ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ» Кафедра физики, математики и информатики 1
ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ИЗМЕРИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ИЗМЕРИТЕЛИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ ЭКГ ЭЭГ ЭМГ ЭГГ ЭОГ ИЗМЕРИТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭНДОСКОПЫ УЗ ЭХОСКОПЫ РЕОГРАФЫ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПУЛЬСОМЕТРЫ ЭЛ. МАНОМЕТРЫ ЭЛ. ТЕРМОМЕТРЫ РЕФЛЕКСОМЕТРЫ РАДИОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОРЫ ДИФФЕРЕНЦИАТОРЫ ИНТЕГРАТОРЫ УЗ ДОПЛЕРОВСКИЕ СКАНЕРЫ РЕНТГЕНОВСКИЕ ТОМОГРАФЫ МАГНИТНЫЕ ТОМОГРАФЫ БИОРЕЗОНАНСНАЯ ДИАГНОСТИКА
ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА Напомним: ИЗМЕРИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ИЗМЕРИТЕЛИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ РЕОГРАФЫ Электрокардиографы Электроэнцефалографы Электромиографы Электрогастрографы Электроокуллографы Реографы – измерители импеданса (полного сопротивления) тканей переменному току. См. лекцию "Переменный ток" 1 го семестра. Электрокардиографы – теоретические основы ЭКГ рассматривались в лекции 1 -го семестра тема "Эл. поле"
ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ИЗМЕРИТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПУЛЬСОМЕТРЫ ЭЛ. МАНОМЕТРЫ ЭЛ. ТЕРМОМЕТРЫ РЕФЛЕКСОМЕТРЫ РАДИОЛОГИЯ
ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА Аппаратура УЗИ – физические основы УЗИ и способы его получения рассматривались в лекциях по акустике. Рентгеновское излучение его свойства и спектр – тема одной из лекций в мае. Магнитные томографы – сканирующие аппараты, измеряющие магнитную активность работы мозга. Более подробно в нашем курсе рассматриваться не будут. Биорезонанс – приборы, исследующие тонкий спектр электромагнитного излучения разных областей тела пациента, его анализ (диагностика), инвертирование спектра и воздействие на эту же область с лечебной целью (терапия). Минздравом утвержден с ограничениями. ЭНДОСКОПЫ УЗ ЭХОСКОПЫ УЗ ДОПЛЕРОВСКИЕ СКАНЕРЫ РЕНТГЕНОВСКИЕ ТОМОГРАФЫ МАГНИТНЫЕ ТОМОГРАФЫ БИОРЕЗОНАНСНАЯ ДИАГНОСТИКА
ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ИЗМЕРИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ИЗМЕРИТЕЛИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ ЭКГ ЭЭГ ЭМГ ЭГГ ЭОГ ИЗМЕРИТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭНДОСКОПЫ УЗ ЭХОСКОПЫ РЕОГРАФЫ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПУЛЬСОМЕТРЫ ЭЛ. МАНОМЕТРЫ ЭЛ. ТЕРМОМЕТРЫ РЕФЛЕКСОМЕТРЫ РАДИОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОРЫ ДИФФЕРЕНЦИАТОРЫ ИНТЕГРАТОРЫ УЗ ДОПЛЕРОВСКИЕ СКАНЕРЫ РЕНТГЕНОВСКИЕ ТОМОГРАФЫ МАГНИТНЫЕ ТОМОГРАФЫ БИОРЕЗОНАНСНАЯ ДИАГНОСТИКА
ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ИЗМЕРИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ИЗМЕРИТЕЛИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ РЕОГРАФЫ Электрокардиографы Электроэнцефалографы Электромиографы Электрогастрографы Электроокуллографы Вернемся к измерителям биопотенциалов
Рассмотрим частотный и амплитудный спектр сигналов, характеризующих электрическую активность различных физиологических систем Наименование метода Параметры ЭКГ ЭЭГ ЭМГ ЭГГ ЭОГ Амплитуд а м В 0, 1 -5 0, 01 -0, 5 0, 01 -50 0, 1 -1 0, 05 -0, 2 Частота Гц 0, 5 -400 1 -10000 0, 01 -10 0, 5 -15
электроды
Цифровой электрокардиограф Програмное обеспечение
Электрокардиограф ЮКАРД-100 Применение: В системе семейной медицины и скорой медицинской помощи, в специализированных диагностических и кардиологических центрах. Возможности: Регистрация 12 -ти стандартных ЭКГ отведений, а также отведений по Нэбу и Слопаку; 3 -х канальный вывод на термобумагу; Цветной высококонтрастный ЖК-дисплей (320 х240 точек); Встроенная телеметрическая система передачи данных; Адаптивные цифровые фильтры 50 Гц и мышечного дрожания; Автоматическая компенсация дрейфа изолинии; Защита от импульсов дефибриллятора; Наличие режима непрерывного мониторинга частоты сердечных сокращений; Хранение в памяти фрагментов ЭКГ по всем 12 -ти отведениям с возможностью их последующего просмотра и печати.
