слой электролитической жидкости и тонкопленочную проницаемую мембрану, которая контактирует с кожей. При установке на поверхности кожи мембрана с микропорами пропускает электролит, увлажняя кожу; это устраняет необходимость подготовки участка кожи для установки электрода.
Усовершенствованные в последнее время одноразовые электроды можно использовать для непрерывного наблюдения за пациентами в течение длительного времени при небольшом дискомфорте для пациента. Гибкие пластиковые конструкции электродов и чашечек, мягкие пенопластовые липкие кольца позволяют таким электродам точно следовать всем контурам тела. Кроме того, пенопластовые кольца, наложенные на кожу, предотвращают проникновение воздуха к электроду и высыхание пасты. Поэтому низкое сопротивление кожи сохраняется в течение относительно длительного времени.
Все кожные электроды, используемые для непрерывного наблюдения, необходимо периодически перемещать на смежные участки кожи пациента, так как электролитическая среда и липкий состав могут вызвать сильное раздражение кожи. В некоторых специализированных отделениях электроды перемещают и заменяют (если они одноразовые) каждые 8 ч, в других отделениях не реже одного раза за 24 ч, в зависимости от чувствительности кожи пациента.
Для других применений разработаны специальные типы поверхностных электродов. Например, ушной клипсовый электрод был разработан для использования его в качестве опорного электрода при снятии ЭЭГ. Поверхностные электроды для снятия ЭЭГ обычно представляют собой небольшие диски диаметром около 7 мм или маленькие гранулы (шарики) припоя, которые закрепляются на обезжиренной коже головы с помощью электролитической пасты.
Чтобы уменьшить артефакты, связанные с движением, некоторые специалисты в области электроэнцефалографии используют при снятии ЭЭГ небольшие игольчатые электроды, которые вводятся под кожу на некоторое расстояние вперед, параллельно ей.
Более длинные иглы в некоторых случаях вводятся в мозг для того, чтобы получить локализованные измерения потенциалов в отдельных специфических участках мозга. Такие электроды должны располагаться чрезвычайно точно, чтобы можно было идентифицировать источник измеренного потенциала.
Одновременные измерения в участках, лежащих на различной глубине вдоль одной определенной оси мозга можно выполнить с помощью специальных электродов с большим числом измерительных окончаний на разной глубине. Электрод такого типа обычно состоит из пучка тонких проволочек, каждая из которых обрезана на различном уровне; существуют электроды, у которых на каждой проволочке на различном уровне создано по одному участку проводящей поверхности.
Некоторые игольчатые электроды состоят просто из тонких изолированных проволочек, расположенных так, что их концы, когда они оголены, контактируют с нервом, мышцей или другой тканью, на которой проводятся измерения. Остальная часть проволочек покрыта изоляцией, предотвращающей короткое замыкание. Проволочные электроды из меди или платины часто используются для снятия ЭМГ определенных мышц. Эти проволочки либо хирургически имплантируются, либо вводятся с помощью иглы для подкожных впрыскиваний, которая потом извлекается, оставляя электроды в нужном месте. В электродах такого типа взаимодействие между металлом и электролитом происходит как взаимодействие между неизолированным кончиком проволочки и электролитами организма, хотя в некоторых случаях перед введением в организм проволочка покрывается электролитической пастой.
В некоторых случаях игла для подкожных впрыскиваний является частью конструкции электрода и не извлекается. При этом проволочки, образующие электрод, размещаются внутри иглы, которая создает отверстие, необходимое для введения электрода, и защищает проволочки. Единственная проволочка внутри иглы выполняет роль униполярного электрода, который измеряет потенциалы в точке контакта по отношению к некоторому индифферентному или опорному потенциалу, получаемому при размещении электрода на некотором расстоянии от исследуемой мышцы. Две проволочки, размещенные внутри иглы, позволяют произвести очень точно локализированные измерения между двумя их концами, это измерение называется биполярным
ЭЛЕКТРОДЫ И ОТВЕДЕНИЯ


Рисунок 8. Запись ЭКГ в различных отведениях

Чтобы записать биопотенциалы, к телу пациента необходимо прикрепить несколько электродов. Их подключают к соответствующему аппарату (электро- кардио/энецефало/миографу) с помощью такого же числа проводов. Эти провода и электроды, к которым они подсоединены, обычно называют отведениями. Для записи ко входу регистрирующего усилителя (канал записи) подключают два электрода или один электрод и соединенные между собой несколько электродов. Нужно заметить, что и отдельные электроды, и группы специальным образом соединенных электродов рассматриваются как отведения. В дальнейшем термин отведение будет использоваться только для обозначения специальной группы электродов и способа, которым они связаны с усилителем. Для отдельных отводящих проводов, а также для физического подсоединения к телу пациента будет использован термин электрод.
ЭЛЕКТРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТВЕДЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ
Напряжение, возникающее при работе сердца, в действительности представляет собой векторную величину, у которой абсолютное значение и ориентация в пространстве изменяются во времени. Так как сигнал ЭКГ измеряется с помощью электродов, закрепленных на поверхности тела, то вид кривой этого сигнала очень сильно зависит от их размещения. На рис 8, а показана типичная запись сигнала ЭКГ. При определенном размещении электродов некоторые сегменты этой кривой могут практически исчезать, другие - четко выделяться. Поэтому при обычном электрокардиографическом исследовании производится запись ЭКГ от нескольких различных отведений, обычно от 12. Такой метод гарантирует, что при записи не будут опущены некоторые важные детали истинной ЭКГ. Места размещения электродов, а также названия и конфигурация отведений в настоящее время стандартизированы, их используют во всех странах мира.


