Информационно-дидактический блок

ПР Тема: Принципы преобразования биологических (неэлектрических) сигналов в электрические. Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики.

Цель:

· изучить принцип работы термистора и термопары

· научиться градуировать термистор и термопару для измерения температуры тела

· изучить зависимость сопротивления полупроводников от температуры

Задачи обучения

· Студент должен знать принцип работы прибора

· Студент должен знать применение физико-химических законов для объяснения

процессов происходящих в протезах.

· Студент должен знать физико-химические особенности явления диффузии и механизмы их функционирования;

· Дать знания о практически важных достижениях биофизики для решения задач

стоматологических, медико-биологических исследований;

Основные вопросы

1. Что такое температурный коэффициент сопротивления и от чего он зависит у металлов, полупроводников?

2. Основные преимущества электротермометров.

3. Формула неизвестного сопротивления с помощью моста Уитстона.

Методы обучения

Обсуждение сообщений по данной теме, выполнение лабораторной работы

Информационно-дидактический блок

При пропускании постоянного тока через живые клетки и ткани было установлено, что сила тока не остается постоянной, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать и, наконец, устанавливается на уровне, который во много раз ниже, чем исходный. Это объясняется тем, что при прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела электродвижущая сила противоположного направления. С возникновением встречной э.д.с. связано видимое отклонение от закона Ома.

Наблюдаемое явление аналогично тому, что происходит в растворах электролитов. Для них характерно явление поляризации, т.е. образование при прохождении постоянного тока дополнительных зарядов за счет накопления ионов обратного знака.

Изменение силы тока в биологических системах свидетельствует о том, что они также обладают способностью поляризовать ток.

Наличие примесей в металлическом проводнике увеличивает его удельное сопротивление. Поскольку при нагревании вещества хаотическое движение его частиц становится интенсивнее, возрастает противодействие направленному движению носителей тока. В широком интервале температур приращение удельного сопротивления металла прямо пропорционально приращению температуры. Если удельное сопротивление при 0°С обозначить через , а при температуре - через , то , или .

Величину , характеризующую зависимость изменения удельного сопротивления при нагревании от рода вещества называют температурным коэффициентом сопротивления. Температурный коэффициент сопротивления измеряют числом, показывающим, на какую часть своей величины, взятой при 0°С, изменяется удельное сопротивление при нагревании на 1°С:

. Единицей измерения является °С ^-1.

У всех металлов - величина положительная, так как их сопротивление при нагревании возрастает, для угля и электролитов, а также для чистых полупроводников отрицателен, так как их сопротивление при нагревании уменьшается. Зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры ,

где - ширина запрещенной зоны; - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность удельного сопротивления; - постоянная Больцмана

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Если упорядоченное движение зарядов возникает в проводнике, то электрический ток называется током проводимости. Количественной характеристикой тока является величина, равная отношению заряда , который переносится через поперечное сечение проводника за время , к этому промежутку времени: . Эта величина называется силой тока. Если сила тока и его направление не меняются со временем, то он называется постоянным током. Для постоянного тока .

Плотность тока , где и - заряд и концентрация носителей тока, - средняя скорость их направленного движения.

Плотность тока в электролите

,

где и - подвижности ионов соответствующих знаков; Е – напряженность электрического поля. Для возникновения в замкнутой проводящей цепи электрического тока нужно, чтобы во всей цепи или на отдельных ее участках действовали сторонние силы, т.е. силы неэлектрического происхождения.

В медицинской электронике используются два вида устройства съема: электроды и датчики

Электроды – это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой

к электродам предъявляются определенные требования:

ü Они должны быстро фиксироваться

ü Сниматься

ü Иметь высокую стабильность электрических параметров

ü Быть прочными

ü Не создавать помех

ü Не раздражать биологическую ткань

Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды

- э.д.с. источников биопотенциалов

- сопротивление внутренних тканей биосистемы

- сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней

- входное сопротивление усилителя биопотенциалов

Электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы:

1. Для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы;
2. Для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;
3. Для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине;
4. Для экстренного применения, например в условиях скорой помощи

При использовании электродов в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них – возникновение гальванической э.д.с. при контакте электродов с биологической тканью. Другая – электролитическая поляризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возникает встречная по отношению к основной э.д.с.

В обоих случаях возникающие э.д.с. Искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал. Датчик характеризуется функцией преобразования – функциональной зависимостью выходной величины у от входной х, которая описывается аналитическим выражением

или графиком. Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на измерение входной:

Она в зависимости от вида датчика выражается в Омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К)

Датчики делятся на два класса: генераторные и параметрические. Генераторные датчики под воздействием входного сигнала генерируют напряжение или ток. Например, индукционные датчики, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.д.

Пьезоэлектрический датчик. Принцип его действия основан на пьезоэлектрическом эффекте-явлении поляризации кристаллических диэлектриков при деформации. Входной величиной в этих датчиках может быть давление, механическое напряжение, перемещение, а выходной - электрическое напряжение. В медицине пьезодатчики нашли широкое применение в приборах для автоматического измерения артериального давления, для записи пульса лучевой артерии и т.д.

Индукционный датчик. Принцип его работы заключается в наведении ЭДС индукции при относительном перемещении катушки и постоянного магнита. У индукционных датчиков входной величиной является скорость механического перемещения, поэтому их используют только в приборах предназначенных для измерения скоростей, в аппарате для импульсной регистрации легочной вентиляцией.

Параметрические датчики под воздействием входного сигнала изменяется какой-либо параметр (например, тензометрические датчики, емкостные, индуктивные, реостатные и т.п.).

Тензодатчик. В основе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

В медицинской технике при регистрации пневмограммы, характеризующей изменение периметра грудной клетки, частоту дыхания, используются тензодатчики, располагаемые на грудной клетке пациента. Датчик выполнен в виде жилета, изготовленного из эластичной ткани. Чувствительный элемент образован двумя резиновыми трубками с угольно-графитным наполнением, сопротивление которых изменяется при деформации.

Дата добавления: 2015-08-13