Поли-Спектр-8/EX 12 -канальный миниатюрный беспроводный электрокардиограф Прибор может располагаться прямо на теле пациента. ЭКГ от него передается по радио с использованием технологии Bluetooth на расстояние до 7 метров. Основная область применения этого прибора — нагрузочные тесты (велоэргометрия, тест на беговой дорожке, ортопроба, проба на кресле Барани и т. п. ).
Поли-Спектр-8 12 -канальный миниатюрный электрокардиограф для использования при массовых ЭКГобследованиях Прибор позволяет подключить дополнительные модули: • программу анализа вариабельности ритма сердца и ритма дыхания, • программу углубленного анализа аритмий методом корреляционной ритмографии; • программу анализа дисперсии интервала Q-T; • программу регистрации и анализа поздних потенциалов желудочков ; • программу нагрузочного тестирования.
Неэлектрические параметры в медицине ь ь ь ь Температура любой точки тела, пульс, частота дыхания, объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, давление крови, состав крови и других биологических жидкостей, линейные и угловые перемещения и т. д. Если раньше ставилась цель – только измерение, то сейчас: комплексные измерения, управление, передача на расстояние, математическая обработка без участия человека.
Каков принцип построения приборов, предназначенных для измерения НЭВ ? Развитие приборостроения за последние 60 -70 лет показало, что наиболее удобно НЭВ преобразовать в электрическую с последующей ее регистрацией. Преимущества: • Высокая чувствительность электрической (электронной) техники, • Широкий диапазон изменения чувствительности, простота его изменения, • Малая инерционность электронных элементов (широкий частотный диапазон) • Возможность измерения на расстоянии, • Электронная аппаратура легко коммутируется, • Применение цифровых технологий позволяет широко использовать микропроцессорные технологии.
Обобщенная схема измерения неэлектрической величины электрическими методами Аналоговый вариант измерительного прибора П Первичный измерительный преобразователь (датчик) Усили тель Измерительная схема Канал связи Регистрирующий прибор
Обобщенная схема измерения НЭВ электрическими методами Цифровой вариант Цифровая часть Аналоговая часть П Первичный измерительный преобразователь (датчик) Программное обеспечение А Усили тель Ц Микропроцессор П Выходы Видео Дисплей Радио Принтер ИК
Первичные преобразователи медико-биологической информации (датчики)
П Первичный измерительный преобразователь (датчик) Тема сегодняшней лекции Усили тель Измерительная схема Канал связи Регистрирующий прибор
Первичный преобразователь Х Измерительный преобразователь (ИП) Y Это преобразователь неэлектрической (входной) в электрическую (выходную) величину Особенности датчиков: • Находятся в начале измерительного тракта, • Как правило инерционны, • Часто имеют низкую чувствительность, • Часто имеют высокое выходное сопротивление.
Датчики Генераторные (активные) В генераторных датчиках энергия измеряемой величины непосредственно преобразуется в электрическую энергию, т. е. под воздействием измеряемой величины датчики вырабатывают (генерируют) электрический сигнал, обычно в виде ЭДС. Они не требуют источника питания. Параметрические (пассивные) Параметрические датчики под воздействием входной величины изменяют какой – либо из своих параметров: сопротивление, емкость, индуктивность и др. Параметрические датчики включают в измерительную цепь, обязательно содержащую источник питания
Характеристики датчиков. • 1. Функция преобразования. • Y Y X Это зависимость выходной величины «Y» от входной «X» . Описывается аналитически, выражением у = f(x) или графически. • Получение функциональной зависимости называют калибровкой датчика. Калибровку производят X экспериментальным путем. • Удобнее всего работать с датчиком, имеющим характеристику преобразования типа у = кх (т. е. линейную зависимость).
