Вопрос 1. Определение биофизики как науки, предмет и методы исследования. Основные разделы. Связь биофизики с другими естественными науками. Значение биофизики для медицины. 11 страница

При колебании мем­браны под действием измеряемого параметра происходит колебание катушки, расположенной между полюсами посто­янного магнита. По зако­ну электромагнитной ин­дукции в ней возникнет ЭДС, пропорциональ­ная частоте колебаний мембраны.

Литература: Лекции.

Вопрос 87. Устройство и принцип действия датчиков пара­метров сердечно-сосудистой системы (датчик для измерения давления в периферических артериях, датчик для прямого изме­рения давления крови).

Различают датчики непосредственного и косвенного измерения артериального давления.

Косвенный метод. Рассмотрим этот метод на примере измерения давле­ния на пальце руки с применением фотодатчика кровенаполнения. Манжета для пережима сосудов пальца располагается в области проксимальной фаланги пальца, а фотодатчик - на ногтевой фаланге. При отсутствии давления в сдавливающей манжете автоматически регист­рируется амплитуда пульсового сигнала, снимаемого с фотодатчика, и величина его запоминается. В процессе измерения давление в манжете повышается до какой-то величины Р_m, (момент времени t₁), которое заведо­мо больше, чем систолическое давление крови. Затем давление в манжете начинает линейно уменьшаться. Величина давления, при ко­торой появляется первый импульс с фотодатчика (момент времени t₂), соответствует систолическому давлению Рс. По мере дальнейшего снижения давления в манжете амплитуда импульсов с фотодатчика растет и в момент времени t₃ достигает своего максимального значе­ния.

Схема датчика для измерения давления крови в периферической артерии, питающей фалангу пальца:

Величина давления в манжете в момент времени t₃ характеризует диастолическое давление Рд.

Метод непосредственного измерения артериального давления. Датчик имеет форму катетера с чувствительной мембраной на конце. Внутри катетера расположены два световода. По одному из них свет от лампочки попадает на мембрану, а по другому световоду отраженный свет попадает на фотоприемник. При измерении давле­ния, приложенному к мембране, величина отраженного светового по­тока меняется, что и фиксируется с помощью фотоприемника, в каче­стве которого используются либо фотосопротивление, либо фотоэле­мент. При этом датчик вводится непосредственно в кровеносный со­суд.

Схема датчика для прямого измерения давления крови

Литература: лекции.

Вопрос 88. Устройство и принцип действия датчиков параметров системы дыхания (контактный датчик, датчик из углеродистой резины, турбинный датчик, датчик оксигемографа).

Существует целая группа датчиков, предназначенных для анализа параметров системы дыхания. Они отличаются как конструктивно, так и по форме преобразования регистрируемого параметра в элек­трический сигнал. Такими измерительными системами оцениваются:

частота дыхания, величина дыхательного объема, минутный объем дыхания (МОД), оксигенация крови и т.д. Контактный датчик. Данный датчик применяется для фиксации моментов периодически повторяющихся движений грудной клетки.

Схема контактного датчика:.

1,2 – электрические контакты, 3 - резиновая лента.

Конструктивно датчик выполнен из резиновой ленты (3) с двумя контактами (1 и 2), которые замыкаются при вдохе и размыкаются при выдохе. Недостатком измерительной системы с таким датчиком является невозможность записи дыхательной кривой.

Датчик из углеродистой резины. Этот датчик относится к параметрическим. Активная часть датчи­ка выполнена из резины на основе углерода (1).

При изменении длины датчика изменяется его сопротивление. При приложении к резине разности потенциалов по ней протекает ток, изменяющийся в такт изменения сопротивления, а, следовательно, с частотой вдоха и выдоха.

Турбинный датчик. Датчик применяется для определения объема вдыхаемого или вы­дыхаемого воздуха. Датчик состоит из дыхательной маски (3), в кото­рой расположена турбина (4) с зеркальными накладками на лопастях. Свет от источника (1) попадает на зеркала и, отражаясь, регистриру­ется фотоприемником (2). Полученные импульсы фототока пропор­циональны частоте вращения турбины. Зная частоту и количество импульсов можно определить объем вдыхаемого и выдыхаемого воз­духа.

