Источники погрешностей при регистрации медицинских показателей

Актуальность проблемы электробезопасности физиотерапевтической аппаратуры вызвана наличием у такой аппаратуры рабочей части для воздействия на пациента электрической энергией в различных ее формах.
Применение  электрической энергии для лечебных целей всегда связано с возможностью ошибочной дозировки, неправильной последовательностью включения  аппарата и другими ошибками медицинского персонала. Всю ответственность  за выполнение правил эксплуатации несет медицинский персонал, однако предусмотренные в аппаратуре рациональная схема и конструкция, а также применение средств автоматики должны свести эти опасности к минимуму.
Опасность поражения электрическим током возникает при прикосновении к частям аппарата, находящимся под напряжением. Поэтому главная мера защиты заключается в предотвращении возможности случайного прикосновения к токоведущим частям. Понятие случайное прикосновение означает возможность касания частей изделия, доступ к которым становится возможным без использования инструмента (отвертки, гаечного ключа и т.п.) для демонтажа корпуса аппарата, открытия крышек и люков.

Электробезопасность и надежность медицинской аппаратуры.

Одним из важных вопросов, связанных сиспользованием электронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопасность как для пациентов, так и для медицинского персонала.
Больной вследствие различных причин (ослабленность организма, действие наркоза, отсутствие сознание, наличие электродов на теле, т.е. прямое включение пациента в электрическую цепь, и др.) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. Медицинский персонал, работающий с медицинской электронной аппаратурой, также находится в условиях риска поражения электрическим током.
Электробезопасность медицинской аппаратуры – комплексная система мероприятий, осуществляемых при разработке, промышленном выпуске и эксплуатации медицинской аппаратуры и направленных на обеспечение полной электробезопасности для обслуживающего персонала и пациентов. Необходимость их обусловлена возможностью поражающего действия электрического тока, используемого в физиотерапевтических аппаратах либо для лечебного воздействия, либо для обеспечение их энергией.
Обеспечение электробезопасности включает три основные группы мероприятий: защита от прикосновения к находящимся под напряжением частям, защита от напряжения прикосновения, защита пациента.
Основное и главное требование – сделать недоступным случайное касание частей аппаратуры, находящихся под напряжением. Для этого, прежде всего, изолируют части приборов и аппаратов, находящихся под напряжением, друг от друга и от корпуса аппаратуры. Изоляция, выполняющая такую роль, называется основной или рабочей. Отверстия в корпусе должны исключать возможность случайного проникновения и касания внутренних частей аппаратуры пальцами, металлическими цепочками украшений и т.п. Однако даже если части аппаратуры, находящиеся под напряжением, и закрыты от прикосновения, это еще не обеспечивает полной безопасности по крайне мере по двум причинам.
Во-первых, какой бы не была изоляция между внутренними частями аппаратуры и ее корпусом, сопротивление приборов и аппаратов переменному току не бесконечно. Не бесконечнои сопротивление между проводами электросети и землей. Поэтому при касании человеком корпуса аппаратуры через тело человека пройдет некоторый ток, называемый током утечки.
Во-вторых, не исключено, что благодаря порче рабочей изоляции (старение, влажность окружающего воздуха) возникает электрическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом – «пробой на корпус», и внешняя, доступная для касания часть аппаратуры (корпус) окажется под напряжением.
И в одном и в другом случае должны быть приняты меры, которые исключали бы поражение током лиц при касании корпуса прибора или аппарата. Так как сила тока утечки существенно влияет на безопасность эксплуатации медицинской аппаратуры, то при конструировании и изготовлении этих изделий учитывают допустимую силу этого тока как при нормальной работе приборов и аппаратов, так и в случае единичного нарушения. Под единичным нарушением понимают отказ одного из средств защиты от поражения электрическим током. По условиям электробезопасности единичное нарушение не должно создавать непосредственной опасности для человека. Допустимые силы токов утечки различают по типам электромедицинских изделий в зависимости от их назначения и степени защиты от поражения током. Во всяком случае ток утечки всегда меньше порога ощутимого тока.
При пробое на корпус доступные (внешние) для касания части аппаратуры оказываются под напряжением. И в этом случае при нарушенных условиях работы изделий предусмотреть возможные способы защиты от поражения электрическим током. К таким основным защитным мерам относятся заземление и зануление. Для понимания физической стороны этих мер нужно знать, как электромедицинская аппаратура подключается к трехфазной системе. Защитные заземления или зануления должны обеспечивать в установках с изолированной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через тело человека при замыкании цепи на заземленные части аппаратуры, в установках с заземленной нейтралью – автоматическое отключение от аппаратуры от электрической сети.Для защиты от напряжения прикосновения применяют различные способы. В зависимости от способа защиты физиотерапевтические аппараты, как и все электромедицинские аппараты с внешним питанием, делятся на 4 класса. Классы 0 и I предусматривают защитное заземление или зануление, класс II – защитную изоляцию, класс III – питание от цепи низкого напряжения (ниже 24 В). Класс 0, при котором нет каких-либо дополнительных мер защиты от напряжения прикосновения, кроме основной изоляции, в изделиях медицинской техники недопустим.