Рис. 9. 12 стандартных типов отведений ЭКГ:
V1 – у правого края грудины в IV межреберье,
V2 – у левого края грудины в IV межреберье,
V3 – между электродами V2 и V4,
V4 – по левой срединно-ключичной линии в V межреберье,
V5 – по передней аксиллярной линии на уровне (на горизонтали) электрода V4,
V6 – по средней аксиллярной линии на уровне (на горизонтали) электродов V4 и V5.

Размещение электродов и цветовой код, используемый для обозначения каждого из них, показаны на рис. 9. В ходе экспериментов Эйнтховен установил, что наибольшие преимущества дает запись ЭКГ с помощью электродов, разнесенных по вертикальной и по горизонтальной осям тела. У первых электрокардиографов было три электрода, из которых только два использовались одновременно. При введении в практику электронных усилителей возникла необходимость применить дополнительный электрод, закрепленный на теле, в качестве опорной (заземленной) точки. Хотя этот электрод можно располагать почти в любой точке тела, общепринято размещать его на «свободной» правой ноге.
Грудной или предсердный электрод был введен позднее. Обычно в качестве электродов на конечностях используют пластинчатые, а в качестве грудного - электрод на присоске (рис. 6).
ОТВЕДЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ
При нормальном размещении для записи ЭКГ используют четыре электрода; электрод на правой ноге используется только в качестве опорного. Так как вход электрокардиографа имеет только две клеммы, то из имеющихся активных электродов нужно выбрать два. На рис. 9 показаны 12 стандартных отведений, которые используются наиболее часто. Три биполярных отведения - от конечностей, впервые введенные Эйнтховеном:
Отведение I: левая рука (ЛР, LA) - правая рука (ПР, RA).
Отведение II: левая нога (ЛН, LL) - правая рука (ПР, RA).
Отведение III: левая нога (ЛН, LL) - левая рука (ЛР, LA).
Эти три отведения называются биполярными, так как при каждом отведении ЭКГ записывается с двух электродов, а третий электрод не подключается.
Другие отведения, показанные на рис. 9, являются униполярными. Этот тип отведений был впервые использован Вильсоном в 1944 г. При униполярных отведениях ЭКГ записывается между единственным исследовательским электродом и центральной точкой (центральным отводом), которая имеет потенциал, соответствующий центру тела. Центральный отвод образуется соединением трех активных электродов на конечностях через резисторы с одинаковыми сопротивлениями. Потенциал в точке соединения резисторов соответствует среднему значению потенциалов на этих трех электродах. При униполярных отведениях от конечностей один из электродов на конечностях применяется в качестве исследовательского, в то же время он вносит свой вклад в потенциал центрального отвода. Такое двойное использование приводит к тому, что сигнал ЭКГ имеет очень малую амплитуду. При увеличенных (усиленных) униполярных отведениях от конечностей электрод на конечности, используемый в качестве исследовательского, не подключается к центральному отводу; при этом амплитуда сигнала ЭКГ возрастает, а форма его не претерпевает сколь-либо заметных изменений. Эти отведения обозначаются как усиленные aVR, aVL и aVF (foot - нога).
При униполярных грудных отведениях все три активных электрода на -конечностях используются для образования центрального отвода, а в качестве исследовательского применяется отдельный грудной электрод.
Кроме уже рассмотренных систем отведений существуют определенные дополнительные модификации, которые достаточно широко используются в кардиологических отделениях.
ЭЭГ
Электроэнцефалография (ЭЭГ) (электро- + др.-греч.
·
·
·
·
·
·
·
·
· - "головной мозг" +
·
·
·
·
· - "пишу", изображать) - раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов.
Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Запись ЭЭГ широко применяется в диагностической и лечебной работе (особенно часто при эпилепсии), в анестезиологии, а также при изучении деятельности мозга, связанной с реализацией таких функций, как восприятие, память, адаптация и т. д.


Рисунок 10. Система расположения электродов «10-20».