Датчик оксигемографа. Датчик позволяет регистрировать насыщенность крови оксигемоглобином.

1 - светофильтр для получе­ния монохроматического света, 2 - ткань, 3 - фотосопротивление, 4 - источник света.

По ткани (2) протекает поток крови и, в зависимости от ее насыщен­ности оксигемоглобином, изменяется ослабление величины светового потока, а это определяет величину сопротивления фоторезистора (3). Чем больше в крови оксигемоглобина, тем меньше поглощение света кровью и больше величина фототока в цепи фоторезистора, т.к. меньше величина сопротивления.

Литература: лекции.

Вопрос 89. Датчики тканевого обмена веществ (катионочувствительный и микроспектрофотометрмческий дат­чики).

Катионочувствительный датчик. Для анализа процессов в тканях его вводят внутриклеточно. Оцен­ка процессов в тканях производится путем анализа концентраций ио­нов Na⁺, К⁺, Mg⁺ и т.д. на клеточном уровне. Микропипетка из стек­ла вводится в ткань. Диаметр ее около 1 мкм. Она обогащена каким-то щелочным металлом. Измеряется величина разности потенциалов между микропипеткой и обычным микроэлектродом. При этом вели­чина регистрируемой разности потенциалов пропорциональна кон­центрации ионов в клетке. При равенстве концентраций ионов в клетке и микропипетке выходное напряжение равно нулю. Путем подбора микропипеток с различной степенью обогащенности ионами, можно определить концентрацию соответствующих ионов внутри клетки.

Спектрофотометрический датчик.

1 - источник света, 2 - волоконнооптический кабель, 3 - микропипетка, 4 - фотоприемник, 5 - поверхность клетки.

При прохождении света через оптическую систему (2) фотоприемииком (4) регистрируется спектр люминесценции (спектр поглоще­ния). Спектр люминесценции (поглощения) определяется химическим составом вещества, на которое падает при этом световой поток. По виду спектра судят о качественном составе клети. По интенсивности спектра судят о количестве вещества, содержащемуся в данном месте клетки. Достоинством метода является анализ биохимических процес­сов в тканях на клеточном уровне, что позволяет получать наиболее достоверную информацию о развитии той или иной патологии.

Литература: лекции.

Вопрос 90. Виды физиологических сигналов и их характери­стики. Назначение усилителя биоэлектрических сигналов. Ос­новные требования к усилителям.

Различные физиологические сигналы характеризуются тремя ос­новными параметрами:

- амплитудой сигнала,

- динамическим диапазо­ном,

- полосой частот.

Динамический диапазон сигнала - отношение максимальной амплитуды сигнала к его минимальному значению.

Физиологический сигнал	Амплитуда сигналя, мВ	Динамический диапазон	Полоса час­тот, Гц
ЭКГ электрокардиограмма	0,3-3		0,5-400
ФКГ фонокардиограмма	10-100		20-800
РГ реограмма	1-10		0,3 - 30
ЭМГ электромиограмма	0,02 - 3		1-10000
ЭГГ электрогастрограмма	0,01 - 0,4		0,02 - 0,06
КГР кожно-гальваничесхая ре­акция	0,1-2		0,01 - 10
ЭЭГ электроэнцефалограмма	0,002-0,1		0,3-80
Дельта-ритм	0,01-0,03		0,3-3.5
Тета-ритм	0,02 - 0,04		3,5-8
Альфа-ритм	0,02-1		8-13
Бета-ритм	0,002 - 0,03		13-80

Литература: лекции.

Вопрос 91. Основные метрологические характеристики уси­лителей и методы их определения. Искажения в усилителях.

Для последующей обработки снятых с помощью электродов или датчиков физиологических сигналов и их анализа данные сигналы необходимо усилить до определенного уровня и не внести в усилен­ный сигнал искажения. Для этих целей в медицинских приборах при­меняются усилители биоэлектрических сигналов.

