Вопрос 1. Определение биофизики как науки, предмет и методы исследования. Основные разделы. Связь биофизики с другими естественными науками. Значение биофизики для медицины. 10 страница

К типу ВF относятся приборы и аппараты в которых рабочая часть изолирована от корпуса: низкочастотная электролечебная ап­паратура, стимуляторы и др.

К типу СF относятся приборы и аппараты, рабочая часть которых имеет непосредственный контакт с сердцем: внешние электростимуляторы, измерители давления в полости сердца и др.

По способу защиты пациентов и обслуживающего персонала от поражения электрическим током аппаратура с питанием от внешних источников питания делится на четыре класса:

Класс 01 - дополнительная изоляция рабочей части, неавтомати­ческое заземление;

Класс 1 - дополнительная изоляция рабочей части и автоматиче­ское заземление;

Класс 2 - дополнительная изоляция всех цепей питания и отсутст­вие защитного заземления;

Класс 3 - питание от изолированного источника с переменным напряжением не более 24 Вольт или постоянным напряжением не бо­лее 50 Вольт при отсутствии внешних и внутренних цепей с более высоким напряжением.

У приборов класса 01 имеется наружный зажим защитного заземления, который нужно соединить с заземляющим устройством до включения сетевого шнура в розетку. Вилки у приборов класса 01 имеют два штыря и включаются в общую розетку.

Аппараты класса 1 имеют трехжильный сетевой шнур. Третья жи­ла этого шнура внутри аппарата соединяется с зажимом заземления. Сетевая розетка в этом случае должна иметь три гнезда, из которых одно соединено с заземляющим устройством. При этом защита (заземление) обеспечивается автоматически, независимо от добросо­вестности и внимательности обслуживающего персонала.

Сущность защиты по классу 2 состоит в создании двойной изоля­ции, т.е. сочетании основной и дополнительной изоляции. Применяется также и усиленная изоляция. Под усиленной изоляцией понима­ют основную изоляцию с повышенными изоляционными свойствами. При этом у аппаратов класса 2 нет приспособлений для заземления. Включать аппараты можно в любую розетку.

Сущность защиты 3 класса состоит в питании аппаратуры от цепи низкого напряжения.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.360-364; лек­ции.

Вопрос 77. Надёжность медицинской аппаратуры. Основные категории надёжности. Классификация медицинской аппаратуры по надёжности.

Способность аппаратуры не отказывать в работе в заданных усло­виях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение за­данного интервала времени характеризуется обобщающим термином надёжность.

Для медицинской аппаратуры проблема надежности особенно ак­туальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привес­ти к гибели пациентов.

Важным параметром надежности является вероятность безот­казной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа N работающих (не испортившихся) за время t изделий к обще­му числу К испытывавшихся приборов: p (t) = N / К.

Другим количественным показателем надежности является ин­тенсивность отказов. Этот показатель можно выразить как отно­шение числа отказов dN к произведению времени dt на общее число N работающих приборов: L (t) = - dN / (dt × N).

Между вероятностью безотказной работы p (t) и интенсивностью отказов L (t) существует определенная связь:

p (t) =exp (-L × t).

В зависимости от возможных последствий отказа в процессе экс­плуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса:

А - изделия, отказ которых представляет непосредственную опас­ность для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной работы изделия этого класса должна быть не менее 0,99 в течение на­работки между планово-предупредительными техническими обслуживаньями, или в течение установленного для них срока службы. К изделиям этого класса относятся приборы для наблюдения за жизнен­но важными функциями больного, аппараты искусственного дыхания и кровообращения и др.;.