Регистрация ЭЭГ производится специальными электродами (наиболее распространенные мостиковые, чашечковые и игольчатые). В настоящее время чаще всего используется расположение электродов по международным системам «10-20 %» или «10-10 %». Каждый электрод подключен к усилителю. Для записи ЭЭГ может использоваться или бумажная лента или сигнал может преобразовываться с помощью АЦП и записываться в файл на компьютере. Наиболее распространена запись с частотой дискретизации 250 Гц. Запись потенциалов с каждого электрода осуществляется относительно нулевого потенциала референта, за который принимается мочка уха, или кончик носа.
Точки расположения электродов в системе «10-20» определяют следующим образом. Измеряют расстояние по сагиттальной линии от inion до nasion и принимают его за 100%. В 10% этого расстояния от inion и nasion устанавливают соответственно нижний лобный (Fp) и затылочный (О) сагиттальные электроды. Остальные сагиттальные электроды (Fz, Cz и Рz) располагают между этими двумя на равных расстояниях, составляющих 20% от расстояния inion-nasion. Вторая основная линия проходит между двумя слуховыми проходами через vertex (макушку). Нижние височные электроды (ТЗ, Т4) располагают соответственно в 10% этого расстояния над слуховыми проходами, а остальные электроды этой линии (СЗ, Cz, С4) – на равных расстояниях, составляющих 20% длины биаурикулярной линии. Через точки ТЗ, СЗ, С4, Т4 от inion к nasion проводят линии и по ним располагают остальные электроды (РЗ, Р4, Т5, Т6, F3, F4, F7, F8, Fpl, Fp2). На мочки ушей помещают электроды, обозначаемые соответственно А1 и А2. Буквенные символы обозначают основные области мозга и ориентиры на голове: О - occipitalis, Р - parietalis, С - centralis, F - frontalis, А - auricularis. Нечетные цифровые индексы соответствуют электродам над левым, а четные - над правым полушарием мозга (рис. 10).

ДАТЧИКИ
Датчик - (преобразователь медицинской информации) - устройство съема информации, реагирующий своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющий преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т. д.
Тип и конструкция датчика зависят от вида необходимого преобразования, т е. определяются конкретными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика
Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, давление, частота колебаний), физические (температура, освещенность, влажность), химические (концентрация вещества, состав), непосредственно физиологические (наполнение ткани кровью). Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление (импеданс), частота (или фаза) переменного тока или импульсных сигналов.
Датчики медико-биологической информации можно разделить на две группы: биоуправляемые и энергетические.
Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).
В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т.е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы.
Пассивные датчики под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие от активных (генераторных) датчиков пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.
Энергетические датчики в отличие от биоуправляемых активно воздействуют на органы и ткани. Они создают в исследуемом органе так называемый немодулированный энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра. Энергетические информационные преобразователи нуждаются в источнике дополнительной энергии для воздействия на объект и создания немодулированного энергетического потока. Из датчиков такого типа можно указать, к примеру, фотоэлектрические и ультразвуковые.
Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:
чувствительность - минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;
динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех;
погрешность - максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами;
время реакции - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.
Ниже будут рассмотрены датчики температуры, параметров системы дыхания, сердечно-сосудистой системы и некоторые другие. Подобное изложение материала хотя и не соответствует приведенной здесь классификации, представляется предпочтительным для облегчения понимания рассматриваемой проблемы. Это объясняется утвердившимся в классической физиологии и клинической медицине делением организма на отдельные анатомические функциональные системы: система кровообращения, система дыхания, пищеварения и т. д., соответственно которым удобно разделять устройства съема информации об их состоянии. Что же касается электродов, то описание этих устройств съема информации не нуждается в подразделении по отдельным анатомическим системам организма.
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА
Различают температуру ядра или сердцевины тела и температуру поверхности кожи тела человека. Температура поверхности зависит от условий окружающей среды: температуры и влажности воздуха, одежды, развития волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т. д. Температура ядра тела является более достоверным показателем системы терморегуляции организма. В медицинской практике производят измерения обоих величин.
Для оценки температуры ядра измеряют температуру в мышцах и отдельных органах, ректальную температуру, температуру в полости рта, подмышечной впадине, паховой области и пупочной ямке. При измерении температуры поверхности для диагностики важны симметричные температурные поля, которые дают возможность оценить интенсивность кровоснабжения какой-либо части или сегмента человеческого тела.
Для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков используются проволочные и полупроводниковые терморезисторы , а также термоэлементы. В основу работы проволочных и полупроводниковых резисторных датчиков положено их свойство изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение сопротивления оценивается величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТКС может быть либо положительным, либо отрицательным. Положительный ТКС говорит о том, что при увеличении температуры величина сопротивления датчика возрастает. При отрицательной ТКС это соотношение будет обратным. Такие датчики можно отнести к классу пассивных (параметрических) биоуправляемых датчиков. Величина ТКС характеризует чувствительность датчика. Высокие ТКС имеют полупроводниковые терморезисторы.
В основу работы термоэлектрических датчиков (термоэлементов) положен принцип работы термоэлектрогенератора. Суть его сводится к следующему: если соединить с одной стороны концы двух металлических пластинок, изготовленных из разных металлов, например из железа и константана, и нагревать место соединения, то между свободными концами пластинок можно зарегистрировать появление электродвижущей силы (э. д. с), которая получила название термоэдс. Величина этой термоэдс зависит от температуры места соединения пластинок и, следовательно, с ее помощью можно судить о температуре. Такие датчики относятся к активным (генераторным) биоуправляемым датчикам.
Среди характеристик, определяющих качество датчиков температуры, необходимо выделить:
а) линейность зависимости сопротивления R или термоэдс от температуры.
Датчик считается линейным, если любое изменение температуры на величину
·t° дает всегда строго пропорциональное изменение параметра датчика (сопротивления R или э.д.с.), т е. выполняется условие -
·t°/
·R=const или
·t°/
·e=const вне зависимости от начальной температуры. Высокой линейностью отличаются проволочные и термоэлектрические датчики;
б) время реакции
· Время реакции характеризует динамические свойства датчика. Оно равно промежутку времени, необходимому для изменения сопротивления R или э.д.с. ее одного установившегося значения, соответствующего определенной температуре t1°, до другого установившегося значения, соответствующего иной температуре t2o, если изменение температуры с t1° до t2° осуществляется скачкообразно. Время реакции зависит от типа датчика, от его конструктивного выполнения, теплопроводности его оболочек, массы, температурной разницы и т. д. Минимальное время реакции имеют термисторы, на основе которых выполнено большинство датчиков для одномоментного измерения температуры;
в) стабильность параметров (R или е) во времени
ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ
При объективном исследовании системы дыхания врача интересуют как количественные характеристики дыхания (частота дыхания, объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и др.), так и качественные характеристики процесса внешнего и тканевого дыхания (содержание газов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, парциальные давления кислорода и углекислоты в крови, процент насыщения крови кислородом и т. д.). Частота дыхания - один из важнейших параметров, характеризующих функциональную активность системы дыхания. Каждый акт дыхания проявляется движением грудной клетки (изменением длины ее окружности) и образованием противоположно направленных потоков воздуха на вдохе и выдохе, имеющими разную температуру. Фиксация моментов периодически повторяющихся движений грудной клетки может быть наиболее просто осуществлена с помощью трех типов пассивных биоуправляемых датчиков: контактных, резистивных и пневматических.
Рассмотрим простейший контактный датчик (рис. 11, а). На основании 1 укреплены две контактные пластины 2 и 3, образующие нормально разомкнутый контакт. В направляющих втулках 4 движется шток 5. Шток и основание датчика имеют кольца для крепления ремня, опоясывающего грудную клетку. При вдохе шток 5 движется влево и своим выступом 6 передвигает нижнюю контактную пластину 2. Цепь замыкается, фиксируя тем самым момент вдоха.