До недавнего времени электронные усилители выполнялись на ра­диолампах. В настоящее время они выполняются на транзисторах и интегральных микросхемах, что позволило значительно сократить их габариты, вес, энергопотребление, повысить их надежность и улуч­шить параметры.

Исходя из частотного диапазона, усилители подразделяются на усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

К основным метрологическим характеристикам усилителя относят­ся:

- динамический диапазон,

- коэффициент усиления,

- рабочий диапа­зон воспроизводимых частот,

- входное и выходное сопротивление.

Большинство характеристик усилителя определяется по его ам­плитудной характеристике - графику зависимости напряжения на вы­ходе усилителя от напряжения на входе при постоянной частоте уси­ливаемого сигнала.

Амплитудная характеристика усилителя.

АВ - линейный участок характеристики.

1. Динамический диапазон усилителя - диапазон изменения сигна­ла на входе усилителя, в котором он усиливается без амплитудных (нелинейных искажений). Под искажениями понимается несоответст­вие формы входного сигнала форме выходного (усиленного) сигнала: m = U_{вх max} / U_{вх min}.

Когда амплитуда напряжения на входе усилителя выходит за пре­делы линейного участка амплитудной характеристики возникают так называемые амплитудные (нелинейные) искажения.

2. Коэффициент усиления усилителя: К_ус = Δ U_вых / Δ U_вх.

Коэффициент усиления усилителя, как его параметр, определяется на середине линейного участка амплитудной характеристики.

Для каждого вида физиологического сигнала коэффициент усиле­ния должен иметь номинальную величину, которая рассчитывается исходя из того, что минимальная величина данного сигнала должна быть, усилена до б Вольт. Такое напряжение необходимо для работы регистрирующих устройств. Учитывая этот факт, можно вычислить номинальный коэффициент усиления усилителя для данного сигнала:

К_ус = 6 В / U_{вх min}. Например, для ЭКГ номинальный коэффициент усиления будет равен:

К_ус = 6 В / 0,3 мВ = 20 000.

Для борьбы с амплитудными искажениями в усилителях преду­смотрен методический прием «Калибровка». При этом на вход усили­теля медицинского прибора подается напряжение 1 мВ и регулиров­кой коэффициента усиления в небольших пределах добиваются опре­деленной амплитуды записи. В случае ЭЭГ на вход усилителя подает­ся напряжение 1 мкВ. При уменьшении коэффициента усиления уси­лителя происходит расширение динамического диапазона усилителя, при увеличении коэффициента усиления - сужение динамического диапазона. Это и позволяет приспособить усиливаемый сигнал под линейный участок амплитудной характеристики усилителя.

3. Коэффициент нелинейных искажений: K_н.и= (U_ном - U_вых) /U_ном × 100%.

При выходе усиливаемого сигнала за пределы линейного участка характеристики (за пределы динамического диапазона) возникают нелинейные (амплитудные) искажения. Для характеристики этих ис­кажений вводится понятие коэффициента нелинейных искажений, ко­торый определяется по амплитуд­ной характеристике и вычисляется по формуле: K_н.и= (U_ном - U_вых) /U_ном × 100%, где U_ном - то значение выходного напряжения, которое давал бы усили­тель, при данном напряжении на входе усилителя, если бы амплитуд­ная характеристика усилителя была бы полностью линейной.

4. Рабочий диапазон воспроизводимых частот усилителя - диапа­зон частот, в котором допустимы 30% частотные искажения. Оказывается, что коэффициент усиления усилителя зависит не только от амплитуды входного напряжения, но и от частоты усили­ваемого сигнала. Эта зависимость выражается частотной характери­стикой усилителя - графиком зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала при постоянном напряжении на входе усилителя: K_ус.= f (n) при U_вх = const.

Частотная характеристика Частотная характеристика

усилителя постоянного тока усилителя переменного тока

Для определения частотного диапазона усилителя определяют уровень затухания 3 децибела (0,7 от максимального значения коэффициента усиления) и по точкам пересечения этого уровня с характеристикой определяют граничные частоты: нижнюю n_н и верхнюю n_в.