Б - изделия, отказ которых вызывает искажение информации о со­стоянии организма или окружающей среды, не приводящее к непо­средственной опасности для жизни пациента или персонала, либо вы­зывает необходимость немедленного использования аналогичного по функциональному назначению изделия, находящегося в режиме ожи­дания. Вероятность безотказной работы изделия этого класса должна быть не менее 0,8. К таким изделиям относятся системы, следящие за состоянием здоровья больных, аппараты для стимуляции сердечной деятельности и др.;

В - изделия, отказ которых снижает эффективность или задержи­вает лечебно-диагностический процесс в некритических ситуациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий пер­сонал, либо приводит только к материальному ущербу. Наработка на отказ ремонтируемых изделий этого класса и средняя наработка до отказа не ремонтируемых изделий должна не менее чем в два раза превышать наработку или календарный период между планово-предупредительными техническими обслуживаньями или должна быть не менее гарантийной наработки или гарантийного срока экс­плуатации при средней интенсивности использования изделия. К это­му классу относится большая часть диагностической и физиотерапев­тической аппаратуры, инструментарий и др.;

Г - изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электроме­дицинская аппаратура к этому классу не относится.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.364-367; лек­ции.

Вопрос 78. Блок-схема диагностического прибора, работаю­щего в масштабе реального времени. Назначение отдельных блоков.

Масштаб реального времени - характеристика скорости обработ­ки информации, протекающей в темпе, обеспечивающем обслужива­ние некоторого внешнего процесса, не зависящего от вычислительной машины. Применительно к медицине - выдача обработанной инфор­мации со скоростью, необходимой для обслуживания лечебно-диагностического процесса. Именно так работают вычислительные машины на летательных аппаратах, космических кораблях. Так может быть и должна быть по­строена работа медицинского диагностического прибора.

Рассмотрим блок-схему и принцип работы такого диагностическо­го прибора.

Б - больной;

СМИ - средства съёма медицинской информации;

УБП - усилитель биопотенциалов;

УОР - устройство отображения и регистрации информации;

СО - система обработки медицинской информации;

УУ - управляющее устройство;

СУ - сигнализирующее устройство;

ИУ - исполнительное устройство.

СО и УУ входят в состав микропроцессора. Микропроцессор - это специализированное вычислительное устройство, которое запо­минает информацию о больном, сравнивает ее с эталоном и ставящее вероятностный диагноз либо дающее функциональную характеристи­ку деятельности того или иного органа. Кроме того, микропроцессор может управлять работой сигнализирующего устройства, выдающего световой или звуковой сигнал при выходе регистрируемого параметра за угрожающие пределы, или работой исполнительного устройства, например, автоматического инъектора, который в автоматическом режиме может вводить тот или иной лекарственный препарат.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.367-368; лек­ции.

Вопрос 79. Средства съёма медицинской информации. Клас­сификация, основные требования.

Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией соответствующей информации. Для ее преобразова­ния в конечную форму и последующего анализа необходимо иметь целую совокупность устройств.

Первичный элемент этой совокупности - чувствительный элемент системы измерения, называемый устройством съема медико-биологической информации, непременно контактирует или взаимо­действует с исследуемым объектом. Остальные устройства обычно обособлены от объекта измерения и могут быть на значительном уда­лении от него.

В качестве средств съема медицинской информации при различ­ных исследованиях используются электроды и датчики. Они позво­ляют регистрировать электрические и неэлектрические сигналы от объекта исследования для дальнейшего их усиления, обработки и ре­гистрации.

Электродами называются проводники специальной формы, обеспе­чивающие контакт между кожей пациента и измерительным прибо­ром для отведения биопотенциалов. Они могут использоваться и для активного воздействия, например, при реографии.

Датчики - специальные устройства, преобразующие неэлектрический сигнал в электрический. Иногда их называют техническими рецепторами. Исходя из специфики применения и разнообразия реги­стрируемых параметров, к средствам съема медико-биологической информации предъявляются определенные требования:

• стабильность в работе;

• минимальное искажение сигнала;

• помехозащищенность;

• отсутствие побочного действия на организм;

• возможность стерилизации без изменения электрических пара­метров;

• минимальные габариты и стоимость.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.368; лекции.

Вопрос 80. Классификация медицинских параметров.

Интенсивные параметры непосредственно воспринимаются от организма, например, скорость, ускорение, температура, давление и т.д.

Экстенсивные параметры являются функцией изменения, какого-то параметра живого организма, например, при реографии измеря­ется импеданс некоторого участка организма, который определяется кровенаполнением данного органа или ткани. В данном случае крове­наполнение является экстенсивным параметром.

К механическим параметрам можно отнести: скорость, ускорение, давление, частоту и т.д.

К химическим параметрам относятся: химический состав вещест­ва, концентрация и т.д.

К физическим параметрам относятся: температура, влажность и т.д.

К физиологическим параметрам относятся: МОД - минутный объ­ём дыхания, МОК - минутный объем крови. Таким образом, устройства съёма медицинской информации яв­ляются своего рода переводчиками информации с «физиологического языка» на язык электронных устройств. Без этого невозможны все по­следующие этапы преобразования исходной информации.

Литература: лекции.

Вопрос 81. Электроды. Основные требования к электродам. Классификация.

Электроды - это средства съема электрической информации. Рассмотрим основные требования, предъявляемые к электродам:

1. Низкое переходное сопротивление «электрод-кожа». Для сухой кожи это сопротивление составляет порядка 100 КОм. Покажем, что при уменьшении данного сопротивления увеличивается сигнал, кото­рый подается на усилитель биопотенциалов. С этой целью рассмот­рим эквивалентную схему входной цепи диагностического прибора:

Е - ЭДС источника биопотенциалов;

R_э-к - переходное сопротивление электрод-кожа;

R_вх - входное сопротивление усилителя биопотенциалов;

I_вх - величина входного тока, обусловленного напряжением входного сигнала Е;

U_вх - величина входного напряжения УБП.

По закону Ома: I_вх =E / (R_э-к + R_вх). Тогда: U_вх = I_вх × R_вх = E× R_вх / (R_э-к + R_вх).

Значит, если уменьшается R_э-к, то U_вх растет до E. Для сухой кожи человека R_э-к =100 КОм.

Существует несколько способов уменьшения сопротивления элек­трод-кожа:

• Подбор материала электрода. При этом используют благо­родные металлы: золото, платину, серебро и т.д., которые плохо окисляются. Окислы металлов являются диэлектрика­ми. Поэтому электроды из хорошо окисляющихся металлов стараются не использовать.

• Использование специальных прокладок между электродами и кожей, смоченных токопроводящими пастами или шампу­нями.

• Увеличение поверхности электродов, так как R =r × l / S, где r - удельное сопротивление, 1 - длина электрода, S - площадь соприкосновения с кожей, и при увеличении площади соприкосновения R будет уменьшаться.

Однако следует отметить, что увеличение площади электродов ведет к ухудшению помехозащищенности электродов и к снижению их ин­формативности, так как увеличивается площадь, с которой снимается электрический сигнал.

2. Электроды должны иметь минимальные размеры, так как в противном случае они будут ухудшать информативность сигна­ла и его помехозащищенность.

3. Отсутствие поляризации электродов. Поляризация в этом слу­чае - возникновение разности потенциалов между электродом и электролитом. Лучшими в этом случае являются неполяризующиеся (Аg+АgСl) электроды.

4. Низкая стоимость электродов.

5. Возможность быстрой фиксации и съема.

Классификация электродов

1. Электроды, для кратковременного применения. Эти электро­ды используются в кабинетах функциональной диагностики:

а) плоский электрод: эти электроды предназначены для от­ведения биоэлектрических сигналов с поверхности кожи и требуют ее предварительной обработки физиологическим раствором или токопроводящим шампунем. Конструктивно такие электроды выполняют­ся в виде металлических пластин, поверхность которых покрыта тон­ким слоем золота или хлористого серебра.

б) электрод-присоска: конструктивно этот электрод снабжен резиновым баллончиком, который дает возможность просто и доста­точно надежно крепить собственно электрод в нужном месте грудной клетки. Однако такой электрод нельзя использовать для длительной регистрации из-за недостаточной герметичности, потери присасы­вающей силы резинового баллончика и возможных кровоизлияний в кожу и подкожную клетчатку.

в) пищеводный электрод: конструктивно данный электрод выполняется в виде оливы на конце резинового или пластмассового катетера. Такие электроды могут иметь различный диаметр.

г) инъекционный (коаксиальный) электрод: конструктив­но такие электроды выполняются из тонкой платиновой проволочки, внедренной в инъекционную иглу. Они просты в применении и не раздражают кожу. Однако их использование связано с нарушением кожного покрова и возможностью проникновения инфекции в канал электрода, хотя практически инфицирование происходит крайне ред­ко.

2. Электроды для длительного применения (монитроды). Эти электроды применяются в специализированных отделениях: палатах реанимации, палатах реабилитации и т.д.:

а) чашеобразный электрод:

1 - корпус; 2 - сетка, из хлористого серебра; 3 - пленка на клеевой основе; 4 - электродная песта.

б) игольчатый электрод: конструктивно данный электрод выполнен в виде иглы из платины длиной порядка 10 мм, которая вводится под кожу пациента. Хороший электрический контакт дости­гается за счет того, что лимфа и кровь являются хорошими провод­никами электрического тока.

1- электрод; 2 - кожа.

в) винтовой электрод: конструктивно такой электрод изго­тавливается из стали высоких сортов, и располагается в инъекцион­ной игле. После прокола игла вынимается, оставляя электрод под кожей.

1 - инъекционная игла; 2 - электрод из нержавеющей стали.

г) электрод из стеклообразного углерода: конструктивно электрод выполнен в виде катушки высотой 5 мм с диаметром щечек 4 мм и диаметром осевого цилиндра 2,5 мм. Материал имеет высокую электропроводность и химически более инертен, чем другие извест­ные формы углерода.

1 – электрод, 2 – кожа.

д) электрод из токопроводящей эмульсии: конструктивно та­кой электрод получаю следующим образом - при помощи инъекцион­ной иглы под кожу вводится токопроводящая эмульсия, где она за­стывает. Для получения электрического контакта на поверхность ко­жи накладывают серебряную пластинку.

1 – кожа, 2 - серебряная пластина, 3 – токопроводящая паста.

3. Электроды для экстренного применения. Эти электроды применяются в условиях неотложной тера­пии, скорой помощи:

а) многоточечный электрод: конструктивно такой электрод является модификацией плоского овального электрода, к нижней по­верхности которого прикрепляются несколько небольших игл. Высота игл примерно равна толщине верхних слоев эпителия. Электроды та­кого типа имеют небольшое переходное сопротивление. Наложение такого электрода сопровождается раздражением кожи, что ведет к значительному увеличению кровотока в коже, что в свою очередь способствует еще большему снижению переходного сопротивления.

1 - кожа, 2 -электрод.

б) электрод-присоска: это тот же электрод, который исполь­зуется и для кратковременного применения.

4.Электроды для динамического наблюдения. Эти электроды используются в условиях физических нагру­зок в палатах реабилитации, в спортивной медицине. Данные элек­троды представляют собой те же самые монитроды, которые крепятся в тех местах организма человека, где отсутствуют мышцы.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.368-370; лек­ции.

Вопрос 82. Датчики медико-биологической информации.

Многие медицинские параметры являются неэлектрическими, поэтому их нельзя снять с помощью электродов. Тем не менее, эги па­раметры необходимо регистрировать и обрабатывать с целью диагно­стики и лечения. Для этих целей служат датчики медико-биологической информации.

Датчики - специальные устройства, преобразующие неэлек­трические сигналы в электрические на уровне, необходимом для ре­гистрации. В общем случае датчик состоит из воспринимающего элемента и преобразователя.

ЧЭ - чувствительный элемент, ПС - преобразователь сигнала.

Классификация датчиков

Датчики
Техническая классификация: (по техническому принципу преобразо­вания параметра в электрический сигнал)	Генераторные (активные) Изменение регистрируемого сигнала ведет к возникновению или измене­нию ЭДС (не требу­ют внешнего источника питания)	Параметрические (пассивные) Изменение регистрируемого сигнала ведет к измене­нию параметров (требу­ют внешнего источника питания)	Энергетические (активные и пассивные). Сами активно воздей­ствуют на органы и ткани. Эти датчики создают немодулированный энергетический поток, который моду­лируется измеряемым па­раметром
Физическая классификация: (по физическому закону, на котором основаны преобразования)	1. Термоэлектри­ческий 2. Пьезоэлектрический З. Индукционный	1. Термисторный 2. Емкостной 3. Тензорезисторный 4. Индуктивный.	1. Фотоэлектрический 2. Ультразвуковой
Медицинская классификация (по применению датчика)	1. Датчики температуры тела 2. Датчики параметров системы дыхания 3. Датчики параметров системы кровообращения 4. Датчики параметров системы тканевого обмена

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.370-371; лек­ции.

Вопрос 83. Физические принципы работы термисторных, термоэлектрических, пьезоэлектрических, тензорезисторных, ин­дуктивных, емкостных и индукционных датчиков.

Термисторные датчики применяются для измерения температуры человеческого тела. В качестве датчиков применяются проволочные и полупроводниковые терморезисторы. В основу работы терморезисторов положена зави­симость их сопротивления от температуры. Эта зависимость характе­ризуется величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). При положительном ТКС с возрастанием температуры воз­растает сопротивление, при отрицательном ТКС зависимость обрат­ная.

В основе работы термоэлектрических датчиков лежит принцип возникновения термоЭДС между двумя спаями разнородных металлов, если они находятся при различных температурах. Такое соединение носит название термопара. Например, железо и константан.

В основе принципа работы пьезоэлектрических датчиков лежит явление прямого пьезоэлектрического эффекта, состоящего в возникновении электрических зарядов разных знаков на поверхности кристалла при его механической деформации. Обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение деформации тела при изменении разности потенциалов между его поверхностями. Таким свойством обладают кварц, турмалин (природные материалы) и синтетические - титанат бария, сегнетова соль.

В основе работы тензорезисторных датчиков лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление вследствие их механической деформа­ции. Датчики бывают проволочные, полупроводниковые. При изменении их размеров под действием внешней силы меняется величина их сопротивления.

Принцип работы емкостных датчиков заключается в изменении их емкости при воздействии внешней силы. Конструктивно их выполняют в виде конденсатора. При изменении расстояния между об­кладками конденсатора меняется его емкость. Если включить такой датчик в цепь переменного тока, то изменение емкости приведет к изменению и емкостного сопротивления: Хс = 1 / (w × С) где w - циклическая частота, С - электроемкость.

Датчики индуктивного типа преобразовывают изменение пере­мещения или давления в изменение индуктивности. Изменение ин­дуктивности приводит к изменению индуктивного сопротивления: Х_L = w × L.

Принцип действия индукционных датчиков основан на явлении электро­магнитной индукции. Конструктивно такие датчики представляют катушку с намагниченным ферромагнитным сердечником. При перемещении сердечника внутри катушки (или катушки относительно сердечника) в ней генерируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока: ЭДС = - Δ Ф / Δ t.

Литература: лекции.

Вопрос 84. Основные метрологические характеристики дат­чиков и методы их определения.

1.Чувствительность датчика - отношение изменения выходного электрического сигнала к вызвавшему его изменению входного парамет­ра, измеряемого датчиком.

g = Δ у /Δ х, где Δ у - соответствующее изменение выходного элек­трического сигнала, Δ х - изменение входного неэлектрического сигнала.

Чувствительность датчика определяется по амплитудной характери­стике датчика. Амплитудная характеристика датчика - зависимость величины выходного сигнала электрического от величины входного неэлектрического сигнала.

Чувствительность, как метрологическая характеристика датчика, определяется на линейном участке амплитудной характеристики.

Амплитудная характеристика датчика.

АВ - линейный участок характеристики.

2. Динамический диапазон - диапазон изменения входной величи­ны, в котором она воспроизводится в электрический сигнал без искажений m = Х_max / Х_min.

m >10 - наиболее распространенный динамический диапазон для датчиков медицинской аппаратуры.

3. Линейность датчика. Чем длиннее прямолинейный участок харак­теристики, тем больше линейность датчика.

4. Время реакции датчика t - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установление выходной величины, при скачкообразном изменении входной величины.

Так как в медицинских приборах допустимы 30% искажения, то на практике под временем реакции датчика понимается промежуток времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0.67Y_ycт при скачкообраз­ном изменении входного сигнала. Зная время реакции датчика, можно определить его частотный диапазон:

f_нижн= 0; f_верх= 1 / t.

5. Коэффициент нелинейных искажений

Коэффициент нелинейных искажений определяется по амплитуд­ной характеристике датчика.

K_н.и.= (Y_ном - Y_реал) / Y_ном × 100%

6. Стабильность датчика - неизменность выходной величины при неизменности входной величины.

если X= const, то Y= const.

7. Погрешность датчика Δ. Датчик искажает информацию. Ве­личина погрешности датчика зависит от старения датчика, влияния окружающей среды, погрешности измерительного прибора, нестабильности источника питания и т.д.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.370-371; лекции.

Вопрос 85. Устройство и принцип действия датчиков темпе­ратуры (термисторный и термоэлектрический датчики).

Для регистрации температуры биологических объектов исполь­зуется датчики термоэлектрических и термисторных систем. Сущест­вуют датчики температуры ядра (сердцевинные) и температуры кожи (поверхностные). У датчиков температуры ядра более достоверные показания, а температуры кожи зависят от многих условий окружаю­щей среды (влажности, одежды, волосяного покрова, кровоснабжения кожи и.д.).

Для измерения температуры тела человека применяются проволоч­ные и полупроводниковые датчики. Это пассивные датчики (терморезисторы) и активные датчики (термопары). Обычно, датчик на основе термосопротивления включается в цепь в соответствии с рисун­ком, приведенном ниже.

Схема термнсторного датчика:

Е - источник питания, G - гальванометр,

R₁R₂R₃R₄ - измерительный мост, R₄ - резистор балансировки моста, R₂ - термосопротивление.

Мост сбалансирован при условии равенства сопротивлений R₁ и R₃, R₂ и R₄ соответственно. В этом случае электрический ток через гальванометр не протекает. При изменении температуры нарушается балансировка моста и через гальванометр G протекает ток Iг, про­порциональный величине температуры. Прибор можно проградуировать в градусах и отсчет будет производиться непосредственно в гра­дусах.

Схема термоэлектрического датчика:

1 – железо; 2 – константан.

Величина ЭДС термопары Е может быть определена согласно выражению: E = l × (t ₁ - t ₂), где

l - удельная ЭДС, t ₁и t ₂ - температуры сред, где находятся термопары.

Если собрать электрическую цепь согласно рисунку, то в цепи по­течет электрический ток, прямо пропорциональный разности темпе­ратур.

Термисторные датчики - дешевые, имеют малое время реакции (5 - 50 с), но обладают значительной нелинейностью. Термоэлектрические датчики - дорогие, имеют малое время реакции и большой динамический диапазон, высокую линейность.

Литература: лекции.

Вопрос 86. Устройство и принцип действии датчиков пара­метров сердечно-сосудистой системы (пьезодатчик и микрофон­ный датчик).

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используют такие характеристики, как пульс, систолическое и диастолическое пение, тоны и шумы сердца, импеданс тканей, различные показатели циркуляции крови и другие.

Для регистрации частоты периферического пульса получили распространение пьезоэлектрические и электродинамические датчики.

Пьезоэлектрический датчик артериального пульса. Прямой 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.).

Схема пьезоэлектрического датчика:

Пелот накладывается на артерию. При деформации в элементе возникает прямой пьезоэлектриче­ский эффект - на противоположных поверхностях кристалла из титаната бария появляется разность потенциалов, причем частота из­менения этой ЭДС совпадает с частотой пульса.

Микрофонный датчик. Этот датчик является тоже генераторным и часто используется для определения частоты пульса, тонов и шумов сердца. Схема микрофонного датчика:

Дата добавления: 2015-11-04