Рисунок 11. Схема датчиков параметров дыхания. а-контактный датчик, 1-основание, 2, 3-контактные пластины, 4-направляющие втулки, 5-шток, 6-выступ штока, б-угольный датчик 1-резиновая трубка, 2-уголный порошок, 3-электроды, 4-отводящие проводники, 5-скобы крепления, в-датчик из проводящей резины 1-проводящая резина, 2-электроды, г-пневматический датчик, д-турбинный датчик, 1-цилиндрический корпус, 2, 3-фланцы крепления, 4-направляющие, 5-ось, 6-подшипники, 7-вращающиеся пластинки, 8-отражательные плоскости, 9-фотодатчик.

Резистивный датчик, частоты дыхания (рис 11, б) представляет собой резиновую эластичную трубку 1, наполненную угольным порошком 2. С торцов трубки вставлены электроды 3 для создания хорошего контакта между отводящими проводниками 4 и угольным порошком 2. К концам трубки с помощью проволочных скоб 5 крепится опоясывающий грудную клетку ремень. При вдохе резиновая трубка растягивается, ее поперечное сечение уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления столба угольного порошка, заключенного в трубке. При изменении сопротивления изменяется ток в цепи. Измерительной схемой эти изменения преобразуются в импульсы тока определенной длительности, частота следования которых равна частоте дыхания.
В другом резистивном датчике (Рис. 11, в) в качестве чувствительного элемента используется специальная токопроводящая резина 1. Контактами служат электроды 2. Растяжение резины при вдохе ведет к увеличению сопротивления, которое, как и ранее, преобразуется в импульсы тока.
Пневматический датчик (рис. 11, г) частоты дыхания представляет гофрированную резиновую трубку, герметично закрытую с торцов. При растяжении объем трубки увеличивается, и давление воздуха внутри нее падает. Изменение давления улавливается с помощью какого-либо преобразователя П давление - электрический сигнал, например, с помощью угольного датчика давления.
Датчики частоты дыхания, принцип работы которых основан на фиксации движений грудной клетки, обладают существенным недостатком: они фиксируют любое изменение окружности грудной клетки, как связанное с дыханием, так и просто вследствие движения тела пациента. Поэтому такие датчики чаще применяются при исследовании больного в условиях покоя и необходимого комфорта
Датчик, фиксирующий изменения температуры потока воздуха в верхних дыхательных путях, свободен от этого недостатка. Конструктивно он представляет собой клипсу, которая надевается на крыло носа. В качестве термочувствительного элемента использован термистор. Сопротивление термистора зависит от температуры обдувающего его потока воздуха. Известно, что разница температур вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в нормальных условиях может достигать 4-5°С. Изменение сопротивления приводит к изменению тока через термистор. На выдохе амплитуда тока через термистор возрастает, на вдохе - уменьшается. Каждое изменение тока соответствует одному дыхательному движению. В результате с выхода датчика снимается последовательность импульсов, которая может быть использована для измерения частоты дыхания.
Резистивные, пневматические и термисторные датчики, кроме определения частоты дыхания, позволяют примерно оценить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, так как величина изменения их параметров (сопротивление, объем, температура) связана определенной зависимостью с глубиной дыхания, т. е. с объемом вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Однако эта зависимость подвержена сильным влияниям различных посторонних факторов. Например, данные резистивных и пневматических датчиков об изменении окружности грудной клетки могут не соответствовать объемам вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при размещении датчиков, не соответствующем типу дыхания у данного больного (брюшное или грудное). Показания термисторного датчика сильно зависят от температуры и влажности окружающей среды. Это не позволяет получить точную оценку дыхательных объемов с помощью простых по конструкции резистивных, пневматических и термисторных датчиков.