5. Входное и выходное сопротивление усилителя.

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 усилителей R_вх должно быть не менее 100 Мом.

Для того чтобы не шунтировать следующие за усилителем блоки диагностического прибора, сопротивление выхода усилителя должно быть примерно равным сопротивлению входа следующего блока ди­агностического прибора.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.379-383; лекции.

Вопрос 92. Устройство и принцип действия транзистора. Обозначение транзисторов на схемах.

Усилители биологических сигналов на транзисторах структурно состоят из соединенных в цепочки элементарных звеньев, которые получили название усилительные каскады. Основой каждого каскада является усилительный прибор - транзистор.

В основе работы транзистора лежит свойство р-n перехода. Эта структура образуется на границе раздела полупроводников с различным типом проводимости.

К полупроводникам относятся материалы с удельным сопротивлением r = 10^-5 - 10^-8 Ом /м.

Структура р-n перехода приведена ниже на рисунке:

При контакте двух полупроводников на границе их раздела образуется зона объемного заряда за счет диффузии основных носителей в зоны с противоположной проводимостью. В области объемного заряда образуется поле напряженностью Е р-n, и при этом протекают два тока:

- ток диффузии (за счет градиента концентраций),

- ток дрейфа основных носителей заряда.

В условиях равновесного состояния перехода суммарная составляющая токов равна нулю.

При приложении внешнего поля Е_ист, оно либо суммируется с полем объемного заряда, или вычитается из него в зависимости от полярности. Такие включения называются соответственно прямым и обратным.

При обратном включении Е_общ = Е_ист + Е р-n, зона объемного заряда расширяется и ток через прибор равен нулю.

При прямом включении Е_общ = Е_ист - Е р-n и через р-п переход течет ток.

Структура, состоящая из двух р-n переходов, называется тран­зистором. Транзистор бывает р-n-р и n-р-n структуры. Рассмотрим принцип действия транзистора типа р-п-р.

p-n переход между эмиттером и базой называется эмитгерным, р-n переход между базой и коллектором - коллекторным. При данном подключении источников тока эмиттерный переход является открытым, т.е. сопротивление транзистора (входное сопротивление) мало; коллекторный переход является закрытым, поэтому выходное сопротивление транзистора велико. Так как эмиттерный переход является открытым, основные носители тока (дырки) под действием приложенного входного напряжения Е_Э устремятся в базу, создавая ток эмиттера I_Э, где часть из них рекомбинирует с электронами (основными носителями тока в n-полупроводнике) и образуют ток базы I_Б. Однако, вследствие малой толщины базы транзистора, величина этого тока мала и большая часть дырок устремится в коллектор, который закрыт для электронов и открыт для дырок. При этом будет создаваться ток коллектора I_К.

По закону сохранения электрического заряда: I_Э = I_Б + I_К. Так как I_Б мал, I_Э = I_К.

Напряжение на входе транзистора равно падению напряжения на входном сопротивлении, и поэтому может быть вычислено по формуле: U_вх = I_Э × R_вх.

Напряжение на выходе транзистора равно падению напряжения на выходном сопротивлении транзистора, и поэтому может быть вычислено по формуле: U_вых = I_К × R_вых.

Коэффициент усиления транзистора по напряжению можно вычислить по формуле:

К_ус = U_вых / U_вх = (I_К × R_вых) / (I_Э × R_вх).

Из этой формулы видно, что, так как токи эмиттера и коллектора приблизительно равны, а выходное сопротивление гораздо больше входного сопротивления транзистора, о чем говорилось выше, коэффициент усиления транзистора по напряжению гораздо больше единицы, т.е. малые изменения напряжения на входе транзистора приводят к гораздо большим изменениям выходного напряжения, но при этом, так как ток коллектора повторяет ток эмиттера, форма выходного напряжения соответствует форме входного напряжения.

Транзисторы на схемах изображаются следующим образом:

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.384; лекции.