Защита пациента в физиотерапевтических аппаратах обеспечивается: выполнением корпусов аппаратов из изолирующего материала; использованием в них различных элементов сигнализации; введением в аппараты автоматических процедурных часов, применением средств контроля за контактом электродов и другое.
В зависимости от степени защиты от поражения электрическим током изделия медицинской техники, включая и физиотерапевтические аппараты, подразделяются на следующие типы: H – с нормальной степенью защиты (например, стерилизаторы, лабораторное оборудование), не находящееся в пределах досягаемости пациента, В – с повышенной степенью защиты (электрокардиограф, ультразвуковые аппараты и др.); BF – с повышенной степенью защиты и изолированной рабочей частью (низкочастотная электролечебная аппаратура, стимуляторы и др.); CF – с наивысшей степенью защиты и изолированной рабочей частью (электрокардиостимуляторы). Конечно различные виды электромедицинской аппаратуры отличаются особенностями обеспечения электробезопасности. Поэтому при эксплуатации приборов и аппаратов необходимо строго руководствоваться правилами (инструкциями), изложенными в документации, прилагаемой к изделиям заводом-изготовителем.
Выше были рассмотрены лишь основные вопросы электробезопасности при работе с электромедицинской аппаратурой. Так как трудно дать электротехническое описание различных ситуаций, способных полечь несчастный случай, то ограничимся в заключение лишь некоторыми общими указаниями:* Не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;
* Не работайте на влажном, сыром полу, на земле;
* Не касайтесь труб (газ, вода, отопление), металлических конструкций при работе с электроаппаратурой;
* Не касайтесь одновременно металлических частей двух аппаратов (приборов).
При проведении процедур с использованием электродов, наложенных на пациента, трудно предусмотреть множество вариантов создания электробезопасной ситуации (касание больным отопительных батарей, газовых и водопроводных труб и кранов, замыкание через корпус соседней аппаратуры и т.п.), поэтому необходимо четко следовать инструкции по проведению данной процедуры. Не делая каких-либо отступлений от нее.
Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Это требование, однако, не всегда выполняется, говоря точнее, такое требование не может выполняться сколь угодно долго, если не принимать специальных мер.
Врач, использующий медицинскую аппаратуру, должен иметь представление о вероятности отказа эксплуатируемого изделия, т.е. о вероятности порчи прибора или его частей, превышение или понижения допустимых параметров. Устройство, не отвечающее техническим условиям, становится неработоспособным. Отремонтировав его можно сделать вновь работоспособным. Во многих случаях достаточно заменить лампу или резистор, чтобы изделие вновь функционировало нормально, однако может быть и так, что аппаратура оказывается настолько устаревшей и изношенной, что экономически нецелесообразно ее ремонтировать (восстанавливать). В связи с этим медицинский персонал должен иметь представление о ремонтопригодности аппаратуры и долговечности ее частей.
Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином надежность.
Для медицинской аппаратуры проблема надежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только кэкономическим потерям, но и к гибели пациентов.
Способность аппаратуры к безотказной работе зависит от многих причин, учесть действие которых практически невозможно, поэтому количественная оценка надежности имеет вероятный характер. Так, например, важным параметром является вероятность безотказной работы. Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени. Другим количественным показателем надежности является интенсивность отказов.
В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на 4 класса:
1) Изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,99 в течение наработки между планово-предупредительными техническими обслуживаниями, а для изделий, не подлежащих техническим обслуживаниям – 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.;
2) 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 изделий этого класса должна быть не менее 0,8. К таким изделиям относятся системы, следящие за больными, аппараты для стимуляции сердечной деятельности и др.;
3) 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. К этому классу относится большая часть диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др.;
4) Изделия, несодержащие отказоспособных частей. Электромедицинская аппаратура к этому классу не относится.
Медикам интересно знать, что понятие надежности можно с некоторой долей условности применять и к человеческому организму, рассматривая болезнь как утрату работоспособности. Лечение – как ремонт, а профилактику – как мероприятия, способствующие повышению надежности. Однако организм – сложная система, и «технический» подход возможен лишь отчасти, с учетом обратных связей и процессов регулирования.