Рисунок 12. Датчик для фотометрического измерения содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. 1-лампа подсветки, 2-светофильтр. 3-фотосопротивление, 4-исследуемая ткань.

Более точно определить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха позволяет турбинный датчик (рис. 11, д). Он представляет собой полый цилиндр 1, изготовленный из органического стекла с фланцами для крепления к дыхательной маске 2 и к трубке подачи газовой смеси 3. Газовому потоку с помощью направляющих 4 придается вращательное движение. На пути газового потока расположена на оси 5 в подшипниках 6 плоская пластинка 7. К торцам этой пластинки крепятся отражательные плоскости 8. Движение газовой струи вызывает вращение пластинки со скоростью, пропорциональной скорости движения этой струи. Число оборотов фиксируется фотодатчиком 9, -установленным на корпусе в плоскости вращения пластинки (принцип работы фотодатчика рассмотрен ниже). На выходе преобразователя мы будем иметь последовательность электрических импульсов, частота следования которых будет пропорциональна количеству прошедшей через датчик газовой смеси. Подобные датчики применяются при достаточно точных физиологических исследованиях.
Контроль эффективности дыхания можно осуществлять путем фотометрического измерения процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. Метод измерения основан на отличии спектральных характеристик поглощения света восстановленным гемоглобином - Нb и оксигемоглобином - НbО2. При длине световой волны 620-680 мкм коэффициент поглощения для гемоглобина в несколько раз выше, чем для оксигемоглобина, что может быть использовано для измерения содержания оксигемоглобина. Подробное описание принципа и методики таких измерений имеется в литературе. Датчик для такого измерения конструктивно выполнен в виде клипсы (рис. 12), надевается на мочку уха 4 таким образом, что с одной стороны ее располагается лампочка-осветитель 1 со светофильтром 2 для получения монохроматического света с нужными спектральными качествами (длиной волны), а с другой стороны - фотосопротивление 5. При изменении светового потока, падающего на фотосопротивление, будет изменяться величина этого сопротивления, а следовательно, и ток, протекающий через него. Изменение светового потока с длиной волны порядка 650 ммк может быть вызвано изменением степени поглощения света за счет изменения толщины ткани, вариаций ее кровенаполнения и содержания оксигемоглобина в крови. Вводя в измерительную схему соответствующую компенсацию на толщину ткани и ее кровенаполнение, можно получить в конечном итоге прибор, непосредственно показывающий правильное содержание оксигемоглобина в крови.
ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ
Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются такие характеристики, как пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, импеданс тканей, различные показатели циркуляции и др.
Для регистрации частоты периферического пульса получили распространение пьезоэлектрические преобразователи, использующие пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях некоторых кристаллических тел (пьезоэлектриков) при их механических деформациях (растяжении, сжатии, изгибе и т.д. )


Рисунок 13. Схема пьезоэлектрических датчиков артериального пульса. а-пьезоэлемент, работающий на сжатие. б-пьезоэлемент, работающий на изгиб.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают природные материалы (кварц и турмалин) и синтетические вещества (сегнетова соль, дигидрофосфат калия, титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем d, устанавливающим пропорциональную зависимость между величиной возникающего заряда Q и приложенной силой P:Q = dP. Кроме того, пьезоэлектрики характеризуются механической прочностью, зависимостью пъезомодуля от температуры и влажности среды.
Как правило, искусственные пьезоэлектрики имеют пьезомодуль, во много раз превышающий пьезомодуль кварца, но обладают гораздо меньшей механической прочностью, большей зависимостью параметров от температуры и влажности среды.


Рисунок 14. Микрофонные датчики. 1-корпус, 2-эластичная мембрана, 3-цилиндрический каркас катушки, 4-катушка, 5-кольцевой магнитный сердечник, б-пьезоэлектрический микрофон 1-корпус. 2-стойка, 3-мембрана, 4-пьезоэлемент, 5, 6-посеребренные плоскости пьезоэлемента, 7-отводящие проводники.