Характеристики датчиков. • 2. Чувствительность S. • В общем случае чувствительность: Y Y X X Y 2 1 • для нелинейных характеристик датчиков есть величина переменная. • Для датчиков с линейной зависимостью чувствительность вычисляется проще: • и является величиной постоянной (угол = Const). • Например у датчика 2 чувствительность выше, чем у 1 X
Характеристики датчиков. 3. Порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить с помощью датчика. 4. Динамический диапазон значений входной величины, измерение которых происходит без заметных искажений (этот диапазон соответствует линейному участку функциональной зависимости у = f(х)). 5. Время реакции – минимальный промежуток времени, в течение которого происходит изменение выходной величины в ответ на изменение входной. 6. Частотная характеристика – у = f( ) при неизменной амплитуде входного сигнала.
Требования, предъявляемые к датчикам - метрологические • чувствительность, совместимая с объектом измерения; • достаточная точность измерения входной величины; - эксплуатационно-конструктивные • максимальная помехозащищенность; • отсутствие побочного (раздражающего или другого) действия на организм; • удобство размещения в необходимом для измерения месте; • надежность – возможность стерилизации (без изменения характеристик) и многократного использования
Рассмотрим принципы действия популярных датчиков, применяемых для получения информации о функционировании различных физиологических систем.
Датчики температуры • 1. Термоэлектрический датчик (термопара). • Термоэлектрический датчик относится к генераторным. В основе его работы лежит явление термоэлектричества, суть которого заключается в следующем. При плотном контакте двух разнородных металлических проводников происходит диффузия свободных электронов из одного металла в другой. Ее причина – различная концентрация свободных электронов и разница сил, связывающих их с кристаллической решеткой. • Эта диффузия приводит к тому, что один проводник заряжается положительно, другой – отрицательно, т. е. возникает контактная разность потенциалов на границе двух разных проводников. • Эта разность потенциалов зависит от температуры на концах проводников
1. Термоэлектрический датчик (термопара). Г t 2 - 2 3 + 1 t 1 • 1 – горячий спай • 2 и 3 - холодные спаи соединения термоэлектродов с проводами. • При нагревании места контакта с объектом 1 скорость диффузии увеличивается, в горячем спае разность потенциалов становится больше, чем в холодном. • В цепи возникает термоэлектродвижущая сила, равная разности потенциалов в холодном и горячем спаях и, следовательно, появляется термоток. Величина термо. ЭДС и термотока тем больше, чем больше разница температур спаев. • В эксперименте или при диагностическом исследовании температура холодного спая постоянна, и величина термо. ЭДС является функцией температуры только горячего спая.
1. Термоэлектрический датчик (продолжение) • Чувствительность термопары S = / T (мкв/К) сильно различается для разных пар проводников, т. к. она зависит от кристаллического строения веществ. • В медицинской практике нашли применение платина-платинародиевые термопары. Достоинства термопар: Недостатки термопар: Стабильность параметров Низкая чувствительность Миниатюрность Требуется термостабилизация холодных спаев Малая постоянная времени Простота изготовления Дешевизна Неудобный динамический диапазон
1. Термоэлектрический датчик (продолжение) Материал термопары Верхний предел °С Чувствительнос ЭДС, м. В ть, м. В/°С Платинородий – платина ТПП 1300 0, 01 16, 72 Хромель - алюмель ТХА 1000 0, 04 52, 41 Хромель — копель. ТХК 600 0, 08 66, 4 Спецсплав ТМС 1000 0, 02 13, 39 Медь - константан 400 0, 02 20 Вольфрам - рений ТВР 2200 0, 01 31, 45 Вольфрам - молибден ТАМ 1800 0, 03 20
2. Параметрические датчики температуры (терморезисторы). • К ним относятся проволочные и полупроводниковые терморезисторы. • Сопротивление проволочных терморезисторов увеличивается с повышением температуры, т. к. при этом усиливается тепловое колебательное движение ионов металла в узлах кристаллической решетки, затрудняя тем самым упорядоченное движение свободных электронов, концентрация которых практически не меняется при изменении температуры. • Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (их часто называют термисторы), - уменьшается вследствие увеличения концентрации носителей зарядов.