Электроды.

Электроды – это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.
При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии. В медицине электроды используются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.
К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т.п.
Важнейшим общим требованием, предъявляемым к различным электродам, является требование минимума потерь полезного сигнала, особенно на переходном сопротивлении электрод – кожа, которое нужно стремиться сделать наименьшим. Величина переходного сопротивления зависит от типа металла, из которого изготовлен электрод, свойств кожи, площади ее соприкосновения с электродом и от проводимости проводящей среды между ними. Переходное сопротивление уменьшается также с увеличением площади контакта электрод – кожа. Переходное сопротивление между чистой сухой кожей и электродом измеряется сотнями килом. Для его уменьшения между кожей и электродом обычно прокладывается марлевая салфетка, смоченная физиологическим раствором. При этом переходное сопротивление снижается до десятков килом. В последнее время чаще применяют специальные проводящие электродные пасты, которые даютлучший результат, чем простые электролиты. Существуют множество типов металлических электродов. В качестве материала для их изготовления применяются золото, платина, серебро, палладий, нержавеющая сталь, сплавы с иридием и др. металлы и химические соединения. Причем, вопрос о влиянии металла и способа обработки на характер получаемых результатов до сих пор остается.
При пользовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них – возникновение гальванической ЭДС 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 ЭДС.
В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. ЭДС может появляться как на сигнальных, так и «земляном» электродах, приводя к возникновению мешающего сигнала.
Физиологические помехи – вид помех, как уже отмечалось, обусловлен многосвязностью организма, в результате чего в точках отведения кроме полезного сигнала всегда присутствуют помехи от соседних органов и тканей.
Следует отметить, что большинство рассмотренных помех (включая такие физиологические помехи, как кожные потенциалы) относятся к синфазным сигналам, т.е. сигналам, являющимся по отношению к симметричной линии связи (в данном случае по отношению ко входу УБС) идентичными как по амплитуде, так и по фазе. В отличие от такой помехи полезный сигнал является дифференциальным.

Датчики.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы.Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физическойвеличины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:
В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
– аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
– цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
– бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: “включено/выключено” (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.
В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал. Использование электрических сигналов предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать нарасстояние и регистрировать.
Требования, предъявляемые к датчикам:
– однозначная зависимость выходной величины от входной;
– стабильность характеристик во времени;
– высокая чувствительность;
– малые размеры и масса;
– отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;
– работа при различных условиях эксплуатации;
– различные варианты монтажа.
Точность – важная характеристика датчика, оценивается через отклонение результата измерения y от истинного yn значения измеряемого параметра: .
На практике часто используют термин погрешность измерений датчика, понимая под этим величину максимального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков.
По способу выражения погрешности подразделяются на абсолютные, относительные и приведенные.
Абсолютная погрешность датчика: , где yном – номинальное значение измеряемого параметра, y – показание датчика.
Относительная погрешность:
Приведенная погрешность: , где – максимальная абсолютная погрешность, ylim – верхний предел диапазона измерений.
По связи с функцией преобразования погрешности подразделяются на аддитивные и мультипликативные.
Аддитивная (погрешность нуля) – составляющая полной погрешности датчика, не зависящая от измеряемой величины x. Функция преобразования показана на рисунке 2.21 (а).
Мультипликативная (погрешность чувствительности) – составляющая полной погрешности, абсолютная величина которой пропорциональна измеряемой величине x. Функция преобразования показана на рисунке 2.21 (б).