Датчики, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта, относятся к числу активных (генераторных) биоуправляемых датчиков. Конструктивно они обычно выполняются в виде таблёток диаметром 10-15 мм и высотой 3-5 мм. Внутри этого корпуса расположен пьезоэлемент, работающий на сжатие (рис. 13, а) или на изгиб (рис. 13, б). Датчики такой конструкции, приложенные к стенке артерии дают на выходе импульсный сигнал причём частота следования импульсов совпадает с частотой пульса.
Для измерения частоты пульса применяются также фотодатчики к числу энергетических датчиков. Принцип работы такого датчика основан на использовании эффекта изменения степени поглощения светового потока, проходящего через ткань, в зависимости от кровенаполнения ткани. Датчик может работать в проходящем или в рассеянном свете.
Чувствительным элементом таких датчиков чаще всего является фотосопротивление. Возможно использование фотоэлементов, фототранзисторов, вентильных фотоэлементов и т. д. Величина светового потока, падающего на светочувствительный элемент, определяет значение тока, проходящего через фотодатчик. Поэтому изменение этого значения соответствует изменению количества поглощенного света. Последнее зависит от типа ткани, ее толщины и кровенаполнения.
В процессе исследования тип и толщина ткани остаются постоянными; поэтому выходной сигнал фотодатчика характеризует кровенаполнение исследуемой части тела; поскольку кровенаполнение изменяется в такт с сокращениями сердца, тем самым становится возможным и измерение частоты пульса. Фотодатчики пульса обычно крепятся на мочке уха или на ногтевой фаланге пальца руки.
Для исслeдoвaния тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются электродинамические и пьезоэлектродинамические микрофоны. Микрофоны относятся к числу активных (генераторных) биоуправляемых датчиков. Принцип работы динамического микрофона состоит в следующем. Акустические колебания воздействуют на эластичную мембрану 2 (рис. 14, а), которая по своей окружности крепится к корпусу микрофона 1. На жестком основании - цилиндре 3, закрепленном в центре мембраны, располагаются витки провода катушки 4. Под действием звуковых волн катушка 4 движется в сильном магнитном поле, образованном кольцевым магнитным сердечником 5. В результате такого движения в катушке индуктируется э. д. с. звуковой частоты.
Электродинамические микрофоны различаются по чувствительности, частотному и динамическому диапазону. Акустические явления, сопровождающие работу сердца, как известно, являются колебаниями низкочастотными. Поэтому для получения удовлетворительного воспроизведения таких частот применяются динамические микрофоны специальной конструкции. Они отличаются особо эластичной подвеской мембраны, большой массой постоянного магнита и корпуса, в связи с чем микрофон получается очень громоздким. Вследствие, этого применение электродинамических микрофонов для указанных целей связано с рядом методологических трудностей.
Электродинамические микрофоны постепенно вытесняются пьезоэлектрическими, которые по сути дела имеют такую же конструкцию, как и пьезоэлектрические датчики пульса. Разница заключается лишь в их размерах и чувствительности. В конструкции пьезоэлектрического микрофона (рис. 14, б) с открытой стороны цилиндрического корпуса 1 крепится упругая металлическая мембрана 3. Колебания мембраны передаются через недеформирующуюся стойку 2 к пьезоэлементу 4. К посеребренным плоскостям 5 и 6 пьезоэлемента припаиваются отводные проводники 7. Такой микрофон имеет диаметр 25-30 мм, высоту 10-15 мм, и масса его составляет всего несколько граммов. Параметры его в диапазоне низких частот не хуже параметров лучших образцов динамических микрофонов.
При регистрации фонокардиограммы в условиях свободного поведения, физической нагрузки и т. д. применение микрофонов описанных выше конструкций затруднено из-за высокого уровня помех. Разработаны специальные датчики, отличающиеся высокой направленностью. Перемещения и вибрации тела, действующие в плоскости, перпендикулярной относительно направления действия полезного фоиокардиографического сигнала, подавляются такими датчиками в 50-100 раз.
Для регистрации механических колебаний грудной клетки, связанных с сокращениями сердца,- сейсмокардиограммы - применяются датчики электромагнитного типа. Внутри неподвижно закрепленных катушек на спиральной пружине укреплена сейсмическая масса - постоянный магнит. Колебания магнита индуцируют в катушках электрический ток. Таким образом, сотрясения грудной клетки, сопровождающие сокращения сердца, преобразуются в электрический сигнал. Размещается такой датчик в области верхушечного толчка.
Для обнаружения пульса и тонов сердца разрабатывают датчики на основе подогревных термисторов и микропроводов. Движение воздуха при экскурсиях грудной клетки за счет сокращения сердца воспринимается с помощью датчиков таких типов.
С помощью таких датчиков были проведены записи пульса с наружной сонной артерии, а также тонов сердца и верхушечного толчка. Проведено сравнение разрабатываемых датчиков с двумя типами стандартных устройств съема. Предварительные испытания показали, что такие компактные датчики с низким импедансом обладают механической прочностью и высокой помехоустойчивостью.
Измерения артериального давления могут производиться двумя принципиально различными методами: либо косвенно, например, по методике Рива-Роччи - Короткова, либо непосредственно – катетеризацией артерии и полости сёрдца. В первом случае для автоматизации измерения артериального давления и повышения точности результатов регистрация шумов Короткова при постепенной декомпрессии пережатой артерии производится с помощью микрофонов описанных выше типов с последующей логической обработкой поступающих электрических сигналов. При этом сама методика проведения автоматического процесса измерения давления в принципе здесь не от


Рис 15. Схемы индуктивного и емкостного датчика для регистрации давления. а-индуктивный датчик: 1-корпус, 2-сердечник, 3-эластичная основа, 4-отверстие, 5-катушка индуктивности. б-емкостной датчик: 1-подвижная пластина, 2-неподвижная пластина, 3-корпус датчика.