2. Параметрические датчики температуры (продолжение). • Зависимость сопротивления R от температуры (для металлов) имеет вид: Металл • R = R 0(1+ T ), где R 0 – начальное сопротивление, • - температурный Полупроводник коэффициент сопротивления (Т. К. С. ), T • Т – абсолютная температура. • Т. К. С. численно равен относительному измерению • У металлов Т. К. С. сопротивления принимает положительные нагревании проводника на 1 значения ( 0), градус. • у полупроводников – отрицательные ( ).
2. Параметрические датчики температуры (продолжение). 3 -4 мм 1 -1, 5 мм 5 -6 мм Проволочный терморезистор Недостатки: Инерционность Плохой динамический диапазон термистор Недостатки: Нестабильность Нелинейность хар-ки Преимущества: Низкая чувствительность Высокая чувствительность Преимущества: Удобный динамический диапазон Линейность хар-ки миниатюрность
Датчики механических параметров (деформаций, скорости). • Функционирование организма оценивают с помощью таких характеристик, как пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, импеданс тканей, различные показатели циркуляции крови и др. • Используемые для оценки многих из этих показателей датчики фактически являются датчиками механических перемещений, скорости, различных параметров колебаний.
3. Пьезоэлектрический датчик. • Принцип его действия основан на явлении прямого пьезоэффекта – поляризации некоторых кристаллических диэлектриков при их механической деформации. • К пьезоэлектрикам относятся кристаллы турмалина, кварца, сегнетовой соли и др. • При механической деформации кристалла происходит смещение ионов (атомов или молекул), создающих его пространственную решетку. • В результате положительные ионы оказываются сдвинутыми в одну сторону, а отрицательные – в другую, что приводит к нарушению симметрии кристаллической структуры и возникновению электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях определенным образом вырезанной пластины пьезоэлектрика.
3. Пьезоэлектрический датчик (продолжение) • . Связанные заряды разных знаков, создают электрическое поле и разность потенциалов между гранями. • Т. о. , пьезодатчик преобразует механическую энергию (деформацию) - в электрическую (ЭДС). • Заряды существуют, пока сохраняется деформация и исчезают, когда она прекращается. При переходе от растяжения к сжатию и обратно меняется знак возникающей разности потенциалов. • Пьезокристалл – датчик какого типа?
3. Пьезоэлектрический датчик (продолжение) Продольный пьезоэффект
3. Пьезоэлектрический датчик (продолжение) Поперечный пьезоэффект
3. Пьезоэлектрический датчик (продолжение) • Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем К – коэффициентом пропорциональности между величиной возникающего заряда и приложенной силой F: q = КF. • Размеры пьезодатчика невелики – несколько линейных миллиметров. Его прикрепляют к стенке артерии и измеряют напряжение, частота изменений которого равна частоте пульса. • Пьезодатчики широко применяются в приборах для ультразвуковой диагностики сердечно-сосудистой системы, работающих как в режиме эхолокации (определение линейных размеров), так и в режиме доплеровского сканирования (определение скорости кровотока, пульсовой волны , А. Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика. -1999, стр. 123). • Как на счет преимуществ и недостатков?
4. Тензометрические датчики В основе работы тензодатчиков лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Применяются для прямого измерения внутрисосудистого давления крови и давления в полости сердца.
4. Тензометрические датчики (продолжение) Проволочные тензорезисторы представляют собой зигзагообразную обмотку 1 из нескольких петель металлической проволоки (константан, нихром, манганин и др. ) диаметром 15 -30 мкм, наклеенных на тонкую бумажную или пленочную основу 2. Сверху обмотку закрывают такой же основой. К концам проволоки присоединяются выводные проводники. Основа наклеивается на поверхность исследуемого объекта и деформируется вместе с проволочной обмоткой под действием давления Р.