Рис. 2.21. Аддитивная (а) и мультипликативная (б) погрешности датчика

Δ0y – аддитивная погрешность, показывающая величину смещения реальной характеристики относительно номинальной y = fном(x).
Δyi – мультипликативная погрешность пропорциональна текущему значению xi.
По характеру проявления погрешности подразделяются на систематические, случайные и прогрессирующие. На рисунке 2.22 показаны все три погрешности, которые в реальной действительности проявляются совместно.Рис. 2.22. График результатов наблюдений

Систематическая погрешность не изменяется с течением времени и может быть устранена введением поправок на весь срок службы.
Случайная погрешность не может быть предсказана, но легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса результатов.
Прогрессирующая погрешность медленно изменяется в течении времени из-за старения элементов датчика. Они могут быть скорректированы введением поправки в данный момент времени.
По способу оценки погрешности подразделяются на основные и дополнительные.
Основной погрешностью называется составляющая полной погрешности датчика, которая определяется в нормальных условиях его функционирования, которые указаны в технических условиях.
В реальных условиях датчик работает при значительных колебаниях предельных значений факторов окружающей среды (температура, влажность, вибрации, ионизирующая радиация, электромагнитные поля, гравитационные силы). Изменения показаний датчика при отклонении условий эксплуатации от нормальных называются дополнительными погрешностями. В паспорте на датчик могут быть указаны граничные значения влияющих факторов.
Таким образом, при работе с датчиками следует учитывать возможные, специфические для них, погрешности. Причинами погрешностей могут быть следующие факторы: 1) температурная зависимость функции преобразования; 2) гистерезис – запаздывание y от x даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции преобразования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др.

Усилители.

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), засчёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала.
Выходной сигнал любого реального усилителя всегда несколько отличается от усиливаемого оригинала. Связано это с неидеальностью усилителя, и конкретно — с наличием в нем искажений. Все существующие в усилителях искажения усиливаемого сигнала можно разделить на две большие группы — линейные и нелинейные искажения.
1.Частотные искажения. Чем шире диапазон частот колебаний, которые нормально усиливаются усилителем, тем меньше искажения. Идеальный усилитель должен в пределах того диапазона частот, на который он рассчитан, усиливать одинаково. Практически каждый усилитель усиливает различные по частоте колебания неодинаково, вследствие чего нарушается правильное соотношение между звуками различных частот. Неодинаковое воспроизведение колебаний различной частоты называется частотными (или линейными) искажениями.
Показателем частотных искажений служит амплитудно-частотная или частотная характеристика, изображающая зависимость коэффициента усиления k усилителя от частоты сливаемых колебаний f.

Рис.1 – Различные формы частотных характеристик

Для таких характеристик (рис. 1) принято откладывать частоту в логарифмическом масштабе, в котором с увеличением частоты деления становятся меньше. 3 обычном линейном масштабе, когда деления Одинаковы, трудно уложить весь диапазон звуковых частот. По вертикальной оси иногда откладывают не коэффициент усиления k, а его отношение к коэффициенту усиления при средней частоте, в качестве которой берут частоту F = 400 гц (иногда 1000 гц).
На рис. 1а показана частотная характеристика идеального усилителя на диапазон частот 500 – 10 000 гц. Она показывает, что для этих частот коэффициент усиления один и тот же, т. е. частотных искажений нет. Однако построить подобный усилитель трудно. В этом и нет необходимости, так как небольшие изменения силы звука (менее 25%) человек не замечает. Поэтому небольшое отклонение коэффициента усиления от средней величины вполне допустимо.
На рис.1 б дан пример частотнойхарактеристики усилителя, который на частоте 50 гц дает усиление на 20% меньше, чем на средних частотах. Рисунок 1 в дает частотную характеристику с подъемом усиления на нижних частотах: коэффициент усиления «а частоте 50 гц на 40% выше, чем на средней частоте. Снижение или подъем усиления могут быть и на верхних частотах. Если частотные искажения превысят 20—30%, то в воспроизведении чувствуется недостаточная громкость некоторых звуков, или, наоборот, они слышны ненормально громко по сравнению со звуками средней частоты.
Причиной частотных искажений является наличие в усилителях емкостей и индуктивностей, сопротивление которых зависит от частоты. Вследствие этого усилитель на разных частотах работает различно.
Частотные искажения создаются также в громкоговорителе, телефоне, микрофоне, звукоснимателе, причем в них эти искажения бывают значительно больше, чем в усилителе. Поэтому иногда в усилителе полезны такие частотные искажения, которые могут скорректировать частотные искажения, например, в громкоговорителе. Если последний хуже работает на верхних частотах, то желательно в усилителе иметь частотную характеристику с подъемом на этих частотах. Тогда общая частотная характеристика всего устройства станет лучше и воспроизведение звука будет происходить с меньшими искажениями. В некоторых усилителях применяют тонкорректоры и регуляторы тона, позволяющие изменять частотную характеристику так, чтобы компенсировать частотные искажения отдельных частей усилительного устройства.
2. Нелинейные искажения. Если на вход усилителя подано синусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выходе будет не синусоидальным, а более сложным. Оно состоит из ряда простых синусоидальных колебаний — основного и высших гармоник. Таким образом, усилитель добавляет лишние гармоники, которых не было на входе усилителя.