Вопрос 93. Схема усилительного каскада на транзисторе. Назначение отдельных элементов усилительного каскада. Многокаскадное усиление.

Если транзистор включать по определенной схеме вместе с сопро­тивлениями и емкостями, то получится усилительный каскад. Существуют три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ), и общим коллектором (ОК).

Наиболее распространен каскад с ОЭ:

R₁ и R₂ – сопротивления делителя напряжения, которые за счет только одного коллекторного источника питания создают необходимое напряжение между базой и эмиттером.

C₁ и С₂ - разделительные конденсаторы, они не пропускают постоянную составляющую входного и выходного напряжения, так как данный усилитель служит для усиления только переменных токов.

R_К - сопротивлении коллекторной нагрузки.

Для увеличения коэффициента усиления и получения наилучших параметров используется последовательное включение одиночных каскадов. Такие усилители называются многокаскадными. Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэф­фициентов усиления каждого отдельного каскада: К_ус = K_{1 ус} × К_{2 ус}.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.384-400; лек­ции.

Вопрос 94. Устройства отображения и регистрации инфор­мации. Основные требовании. Классификации.

УОР - устройства отображения и регистрации. Отображение информации - временное представление информации в наглядном виде.

Регистрация информации - запись информации на носителе.

Основные требования к УОР:

1) высокая чувствительность;

2) минимальная погрешность;

3) максимальный частотный диапазон;

4) минимальная потребляемая мощность;

5) высокое быстродействие;

6) сохранение информации при отключении питания;

7) удобство считывания информации;

8) простота и надежность в эксплуатации;

9) минимальные габариты и вес;

10) универсальность;

11) минимальная стоимость носителя информации.

Классификация УОР:

1. Аналоговые.

2. Дискретные.

3. Комбинированные.

Литература: лекции.

Вопрос 95. Классификация аналоговых УОР. Устройство, принцип действия и метрологические характеристики различ­ных аналоговых УОР.

Классификация аналоговых УОР

Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства при­меняются для представления информации в непрерывном виде (например, в случае получения ЭКГ), когда необходим график изме­нения контролируемой величины во времени или зависимость одного параметра от другого.

Показывающим прибором является любой стрелочный прибор известной электромагнитной, магнитоэлектрической или электроди­намической системы.

В медицинских приборах шкалы показывающих приборов гра­дуируются сразу в единицах измерения контролируемого параметра. Их преимущества: простота получения информации. Недостатки: не хранят информацию, обладают недостаточной точностью и большой инертностью.

Самописцы - основаны на преобразовании электрической энер­гии в механическую.

Например, чернильно-пишущий гальванометр. В зазоре магнита - стержень, сердечник. На катушки подмагничивания подается сигнал от УБП. Результатом взаимодействия маг­нитных полей постоянного магнита и электромагнита является пово­рот сердечника на определенный угол, пропорциональный величине регистрируемого электрического сигнала. На другом конце стержня находится перо, которое соприкасается с движущейся бумажной лен­той.

Частотный диапазон: 0 -150 Гц. Амплитуда записи: 30 - 40 мм (при длине пера 100 -120 мм). Преимущества: простота, наглядность записи, возможность много­канальной записи (несколько параметров), дешев. Недостатки: большая инертность (малая скорость записи), разбрыз­гивание чернил, криволинейностъ записи.

Например, струйный регистратор. Запись производится струёй чернил, выбрасываемых в сторону движущейся бумаги с большой скоростью. Капилляр связан с посто­янным магнитом цилиндрической формы, помещаемым в зазоре элек­тромагнита. Если через электромагнит пропустить электрический ток, то созданное им поле заставить повернуться постоянный магнит с ка­пилляром на некоторый угол, пропорциональный величине тока. Ма­лая масса подвижной системы струйного гальванометра и высокая плотность разбрызгиваемых чернил позволяют вести регистрацию процессов с частотой до 1000 Гц и более. Амплитуда записи - до 100 мм.

Преимущества: малая инертность, почти отсутствуют криволи­нейные искажения.