4. Тензометрические датчики (продолжение) Как известно, сопротивление проводника -удельное сопротивление материала проволоки, l-длина, sплощадь поперечного сечения проволоки. При деформации изменяются длина и сечение проволоки, а, следовательно, и ее сопротивление. Таким образом, входной величиной тензодатчика является величина деформации датчика (L), а выходной – изменение его сопротивления (R). , где
4. Тензометрические датчики (продолжение) • Полупроводниковый тензорезистор представляет собой пластину из полупроводника (кремний, германий, и т. д. ), к которой припаяны выводы. • При деформации пластины изменение ее сопротивления достигает 50% его номинальной величины. Полупроводниковые тензорезисторы, таким образом, более чувствительны, чем проволочные при меньших размерах. 5 -6 мм • Поэтому именно они чаще всего используются для измерения внутрисосудистого давления. Измерения проводятся с помощью тонкого эластичного катетера, на конце которого укреплен тензодатчик, а внутри проходят отводящие проводники.
4. Тензометрические датчики (продолжение) Проводящая резиновая лента м. А • Своеобразные тензодатчики используются при регистрации пневмограммы, характеризующей изменение размеров грудной клетки и частоту дыхания. • В этом случае датчик выполнен в виде жилета, изготовленного из элластичной ткани. • Чувствительный элемент образован двумя проводящими резиновыми лентами с угольно – графитовым наполнением, сопротивление которых изменяется при деформации
5. Датчики Холла (скорости потока) Принцип действия этих датчиков основан на эффекте Холла, который заключается в том, что на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям, действует сила (сила Лоренца), пропорциональная величине зарядов q, вектору магнитной индукции B и, главное, скорости зарядов v: F=qv. B
5. Датчики Холла (продолжение) Действие этой силы приводит к тому, что свободные (слабо связанные) заряды начинают перемещаться в направлении перпендикулярном вектору скорости к боковым сторонам канала, по которому движутся. Т. к. положительные и отрицательные заряды перемещаются в разные стороны, на противоположных сторонах канала образуется разность потенциалов пропорциональная скорости движения зарядов (если q и В – постоянны). Все биологические жидкости – слабые электролиты, поэтому датчики Холла реально применяются для измерения скорости потока таких жидкостей и в первую очередь крови.
6. Датчики электромагнитных излучений Для диагностики заболеваний врачи используют различного вида излучения, охватывающие практически весь диапазон электромагнитных волн от инфракрасного до -излучения. Не смотря на то, что фиксируются волны с колоссальным диапазоном частот перекрывающий величину 1020 гц. , датчиков, предназначенных для регистрации их не так и много: Вид излучения Частотный диапазон гц. ИК 1011 - 1014 Термопары, фотоэлементы ИКдиапазона ВС - УФ 1014 - 1016 фотоэлементы 1016 - 1021 фоторезисторы +сцинтилляционный эффект, полупроводниковые датчики, счетчики Гейгера-Мюллера Рентгеновское и -излуч. Тип датчика
6. Датчики электромагнитных излучений (продолжение) • Подробнее о датчиках ионизирующих излучений - А. Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика. -1999, стр. 587. • Из приведенной выше таблицы видно, что основным типом датчиков излучений, является фотоэлементы, рассчитанные на разные диапазоны длин волн. • Различают: фототранзисторы, фотодиоды, фоторезисторы. Наиболее популярны последние. • Принцип работы фоторезисторов основан на явлении внутреннего фотоэффекта, характерного для полупроводников. Получая энергию света (или квантов другого частотного диапазона), электроны внутри полупроводника переходят из валентной зоны в зону проводимости (т. е. из связанного состояния в свободное) без выхода наружу. На месте освободившегося электрона образуется «дырка» . Таким образом, под действием света увеличивается концентрация свободных электронов и дырок, что приводит к росту электропроводности полупроводника и уменьшению его сопротивления. • При включении фоторезистора в цепь источника постоянного питания, в нем возникает фототок, величина которого зависит от освещенности.
6. Датчики электромагнитных излучений (продолжение) Биологическая ткань Простейший фоторезистор представляет собой тонкий слой полупроводника 1 с металлическими электродами 2, нанесенный на подложку 3. Фо = Фп + Ф пр Фо - падающий на ткань поток излучения Фп - поглощенный поток Фпр - прошедший через ткань поток.
6. Датчики электромагнитных излучений (продолжение) Сцинтилляционный датчик ткань или Х-ray ВС Сцинтиллирующий (люминесцирующий) кристалл фотоэлемент С помощью кристалла, обладающего явлением рентгенолюминесценции (сцинтилляционный эфф. ) удается преобразовать рентгеновское или излучение – в видимое (ВС). -
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ
Скачать презентацию ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
diagnosticheskaya_app2.ppt