Рис.2 – Нелинейные искажения

На рис.2 показано синусоидальное напряжение на входе усилителя Uвx и искаженное несинусоидальное напряжение на выходе Uвых . В данном случае усилитель вноситвторую гармонику. На графике напряжения Uвых штрихом показаны полезная первая гармоника (основное колебание), имеющая одинаковую частоту со входным напряжением, и вредная вторая гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение является суммой этих двух гармоник.
Искажения формы усиливаемых колебаний, т.е. добавление лишних гармоник к основному колебанию, называют нелинейными искажениями. Они проявляют себя в том, что звук становится хриплым, дребезжащим. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений kH, который показывает, какой процент составляют все лишние гармоники, созданные самим усилителем, по отношению к основному колебанию 1
Если kn меньше 5%, т. е. если добавленные усилителем гармоники в сумме составляют не более 5% первой гармоники, то ухо не замечает искажения. При коэффициенте нелинейных искажений больше 10% хриплость звука и дребезжание уже портят впечатление от художественных передач. При kH более 20% искажения недопустимы и даже речь становится неразборчивой.
Нелинейные искажения возникают и при усилении колебаний сложной формы при передаче речи и музыки. В этом случае также искажается форма усиливаемых колебаний и добавляются лишние гармоники. Сложные колебания сами состоят из гармоник, которые должны быть правильно воспроизведены усилителем. Их не следует путать с добавочными гармониками, которые создает сам усилитель. Гармоники входного напряжения являются полезными, так как они определяют тембр звука, а гармоники, внесенные усилителем,— 1 вредны. Они создают нелинейные искажения.
Причинами нелинейных искажений в усилителях являются: непрямолинейность характеристик ламп и транзисторов, наличие тока управляющей сетки в лампах и магнитное насыщение сердечников трансформаторов или дросселей низкой частоты. Значительные нелинейные искажения создаются также в громкоговорителях, телефонах, микрофонах, звукоснимателях.
3. Другие виды искажений. Наличие в усилительном устройстве реактивных сопротивлений приводитк появлению фазовых искажений. Фазовые сдвиги между различными колебаниями на выходе усилителя получаются не такими, как на входе. При воспроизведении звуков эти искажения не играют роли, так как органы слуха человека не ощущают их, но в ряде случаев, например в телевидении, они оказывают вредное влияние.
Каждый усилитель создает искажения динамического диапазона. Происходит его сжатие, т. е. отношение самого сильного колебания к самому слабому на выходе усилителя получается меньше, чем на входе. Это нарушает естественность звучания. С целью уменьшения таких искажений иногда вводят специальное устройство для расширения динамического диапазона, называемое расширителем (экспандером). Сжатие динамического диапазона происходит также и в электроакустических приборах.

Искажение биосигнала за счет помех.Шумы.