Недостатки: сложность, дорог, чернила должны быть чистыми, не­обходима регулировка.

Например, вибратор с термозаписью. Черная бумага покрывается тонким слоем воска или парафина. В месте касания пера, воск расплавляется. Остается след в виде обна­жающейся черной подложки.

Метрологические характеристики такие же, как у чернильно-пишущего гальванометра, так как основой является тот же самый электромагнитный вибратор.

Преимущества: контрастная запись, простота устройства, нет разбрызгивания чернил.

Недостатки: дорогая бумага, особые условия хранения.

Например, фоторегистраторы. Основной частью их является рамочный или шлейфный гальвано­метр. На шлейфе (петле) укрепляется миниатюрное зеркальце. При пропускании тока от УБП шлейф с зеркальцем поворачивается в маг­нитном поле на некоторый угол, пропорциональный величине сигна­ла. На зеркальце направляется луч света, который после отражения попадает на движущуюся фотобумагу.

Частотный диапазон: 0-20 КГц и больше. Амплитуда записи: 30 - 40 мм.

Преимущества: малая инерционность.

Недостатке: дорогой носитель, бумагу надо проявлять и закреплять.

Литература: лекции.

Вопрос 96. Метрологические характеристики аналоговых УОР и методы их определения.

Метрологические характеристики УОР определяются по их амплитудной и частотной характеристикам.

1. Амплитудная характеристика - график зависимости амплитуды записи L от напряжения на входе регистратора U_вх при постоянной частоте отображаемого или регистрируемого сигнала: L = f (U_вх) при v = const.

На амплитудной характеристике буквами отмечен линейный участок (АВ).

По амплитудной характеристике можно определить:

а) динамический диапазон m = U_{вх max} / U_{вх min},

б) чувствительность УОР на линейном участке АВ: g =Δ L /Δ U_вх.

2. Частотная характеристика УОР - график зависимости ампли­туды записи L от частоты отображаемого или регистрируемого сигнала v при постоянном напряжении на входе УОР: L = f (v) при U_вх = const.

По частотной характеристике можно определить частотный диа­пазон УОР на уровне затухания 3 дб.

0- v _в - частотный диапазон.

Литература: лекции.

Вопрос 97. Дискретные УОР. Классификация, устройство, принцип действия и метрологические характеристики различных УОР.

Дискретные УОР поставляют информацию периодически и выдают информацию в обработанном виде.

Цифровые индикаторы: оптические, газоразрядные, электролюминесцентные, на жидких кристаллах:

1) оптические - проецируют знаки по волоконной оптике на матовый экран;

2) газоразрядные индикаторы - газонаполненный стеклянный баллон, имеющий один анод и множество катодов в виде цифр. При подаче напряжения между катодом и анодом в баллоне возникает га­зовый разряд, имеющий форму катода. Управляются специальными электронными схемами;

3) электролюминесцентные - цифры (знаки) образуются за счет высвечивания отдельных полосок или точечных знаков, набранных в виде матриц. Под действием приложенного напряжения происходит свечение люминофора. Цвет зависит от природы люминофора;

4) жидкокристаллические индикаторы - под действием электри­ческого поля происходит переориентация кристаллов, и они стано­вятся видимыми.

Сигнализирующие устройства: звуковые и световые. Они применяются для сигнализации о выходе контролируемого параметра за установленные пределы или о наличии аварийной ситуации.

Принтеры.

Основные требования к принтерам: малые габариты, высокое качество печати, цветная печать, многообразие шрифтов, много ко­пий, низкая стоимость. Остановимся на устройстве некоторых принтеров:

а) литерные - электрические пишущие машинки, управляемые ЦВМ, например, «Консул» - 10 знаков в секунду;

6) матричные (мозаичные) - в них изображение формируется из множества точек, оставляемых ударами тупых иголочек по красящей ленте. Таких иголочек до 48 штук. Выводят алфавитно-цифровую и графическую информацию. Скорость вывода информации до 150 знаков в секунду;

Дата добавления: 2015-11-04