личается от обычной широко распространенной методики.
В настоящее время существует еще ряд методов непрямого измерения артериального давления крови для систем постоянного наблюдения. Эти методы основаны на применении индуктивных и емкостных датчиков особой конструкции, предназначенных для измерения абсолютного давления. Конструкция индуктивного датчика приведена на рис. 15, а. Корпусом датчика является кольцо 1, внутри которого в эластичной основе 3 расположена катушка индуктивности 5. Одна плоскость кольца имеет отверстие 4, в котором помещается сердечник 2. Если такой датчик прижать к стенке полости (например, кровеносного сосуда или глаза) так, чтобы стенка полости, соприкасающаяся с датчиком, стала плоской, и сердечник всей плоскостью прилегал к этой стенке, то единственной силой, воспринимаемой датчиком, в этом случае будет абсолютная величина давления внутри полости, независимо от жесткости стенки и тургора тканей.
В основу работы емкостного преобразователя положено изменение его емкости при воздействии на него измеряемой величины давления. Емкость плоского конденсатора, как известно, определяется соотношением
С=
·S/4
·d ,
где S - действующая площадь обкладок конденсатора, d - толщина диэлектрика,
· - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Для измерения давления чаще пользуются изменением емкости С при изменении расстояния d между пластинами конденсатора (позиции 1 и 2 на рис. 15,6).
Подобные датчики измерения артериального давления не вышли пока за пределы экспериментальных лабораторий, но в будущем, по-видимому, они получат широкое распространение.
Для прямого измерения внутрисосудистого давления крови и давления в полостях сердца в качестве преобразователей используют электрические тензодатчики (тензосопротивления или тензоезисторы).
В основе работы тензорезисторов лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление вследствие их механической деформации. Широкому применению тензорезисторов способствуют их малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков на конце тонкого катетера для внутрисосудистого и внутрисердечного введения. Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Конструктивно проволочные тензорезисторы представляют собой спираль из нескольких петель константановой проволоки, диаметром менее 20-30 мкм, наклеенных на тонкую пленочную основу. Деформация такой основы ведет к изменению длины и поперечного сечения наклеенной проволоки, что вызывает и изменение сопротивления тензорезистора. Параметры тензодатчика выбирают таким образом, чтобы в заданном диапазоне сопротивление такого датчика изменялось прямо пропорционально изменению давления окружающей среды.
В отличие от проволочных фольговые тензорезисторы имеют чувствительный элемент в виде тонких полосок фольги прямоугольного сечения, которые также наносятся на пленочную основу. Принцип работы таких датчиков аналогичен проволочным. Преимущество фольговых тензорезисторов заключается в возможности изготовления тензочувствительных элементов любого рисунка и формы. Тензочувствительность фольговых тензорезисторов примерно соответствует проволочным.
Полупроводниковые тензорезисторы отличаются от проволочных и фольговых значительно более высокой чувствительностью (в 50-60 раз). Изменение сопротивления такого тензопреобразователя при деформации доходит до 50% их номинальной величины. Для тензорезисторов чаще применяют кремниевые и германиевые полупроводники, так как они обладают высокой тензочувствительностью, химически инертны, обладают достаточной температурной стабильностью и позволяют изготовить датчики любой формы.
Для исследования кровенаполнения сосудов и оценки их тонуса применяется метод плетизмографии - регистрации изменений объема органа или части тела.
Способы оценки изменений объема связаны с прямой регистрацией изменений объема (механическая плетизмография), с регистрацией соответствующих изменений электрического импеданса (электроплетизмография), с измерением вариации поглощения тканями света (фотоплетизмография).
Поскольку электроплетизмография была уже описана ранее, а принципы фотоплетизмографии фактически рассматривались при описании фотодатчиков, остановимся здесь только на рассмотрении механической плетизмографии.
Для механической плетизмографии применяются жидкостные или воздушные преобразовательные датчики, представляющие собой сосуд, заполненный водой или воздухом. В сосуд помещается исследуемая часть тела и в нем герметизируется. Изменение объема исследуемой части тела передается воде или воздуху, соответствующие перемещения которых преобразуются в электрический сигнал с помощью индуктивных, емкостных или резистивных преобразователей, принципиально не отличающихся от описанных выше.
Для оценки величины кровотока получили распространение электромагнитные измерители потока индукционного типа. Описаны различные конструкции таких преобразователей: с двумя катушками без сердечника, с одной катушкой без сердечника, с одной катушкой и сердечником, с двумя катушками и сердечником и др.
Сравнивая электромагнитные и ультразвуковые (допплеровские) измерители кровотока, можно отметить, что преимущества электромагнитного измерителя состоят в том, что он может измерять обратный поток и является нечувствительным к изменениям профиля скорости потока.
На результаты измерения с помощью ультразвуковых датчиков большое влияние оказывает распределение скоростей тока крови в сосудах на протяжении его поперечного сечения, в котором производится измерение. Однако преимуществом ультразвукового допплеровского измерителя кровотока является измерение нулевого потока в отсутствие окклюзии и возможность использования его в телеметрической системе.