Помехой называется стороннее возмущение, действующее в системе передачи и препятствующее правильному приёму сигналов.
Источники помех могут находиться как вне, так и внутри самой системы передачи.
Если помеха регулярна и известна, то борьба с ней не представляет затруднений. Например, фон переменного тока может быть устранён компенсацией; помеха от определенной радиостанции с модуляционным спектром нормальной ширины устраняется соответствующим фильтром. Борьба же со случайными помехами представляет наибольшее затруднение.
С физической точки зрения случайные помехи порождаются различного рода флуктуациями. Флуктуациями в физике называют случайные отклонения тех или иных физических величин от их средних значений. Так, источником шума в электрических цепях постоянного тока могут являться флуктуации тока около среднего значения, обусловленные дискретной природой носителей заряда (ионов и электронов). Это явление носит название дробового эффекта.
Наиболее универсальной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Эта разностьпотенциалов флуктуирует около среднего значения, равного нулю; её средний квадрат пропорционален абсолютной температуре. Возникающая помеха называется тепловым шумом.
Из сказанного видно, что флуктуации и обусловленные ими помехи заложены глубоко в природе вещей.
Флуктуации есть результат дискретного строения вещества и статистической природы ряда физических величин. Многие физические величины представляют результат усреднения по большому числу индивидуальных частиц, поведение и действие которых подчиняется законам случая. Поэтому флуктуации этих физических величин принципиально неустранимы, и можно лишь ставить вопрос о том, какова относительная величина флуктуации и каким образом мы можем на неё повлиять находящимися в нашем распоряжении средствами.
Имеется ещё один источник принципиально неустранимого шума, возникающего из-за дискретной природы электромагнитного излучения. Согласно современным воззрениям излучение совершается дискретными порциями — квантами, энергия которых равна , где  — постоянная Планка,  — частота. Квант электромагнитного излучения называется фотоном. В настоящее время в технике имеются две ясные тенденции: к увеличению расстояний и к повышению частоты. Увеличение расстояний означает уменьшение потока энергии, а повышение частоты — укрупнение фотонов. Таким образом, при определённых условиях не только начинает ощущаться дискретная фотонная структура излучения, но обусловленный этой причиной шум может превзойти все остальные помехи. Канал, работающий при таких условиях, получил название фотонного канала.
Выше перечисленные шумы являются аддитивными, но имеется обширный класс мультипликативных помех.
Природа этих помех состоит в случайном изменении параметров канала передачи. При передаче сигнал подвергается искажениям вследствие того, что коэффициент передачи канала не является постоянным числом; свойства канала описываются частотными или временны́ми характеристиками, определяющими так называемые линейные искажения. Кроме того, канал можетвносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных звеньев канала.
Как линейные, так и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала, а потому, по крайней мере в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции. Поэтому искажения следует чётко отделить от действия помехи случайного характера, которая заранее не может быть известна.
Если же коэффициент передачи канала претерпевает случайные изменения, то влияние этих изменений следует уже рассматривать как действие случайной помехи, которая и является мультипликативной помехой.
Примером медленной мультипликативной помехи является изменение силы принимаемого сигнала, обусловленное интерференцией при многолучевом распространении (замирание). Быстрая мультипликативная помеха возникает при использовании шума в качестве переносчика.[1]
Помеха представляется случайной функцией времени. Случайную функцию дискретного времени называют случайной последовательностью, случайную функцию непрерывного времени — случайным процессом. Случайные функции характеризуются своими распределениями. Применяются также числовые характеристики в виде моментов распределения. Обычно рассматриваются стационарные случайные процессы.
Многие случайные процессы, встречающиеся в практике, обладают свойством эргодичности. Это свойство состоит в том, что средние по множеству (то есть математические ожидания, вычисляемые по распределениям) с вероятностью единица совпадают со средними по времени, найденными по одной реализации процесса.
Некоторые виды шумов
Гауссов шум.
Среди всех случайных процессов особое место занимает процесс с нормальным распределением (гауссов процесс). Дело в том, что большое число действительных случайных процессов является гауссовыми. Это обстоятельство находит себе объяснение в известной теореме Ляпунова, согласно которой распределение суммы независимых случайных величин (при некоторых достаточно широких условиях) сходится к нормальному, вне зависимости от характера распределенияслагаемых.
Гауссов шум, или гауссов случайный процесс, возникает при суммировании статистически независимых белых шумов (см. ниже). Он преобладает в практических задачах. Случайный процесс  называется гауссовым, если для любого набора фиксированных моментов времени  случайные величины  подчиняются нормальному распределению. Плотность вероятностей мгновенных значений  гауссова процесса определяется выражением:

где  — среднее значение;
— стандартное (среднеквадратичное) отклонение.
Среднее значение для гауссова распределения равно математическому ожиданию:

Стандартное (среднеквадратичное) отклонение:

Рисунок 1 — Зависимость формы распределения Гаусса от среднеквадратичного отклонения.

Следовательно, плотность вероятностей гауссова процесса полностью характеризуется спектральной плотностью, по которой можно определить значение дисперсии процесса. На рисунке 1 показана зависимость формы распределения Гаусса от среднеквадратичного отклонения.
Белый шум.
Помеху, представляющую собой случайный процесс с равномерным спектром, то есть

называют белым шумом. Мощность белого шума в полосе  равна

По-другому, белый шум (рисунок 2) можно определить как стационарный случайный процесс  с постоянной спектральной плотностью , равной дисперсии значений  — все спектральные составляющие белого шума имеют одинаковую энергию (отсюда аналогия с белым цветом, который содержит все цвета видимого спектра).
Как уже было сказано выше, по своему физическому смыслу спектральная плотность — это мощность процесса, которая приходится на 1 Гц полосы частот. Но тогда идеального белого шума на практике не может существовать, так как для него должно было бы выполняться условие:

где  — дельта-функция Дирака. Таким образом, мощность белого шума равна бесконечности, а значения шума не коррелированны для любых , так как корреляционная функция представляет собой дельта-импульс. Тем не менее, многие помехи в радиотехнике, в технике связи и в других отраслях рассматривают как белый шум,если выполняется следующее соотношение между шириной спектров полезных сигналов  и шумов

и спектральная плотность шумов слабо изменяется в интервале спектра сигнала.

Рисунок 2 — Выборка белого шума.

Примером белого шума может служить тепловой шум. Согласно формуле Найквиста мощность теплового шума, приходящаяся на полосу длиною , равна:

где  — постоянная Больцмана,  — абсолютная температура. Таким образом, .
Периодический случайный шум представляет собой результат суммирования синусоид с одинаковыми амплитудами и случайными фазами. Шум содержит все частоты, которые могут быть представлены целым числом периодов на определённом числе выборок.
Распределение периодического шума при большом количестве выборок стремиться к гауссову шуму.
Часто периодический шум рассматривают как выборку гауссова шума, ограниченную по величине следующими значениями:

где  — заданная амплитуда спектра;
— выборка.

Рисунок 3 — Частотная характеристика периодического случайного шума.

Таким образом, периодический случайный шум имеет импульсный характер, а следовательно дискретную частотную характеристику (рисунок 3).
Типичные пути проникновения шумов.
Из рисунка 4 видно, что проблема шумоподавления возникает при наличии трёх необходимых элементов: во-первых, должен быть источник шумов; во-вторых, должна быть схема-приёмник, чувствительная к шумам; в-третьих, необходимо наличие канала связи для передачи шумов от источника к приемнику.

Рисунок 4 — Принципиальная схема системы с шумами.

При анализе проблемы шумов, прежде всего, следует определить, что является источником шумов, что служит их приёмником и каким образом источник и приёмник связаны друг с другом. Отсюда вытекает, что возможны три способа устранения прохождения шумов:подавление шумов в источнике; создание приёмника, нечувствительного к шумам; минимизация передачи шумов через канал связи.
В некоторых случаях необходимо применять два или даже все три указанных способа подавления шумов.
Шумы, наводимые напровода.
Одним из наиболее очевидных, но часто упускаемых из виду путей проникновения шумов в схему являются провода. Проходя через «зашумленное» пространство, проводник получает шумовые наводки, а затем передаёт их другой схеме. Это вызывает помехи. Решение состоит в защите проводника от шумов или в обеспечении развязки, благодаря которой шумы отводятся с проводника прежде, чем попадут в чувствительную схему.
Основным примером такого вида связи являются шумы, проникающие в схему по проводам сети. В случае, если разработчик не имеет возможности контролировать сеть или если к сети подключают и другую аппаратуру, возникает необходимость в развязке проводов сети по шумам до их подсоединения к схеме.

Заключение

Физиотерапевтические методы получили широкое применение при лечении многочисленных заболеваний. Особенностью изиотерапии является применение большой номенклатуры достаточно сложных изиотерапевтических аппаратов, предусматривающих воздействие на пациента различных видов энергии, преобразуемой с использованием большого числа физических и изико-химических явлений и процессов.
Воздействие изических акторов, действующих на пациента и медицинский персонал, в виде выходных характеристик физиотерапевтических аппаратов, обычно нормируются в медицинских методиках (руководящих документах) заданием значения изической величины, параметра, мощности, интенсивности (удельной мощности) воздействия и дозы (количество поглощенной энергии).
Несоблюдение норм воздействия приводит к уменьшению изиотерапевтического эффекта и может оказаться вредным и даже опасным.
Кроме того, при использовании некоторых изических акторов возникают побочные явления, оказывающие вредные воздействия на пациентов (в меньшей степени) и на медицинский персонал (в большей степени). Предельно допустимые уровни (ПДУ) этих воздействий нормируются санитарными правилами и нормами (СанПиН) и гигиеническими нормативами (ГН).

Список использованной литературы.

1) Медицинская и биологическая физика: Учеб. длявузов/ А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. 2004 г.
2) А.Н. Ремизов Медицинская и биологическая физика, 1999,2003г.
3) У.А. Байзаков Медицинская техника, Алматы, 2005 г.
4)  Харкевич, А. А. Борьба с помехами. — 2-е изд., доп. и перераб. — М.: Наука, 1965. — 276 с
5) http://ru.wikibooks.org/wiki/ Понятие о помехах и методы борьбы с ними
6) http://referat.yabotanik.ru/medicina/medicinskaya-apparatura
7) http://stud24.ru/phisics/istochniki-pogreshnostej

Тесты
1) Комплексная система мероприятий, осуществляемых при разработке, промышленном выпуске и эксплуатации медицинской аппаратуры и направленных на обеспечение полной электробезопасности для обслуживающего персонала и пациентов это…
А. Электробезопасность медицинской аппаратуры
Б. Надежность медицинской литературы
В. Требование минимума потерь полезного сигнала
Г. Помеха
Д. амплитудная характеристика
2) Изделия медицинской техники с наивысшей степенью защиты и изолированной рабочей частью (электрокардиостимуляторы) обозначаются как…
А. Н
Б. B
В. CF
Г. BF
Д. CB
3) В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на..
А. 2 класса
Б.4 класса
В. 3 класса
Г. 5 классов
Д. по этому параметру не подразделяется
4) Проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой – это…
А.Электроды
Б.Датчики
В. Усилители
Г. Диоды
Д. Генераторы
5) Важнейшее общее требование, предъявляемое к различным электродам?
А. Должны быстро фиксироваться и сниматься
Б. Должны иметь высокую стабильность электрических параметров
В. Должны быть прочными
Г. Должны не создавать помех, не раздражать биологическую ткань
Д. Требование минимума потерь полезного сигнала
6) Вид помех обусловленный многосвязностью организма, в результате чего в точках отведения кроме полезного сигнала всегда присутствуют помехи от соседних органов и тканей – это…
А. Физические помехи
Б. Электрические помехи
В. Физиологическиепомехи
Г. Импульсные помехи
Д. Синусоидальные помехи
7)  Точность – важная характеристика датчика, оценивается через отклонение результата измеряемого параметра:
А.
Б.
В.
Г. Z= – B/T2
Д.
8) По связи с функцией преобразования погрешности датчиков подразделяются на…
А. систематические, случайные и прогрессирующие
Б. основные и дополнительные
В. аддитивные и мультипликативные
Г. аддитивные и основные
Д. систематические и основные
9) Погрешность, которая не может быть предсказана, но легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса результатов – это…
А. мультипликативная
Б. основная
В. систематическая
Г. прогрессирующая
Д. случайная
10) Элемент системы управления, предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма  за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала – это…
А.Усилитель
Б. Генератор
В. Датчик
Г. Электрод
Д. Диод
11) Коэффициент усиления усилителя равен:
А. dUвых/dUвх
Б.dUвх/dUвых
В.Uвх-Uвых
Г. Uвх+Uвых
Д. Uвх*Uвых
12) Зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты усиливаемых колебаний называется:
А. частотной характеристикой
Б. амплитудной характеристикой
В. сеточной характеристикой
Г. анодно-сеточной характеристикой
Д. анодной характеристикой
13) Причиной частотных искажений является наличие в усилителях…
А. ламп и транзисторов
Б. тока управляющей сетки в лампах
В. емкостей и индуктивностей
Г. трансформаторов
Д. дросселей низкой частоты
14) случайные отклонения тех или иных физических величин от их средних значений в физике называют…
А. искажениями
Б. помехой
В. шумом
Г. флуктуациями
Д. физиологическими помехами
15) Мощность белого шума в полосе  равна…
А.

Б. Z= – B/T2
В.
Г.
Д.