ПОГРЕШНОСТИ УСТРОЙСТВ СЪЕМА ИНФОРМАЦИИ
Погрешности устройств съема медико-биологической информации - одно из звеньев в общей цепи ошибок измерений, зависящих от ряда технических и специфических причин. Это обстоятельство затрудняет сопоставление результатов в процессе диагностики и лечения. Различают погрешности, связанные с:
а) изменением физических параметров окружающей среды;
б) индивидуальными особенностями организма (антропометрические данные, варианты состава и структуры тканей, различие зкзоэндогенных психофизиологических реакций);
в) неточным выполнением процесса измерения физических параметров организма (крепление, ориентация и согласование датчика с объектом, обработка кожи и т. д.);
г) несовершенством измерительной системы: искажения, вносимые устройством съема, измерительным прибором (погрешности метода измерения), измерительным трактом - погрешности усилителя, регистратора или индикатора, обработки информации и т. д.
В настоящее время не представляется возможным дать точную характеристику отдельных составляющих полной погрешности измерения физиологических параметров.
Рассмотрим более подробно погрешности измерения физиологических параметров, вносимые датчиками. Зависимость выходной величины преобразователя информации от входной измеряемой записывается в общем случае в виде некоторого уравнения (функции) преобразования. Указанное уравнение преобразования в ряде случаев может быть получено теоретически. Однако зачастую оно не является известным (особенно для параметров, оцениваемых опосредованно) и поэтому определяется экспериментально при градуировании прибора.
При оценке качества различных датчиков и их сопоставлении необходимо учитывать их основные свойства, различные источники возникновения погрешностей датчиков:
вследствие неточной воспроизводимости функции преобразователя. Характеристики преобразователей данного вида в идеале должны быть полностью идентичны, что диктуется требованием возможной взаимозаменяемости датчиков,
вследствие непостоянства функции преобразования во времени. Старение материалов, из которых изготовлены датчики, изменение параметров чувствительных элементов вследствие протекания процессов коррозии, износа подвижных частей и т. д. приводит к косвенному изменению вида уравнения преобразования, группа погрешностей, в совокупности определяющая так называемую основную погрешность датчиков. В зависимости от характера возникновения отдельных составляющих этой основной погрешности различают погрешности производственно-технические, температурные, возникающие вследствие действия вредных сил (трения и т. п), от неполного совпадения функции преобразования при возрастании и убывании выходной величины (от гистерезиса функции преобразования), от упругого последействия и т. д.
производственно-технические погрешности вызываются, например, неточностью выдерживания геометрических размеров деталей, разбросом параметров исходных материалов. К такого рода погрешностям относятся также шкаловые погрешности, обусловленные неточностью настройки и регулировки приборов. Температурные погрешности связаны с нестабильностью физических параметров датчиков при изменении температуры окружающей среды. Погрешности от вредных сил обусловлены действием на чувствительный элемент и подвижную систему датчика сил трения, сил небаланса подвижной системы, сил электромагнитного и электростатического притяжения. Погрешности от гистерезиса и упругого последействия вызываются силами внутреннего трения в материале чувствительных и преобразующих элементов.
вследствие обратного воздействия датчика на измеряемую величину. Преобразователи могут влиять на характер протекания измеряемых процессов, искажая их и давая в конечном итоге неправильную информацию о тех или иных измеряемых параметрах,
динамические погрешности, связанные с инерционностью преобразователя.
Погрешности датчиков могут быть в известной степени учтены, если в измерительном устройстве и методике измерения предусмотрена операция калибровки. Правильная калибровка датчиков и последующих звеньев измерительного тракта - важнейшее условие воспроизводимости и сопоставимости результатов. Процесс калибровки требует выбора оптимальной ее методики и стандартизации, поскольку в принципе возможны самые различные способы ее проведения.
Многие медицинские и физиологические исследования требуют измерения низкочастотных сигналов малой амплитуды. При этом во многих случаях наблюдается чрезвычайно медленный дрейф входного напряжения, обусловленный движениями тела и изменениями характеристик живой ткани (дрейф нулевой линии). В связи с этим необходимы системы автоматической коррекции сдвигов нулевой линии. Разработаны малогабаритные самобалансирующиеся системы на интегральных схемах с низким потреблением мощности, которые могут автоматически устранять сдвиги нулевой линии у сигналов с диапазоном до 6 В. Время балансировки составляет менее 15 мс. Системы предназначены для работы с различными датчиками и регистраторами (магнитофонами или самописцами) с входным напряжением ±1-3 В.








13PAGE 15


13PAGE 14215






Рисунок 1. Структурная схема медицинского прибора

Стимуляция

Блок стимуляции

Воспринимаемая информация

Электрический сигнал

Электрический сигнал

Физиологические показатели

Дисплей

Аппаратура обработки сигнала

Преобразователь

Пациент



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 22622177
    Размер файла: 950 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий