Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией соответствующей информации. Несмотря на разнообразие устройств и методов, употребляемых для этой цели, можно указать их общие схемы и принципы действия. Вопросы, рассматриваемые в главе, частично относятся к кибернетике.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СЪЕМА, ПЕРЕДАЧИ И РЕГИСТРАЦИИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.
Первичный элемент этой совокупности — чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, — непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико- биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений.
Структурная схема измерительной цепи изображена на рисунке
Эта схема является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине дли диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувстви тельный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики. Завершающим элементом измерительной цепи является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал (см. гл. 22) и передающие его на расстояние.
В структурной схеме X означает некоторый измеряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Ү обозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для вычисления должна быть известна зависимость Y—f(X).
КЛАССИФИКАЦИЯ УСТРОЙСТВ СЪЕМА
Устройства съема медицинской информации обеспечивают получение сигналов, связанных с теми или иными явлениями, происходящими в живом организме Устройства съема-переходное звено между исследуемым организмом и последующими устройствами усиления сигналов, пх отображения, регистрации, передачи по каналу связи, обработки и т. д
В дальнейшем в основном будут рассматриваться устройства съема, выходным сигналом которых является электрический сигнал. Можно сказать тогда, что устройство съема есть своего рода переводчик информации с «физиологического языка» организма на «язык электронного устройства без чего невозможны все последующие этапы преобразования исходной информации.
Проблема съема медицинской информации является первой, которая неизбежно возникает при контакте врача и инженера на стыке медицины и техники.Трудно отдать приоритет в ее решении врачу или инженеру. Для успешного конструирования и применения устройств съема необходимы глубокие знания физиологии, анатомии, м едици некой физики, химии, особённостей и дринг ципов работыі различной электронной аппаратуры. Для того чтобы получить достоверный результат при измерении и регистрации, объективно отражающий суть процессов, происходящих в организме, сделать правильный вывод при постановке диагноза, врачу необходимо четко представлять принципы работы и методику применения устройств съема информации, достоинства и недостатки их различных конструкций.
Все медицинские параметры, подлежащие измерению и регистрации, можно разделить на две группы: измеряемые непосредственно; измеряемые опосредованно.
К первой пруппе относятся, например, движения, связанные с сердечными сокращениями, температура тела, биоэлектрические потенциалы. Съем этих величин осуществляется с помощью соответствующих устройств, которые нелосредственно воспринимают от исследуемого организма изменения тех или иных параметров: меха-нического перемещения, температуры, электрического потенциала.
Ко второй группе параметров относятся такие, которые сами по себе не могут быть измерены, либо проведение подобных замеров затруднено, но изменения которых приводят к изменениям других показателей, более удобных для измерения. Иными словами, интересующие врача те или иные стороны жизнедеятельности организма оцениваются косвенным путем измерения некоюрых вспомогательных величин. Так, например, электрическое сопротивление некоторого участка тела может интересовать врача как определенная характеристика кровенаполнения этого участка; изменения степени поглощения света тканями могут быть связаны с изменениями объема органа или части тела. Очевидно, что для параметров, измеряемых опосредованно, требуется обратить особое внимание на установление первоначальных зависимостей между параметрами, интересующими врача, и фактически измеряемыми косвенными показателями.
Независимо от особенностей конкретных технических реализаций к устройствам съема можно предъявить ряд общих требований. Они должны обеспечивать: получение устойчивого информативного сигнала; минимальное искажение полезного сигнала; максимальную помехозащищенность; удобство размещения в необходимом для измерения месте; отсутствие побочного — раздражающего или другого — действия на организм; возможность стерилизации (без изменения характеристик) и многократного использования.
Всю совокупность различных устройств съема меди-цинской информации целесообразно подразделить на две большие группы электроды и датчики (преобразователи) .
Электроды — это проводники специальной формы, с помощью которых часть электрической цепи, составленная из проводов, соединяется с другой частью этой цепи неметаллического типа проводимости (например, с той или иной частью тела, органом, поверхностью кожи и т. д). Электроды чаще всего используются для съема электрического сигнала реально существующего в исследуемом организме. Они просто выполняют роль контакта в электрической цепи, осуществляя отведение электрического сигнала с той или иной степенью потерь, зависящей от качества контакта между электродом и той частью организма, с которой он соприкасается. В зависимости от вида тканей (или органов), биоэлектрическая активность которых исследуется, различают: электрокардиографию (ЭКГ) — исследование электрической активности сердца; электроэнцефалографию (ЭЭГ)—исследование биоэлектрической активности мозга, электромиографию (ЭМГ) — анализ электрической активности мышц; электроокулографию (ЭОГ) — исследование изменений потенциала, обусловленного движением глазного яблока; электрогастрографию (ЭГГ) — анализ вариации электрических сигналов, вызванных моторной деятельностью желудка.
В принципе указанный перечень методов исследования биоэлектрической активности гех или иных органов может быть расширен.
В некоторых случаях электроды могут использоваться не для съема электрических потенциалов, реально имеющихся в живом организме, а для подведения к организму некоторого внешнего электрического воздействия
Такая ситуация имеет место, например,электроплетизмографии (реографии), с помощью которой исследуются колебания интенсивности кровотока в органе или кровеносном сосуде. Переменное напряжение достаточно высокой частоты (30—250 кГц) прикладывается с помощью электродов к исследуемому участку тела. Измеряя вариацию полного электрического сопротивления (импеданс) тканей, включающего активную и реактивную компоненту, можно судить о характере изменения кровенаполнения тканей.
К электродам, как элементам съема медико-биологи-ческой информации, обычно предъявляются специфические требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, обладать низкой стоимостью, высокой стабильностью электрических параметров, эластичностью при достаточной механической прочности, не давать артефактов и помех, не оказывать раздражающего действия.
Датчик—(преобразователь медицинской информации) — устройство съема информации, реагирующий своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющий преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т. д.
Тип и конструкция датчика зависят от вида необ-ходимого преобразования, т е. определяются конкрет-ными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика
Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, давление, частота колебаний), физические (температура, освещенность, влажность), химические (концентрация вещества, состав), непосредственно физиологические (наполнение ткани кровью).
Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление (импеданс), частота (или фаза) переменного тока или импульсных сигналов.
Датчики медико-биологической информации можно разделить на две группы: биоуправляемые и энергетические.
Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико- биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).
В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сипнал, т. е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукциошные преобразователи, термоэлементы.
Пассивные датчики под воздействием входной вели-чины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие от активных (генераторных) датчиков пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.
Энергетические датчики в отличие от биоуправляемых активно воздействуют на органы и ткани. Они создают в исследуемом органе так называемый немодулированный энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра. Энергетические информационные преобразователи нуждаются в источнике дополни-тельной энергии для воздействия на объект и создания не модулированного энергетического потока. Из датчиков такого типа можно указать к примеру фотоэлектрические и ультразвуковые.
Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:
чувствительность — минимальное изменение сни-маемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;
динамический диапазон — диапазон входных вели-чин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех;
погрешность — максимальная разность между по-лучаемой и номинальной выходными величинами;
время реакции — минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий /измененному уровню входной величины.
Ниже будут рассмотрены датчики температуры, па-раметров системы дыхания, сердечно-сосудистой системы и некоторые другие. Подобное изложение материала хотя и не соответствует приведенной здесь классификации, представляется предпочтительным для облегчения понимания рассматриваемой проблемы. Это объясняется утвердившимся в классической физиологии и клинической медицине делением организма на отдельные анатомические функциональные системы: оистема кровообращения, система дыхания, пищеварения и т. д., соответственно которым удобно разделять устройства съема информации об их состоянии. Что же касается электродов, то описание этих устройств съема информации не нуждается в подразделении по отдельным анатомическим системам организма.
ЭЛЕКТРОДЫ
Биоэлектрические сигналы, характеризующие функ-циональную активность различных систем и органов человека, являются существенно слаботочными и занимают область низких и инфранизких частот.
В связи с этим обстоятельством 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 проводящей среды между ними.
Переходное сопротивление между чистой сухой кожей и электродом измеряется сотнями килоом. Для его уменьшения между кожей и электродом обычно прокладывается марлевая салфетка, смоченная физиологическим раствором. При этом переходное сопротивление снижается до десятков килоом. В последнее время чаще применяют специальные проводящие электродные пасты, которые дают лучший результат, чем простые электролиты.
Переходное сопротивление уменьшается также с уве-личением площади контакта электрод —кожа. Однако размер площади определяется необходимой степенью локализации источника снимаемого биологического сигнала. Чем больше площадь электрода, тем меньшую информацию несет снимаемый снгнал о локализации очага поражения центральной нервной системы при регистрации ЭЭГ или об изменениях электрической активности участка миокарда при регистрации грудных отведений ЭКГ. С увеличением площади электрода падает помехозащищенность регистрирующей системы. Например, в спортивной медицине запись сигнала ЭКГ затрудняют биопотенциалы работающих мышц. Для снижения уровня этих помех электроды для ЭКГ стремятся расположить в областях, где под кожей находится кость и отсутствуют мышцы (например, над прудиной). Именно это условие размещения в данном случае определяет площадь электрода. Известно, что при погружении металлического электрода в электролит между металлом и раствором возникает некоторая разность потенциалов (электродный потенциал). При прохождении тока в цели этот потенциал изменяется вследствие гальванической поляризации электрода. Потенциал поляризации зависит от многих причин (природы электрода, состава электролита, температуры и т д.) и обычно меняется во времени в достаточно широких пределах По своей величине он может достигать значений, превышающих величину полезного биоэлектрического потенциала. Все это в конечном итоге может привести к тому, что эффект поляризации электрода существенно исказит форму регистрируемого сигнала, а в ряде случаев сделает его регистрацию невозможной Поэтому поляризация электрода является крайне нежелательным явлением. Она может быть уменьшена подбором материала электродов и состава электродных паст.
Существует множество типов металлических электродов. В качестве материала для изготовления электродов применяются золото, платина, серебро, палладий, нержавеющая сталь, сплавы с иридием и другие металлы, сплавы и химические соединения, причем исследователи часто используют не просто различные, но и неодинаково обработанные металлы. Поэтому предметом постоянной дискуссии является вопрос о влиянии металла и способа обработки на характер получаемых результатов Не вдаваясь в подробности этой дискуссии, отметим, что при использовании различных электродов может иметь значение:
а) различие в контактных сопротивлениях (импедансах), даваемых электродами различных типов; прн этом существенное значение здесь имеет величина входного сопротивления (импеданса) усилительного устройства;
б) различие в уровнях шумов на границе раздела «электрод — ткань» и в величинах артефактов (помех), возникающих при движении электродов относительно окружающего электролита или за счет различия коррозионных токов;
в) особенности действия металла электродов на ткань в месте съема информации и различие в реакциях металла на изменение содержания химических веществ в окружающих тканях (вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций с участием веществ, содержащихся в тканях);
г) различие в интенсивности потенциалов поляри-зации.
В экспериментах с записью электроэнцефалограммы, обработанной на ЭЦВМ, показано, что погрешность регистрации, связанная с выбором металла и способом обработки электрода, не превышает 10%, но может существенно возрастать при входном импедансе усилителя ниже 107 Ом. При этом наилучший эффект дает применение электродов, изготовленных из хлористого серебра Такие электроды получают либо путем электролитического хлорирования серебра, либо прессованием порошкообразных смесей серебра и его хлорида.
Конструкции и характеристики электродов зависят во многом от целей их применения. По назначению электроды можно разделить на четыре группы:
для одноразового применения (в кабинетах функ-циональной диагностики и т п );
для длительного, непрерывного наблюдения био-электрических сигналов (в условиях палат реанимации, интенсивной терапии);
для динамического наблюдения (в условиях физи-ческих нагрузок в палатах реабилитации, в спортивной медицине);
для экстренного применения (в условиях неотложной терапии, скорой помощи).
Для кратковременного снятия грудных отведений ЭКГ применяется так называемый электрод-присоска. 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.
Игольчатые электроды до недавнего времени применялись только в период оперативного вмешательства, но теперь все чаще применяются для регистрации ЭКГ и ЭЭГ в системах постоянного наблюдения за тяжелобольным Инъецируемые электроды из тонкой платиновой проволоки 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
Дальнейшим развитием таких электродов являются эластичные винтовые электроды (подкожные электро-ды). Собственно электрод, изготовленный из стали высоких сортов, расположен в инъекционной канюле, аналогично мандрену. После прокола канюля вынимается, оставляя электрод под кожей. Выступающая над кожей часть электрода используется для подключения отводящего провода. Электроды отличаются высокой стабильностью при записи ЭКГ в течение недели и бо-лее при отсутствии каких-либо признаков раздражения ткани. Предложены spray-электроды. Система электрода состоит из трех компонентов: специальной токопроводящей эмульсии, проникающей глубоко в кожу, серебряного отводящего контакта с кабелем и покрывающей пластинки. При многодневном постоянном наблю-дении за ЭКГ электроды показали высокую помехоза-щищенность, хорошую эластичность благодаря их плоской форме. Недостатком таких электродов является высокая стоимость из-за (невозможности многократного использования.
Имеется много конструкций электродов для непо-средственной регистрации ЭКГ плода через открытую шейку матки.
Это электроды для плода по Junge, специальные игольчатые электроды по Suling, электроды-зажимы по Нои и их модифицированный вариант по Klock. Наиболее распространены электроды-зажимы, которые крепятся к предлежащей части плода. Вторым пунктом отведения являются вагинальный или цервикальный секрет матери. Собственно электрод изготовлен из смеси серебра с хлоридом серебра, его можно использовать многократно, он легко стерилизуется. Фиксация электрода связана с некоторыми трудностями, легко преодолимыми после кратковременной тренировки.
В ЭЭГ применяются электроды, площадь контакта с кожей которых не превышает 1,1 — 1,5 см2. Это вызвано необходимостью возможно более точной локализации патологического очага источника биоэлектрического сигнала. Собственно электрод представляет собой цилиндр или шар небольшого диаметра, который обернут губчатой резиной, прпитанный физиологическим раствором. В другой конструкции электрода в качестве проводящей среды применяется электродная паста. Электрод выполнен в виде цилиндрической чашки. Для удобства манипуляции при наложении отводящий проводник крепится к электроду с помощью упругой плоской вилки, которая вставляется в круговой паз электрода.
Электроды для снятия биопотенциала мышц представляют собой плоские круглые металлические пластинки, поверхность которых покрыта тонким слоем золота или хлористого серебра. Диаметр этих электродов не превышает 10—15 мм.
Все перечисленные разновидности электродов предназначены для отведения биоэлектрических сигналов с поверхности кожи и требуют ее предварительной обработки. Эта процедура даже при небольшом количестве электродов требует затрат времени, особенно ощутимых в условиях скорой помощи. В подобных условиях в качестве электродов часто применяются обычные инъекционные иглы и специальные электродные комплексы Конструктивно такие комплексы выполняются в виде равносторонней треугольной пластины из изоля-ционного материала со стороной 15—20 см, в углах которой располагаются конусовидные электроды высотой 1—2 см. Эта пластина накладывается соответствующим образом на область сердца и обеспечивает достаточно хороший и надежный контакт. Иногда такой электродный комплекс выполняется в виде основания миниатюрного кардиоскопа с автономным питанием.
Простым и экономичным является многоточечный электрод — модифицированный плоский овальный электрод, к «ижней 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, а это в свою очередь способствует еще большему снижению переходного сопротивления. Многоточечные электроды находят широкое применение в условиях скорой помощи. Для длительного наблюдения подобные электроды почти не используются ввиду нестабильности переходного сопротивления.
Для записи ЭМГ в эксперименте и в клинике могут применяться три основных типа игольчатых электродов: униполярный, биполярный и коаксиальный. Сравнение формы сигнала, записанного с помощью этих трех типов электродов, показало, что биполярная игла дает форму сигнала, являющуюся производной по времени сигнала, отведенного с помощью униполярной иглы, и значительно уменьшает уровень шумов. Сигнал, записанный с помощью коаксиальной иглы, идентичен сигналу, отведенному униполярной иглой, но уровень шумов при этом значительно меньше .
В последние годы ЭМГ вызывает все больший инте-рес как одно из средств получения информации о поведении оператора в системе человек — машина. В этом случае необходим хороший электрический контакт электрода с тканью в течение длительного времени. Обычные игольчатые или поверхностные электроды не подходят для этой цели, главным образом потому, что имеют высокий импеданс, особенно в области низких частот. Увеличение площади для снижения импеданса приводит к тому, что электрод записывает суммарную активность соседних групп мышц.
Разработан подкожный электрод из стеклообразного углерода, лишенный описанных недостатков . Материал имеет высокую электропроводность и химически более инертен, чем другие известные формы углерода. По своим свойствам ма-териал напоминает проводящую керамику. Конструктивно электрод выполнен в виде катушки. Высота ее 5 мм, диаметр щечек 4 мм, осевого цилиндра — 2,5 мм.
Развитие электроники, широкое использование поле-вых транзисторов во входных каскадах усилителей биопотенциалов дало возможность получить огромные величины входных сопротивлений усилителей, доходящих до сотен миллиардов Ом (сотен ГОм). Такие величины входных сопротивлений позволили практически устранить потери сигнала на переходе кожа — сухой электрод, а также создать емкостной электрод. Емкостной электрод представляет собой металлическую пластинку, покрытую с помощью специальной технологии тонким слоем диэлектрика (лак или окисная пленка металла). Металлическая пластина является одной обкладкой конденсатора, а поверхность кожи — другой. Биоэлектрический сигнал изменяет разность потенциалов между обкладками конденсатора пропорционально изменению своей величины. Эта разность потенциалов между обкладками подается на вход усилителя, который усиливает этот сигнал до необходимой величины. Для уменьшения влияния внешних шумов сходные каскады усилителя обычно встраиваются непосредственно в корпус электрода. Применение емкостного электрода не требует специальных мер предварительной обработки кожи.
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА
Различают температуру ядра или сердцевины тела и температуру поверхности кожи тела человека. Температура поверхности зависит от условий окружающей среды: температуры и влажности воздуха, одежды, развития волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т. д. Температура ядра тела является более достоверным показателем системы терморегуляции организма. В медицинской практике производят измерения обоих величин. Для оценки температуры ядра измеряют температуру в мышцах и отдельных органах, ректальную температуру, температуру в полости рта, подмышечной впадине, паховой области и пупочной ямке. При измерении температуры поверхности для диагностики важны симметричные температурные поля, которые дают возможность оценить интенсивность кровоснабжения какой-либо части или сегмента человеческого тела. Для измерения температуры тела в качестве датчиков используются проволочные и полупроводниковые терморезисторы, а также термоэлементы. В основу работы проволочных и полупроводниковых резисторных датчиков положено их свойство изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение сопротивления оценивается величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТКС может быть либо положительным, либо отрицательным. Положительный ТКС говорит о том, что при увеличении температуры величина сопротивления датчика возрастает. При отрицательной ТКС это соотношение будет обратным. Такие датчики можно отнести к классу пассивных (параметрических) биоуправляемых датчиков. Величина ТКС характеризует чувствительность датчика. Высокие ТКС имеют полупроводниковые терморезисторы.
В основу работы термоэлектрических датчиков (тер-моэлементов) положен принцип работы термоэлектрогенератора. Суть его сводится к следующему: если соединить с одной стороны концы двух металлических пластинок, изготовленных из разных металлов, например из железа и константана, и нагревать место соединения, то между свободными концами пластинок можно зарегистрировать появление электродвижущей силы (э.д.е.), которая получила название термоэде. Величина этой термоэде зависит от температуры места соединения пластинок и, следовательно, с ее помощью можно су-дить о температуре. Такие датчики относятся к актив-ным (генераторным) биоуправляемым датчикам.
Среди характеристик, определяющих качество дат-чиков температуры, необходимо выделить:
а) линейность зависимости сопротивления R или термоэдс 1 от температуры.
Высокой линейностью отличаются проволочные и термоэлектрические датчики;
б) время реакции
в) стабильность параметров (R или е) во времени
ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ
При объективном исследовании системы дыхания врача интересуют как количественные характеристики дыхания (частота дыхания, объем вдыхаемого іи выдыхаемого воздуха и др.), так и качественные характеристики процесса внешнего и тканевого дыхания (содержащие газов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, парциальные давления кислорода и углекислоты в крови, процент насыщения крови кислородом и т. д.). Частота дыхания — один из важнейших параметров, характеризующих функциональную активность системы дыхания. Каждый акт дыхания проявляется движением грудной клетки (изменением длины ее окружности) и образованием противоположно направленных потоков воздуха на вдохе и выдохе, имеющими разную температуру. Фиксация моментов периодически повторяющихся движений грудной клетки может быть наиболее просто осуществлена с помощью трех типов пассивных биоуправляемых датчиков.
ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ
Для оценки деятельности сердечно-сосудистой систе-мы используются такие характеристики, как пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, импеданс тканей, различные показатели циркуляции крови.
Для регистрации частоты периферического пульса получили распространение пьезоэлектрические преобразователи, использующие пьезоэлектрический эффект. 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 )
Пьезоэлектрическими свойствами обладают природ-ные материалы (кварц и турмалин) и синтетические вещества (сегнетова соль, дигидрофосфат калия, титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем d, устанавливающим пропорциональную зависимость между величиной возникающего заряда Q и приложенной силой P:Q = dP. Кроме того, пьезоэлектрики характеризуются механической прочностью, зависимостью пьезомоду- ля от температуры и влажности среды. Как правило, искусственные пьезоэлектрики имеют пьезомодуль, во много раз превышающий пьезомодуль кварца, но обла-дают гораздо меньшей механической прочностью, большей зависимостью параметров от температуры и влажности среды.
Датчики, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта, относятся к числу активных (генераторных) биоуправляемых датчиков.
ПОГРЕШНОСТИ УСТРОЙСТВ СЪЕМА ИНФОРМАЦИИ
Погрешности устройств съема медико-биологической информации — одно из звеньев в общей цепи ошибок измерений, зависящих от ряда технических и специфических причин. Это обстоятельство затрудняет сопоставление результатов в процессе диагностики и лечения.
Различают погрешности, связанные с:
а) изменением физических параметров окружающей среды; б) ин-дивидуальными особенностями организма (антропометрические данные, варианты состава и структуры тканей, различие экзоэндо генных психофизиологических реак-ций);
в) неточным выполнением процесса измерения физических параметров организма (крепление, ориен-тация и согласование датчика с объектом, обработка кожи и т. д.);
г) несовершенством измерительной сис-темы: искажения, вносимые устройством съема, измери-тельным прибором (погрешности метода измерения), измерительным трактом — погрешности усилителя, ре-гистратора или индикатора, обработки информации и т, д.
В настоящее время не представляется возможным дать точную характеристику отдельных составляющих полной погрешности измерения физиологических параметров.
При оценке качества различных датчиков и их сопоставлении необходимо учитывать их основные свойства, различные источники возникновения погрешностей датчиков:
вследствие неточной воспроизводимости функции преобразователя. Характеристики преобразователей данного вида в идеале должны быть полностью иден-тичны, что диктуется требованием возможной взаимо-заменяемости датчиков,
вследствие непостоянства функции преобразования во времени. Старение материалов, из которых изготовлены датчики, изменение параметров чувствительных элементов вследствие протекания процессов коррозии, износа подвижных частей и т. д. приводит к косвенному изменению вида уравнения преобразования,
группа погрешностей, в совокупности определяющая так называемую основную погрешность датчиков. В зависимости от характера возникновения отдельных составляющих этой основной погрешности различают погрешности производственно-технические, температур-ные, возникающие вследствие действия вредных сил (трения и т. п), от неполного совпадения функции пре-образования при возрастании и убывании выходной ве-личины (от гистерезиса функции преобразования), от упругого последействия и т. д.
Производственно-технические погрешности вызыва-ются, например, неточностью выдерживания геометри-ческих размеров деталей, разбросом параметров исход-ных материалов. К такого рода погрешностям относятся также шкаловые погрешности, обусловленные неточностью настройки и регулировки приборов. Температурные погрешности связаны с нестабильностью физических параметров датчиков при изменении температуры окружающей среды. Погрешности от вредных сил обусловлены действием на чувствительный элемент и подвижную систему датчика сил трения, от несбаланса подвижной системы, сил электромагнитного и электростатического притяжения. Погрешности от гистерезиса и упругого последействия вызываются силами внутренне-го трения в материале чувствительных и преобразующих элементов, вследствие обратного воздействия датчика на измеряемую величину. Преобразователи могут влиять на характер протекания измеряемых процессов, искажая их и давая в конечном итоге неправильную информацию о тех или иных измеряемых параметрах, динамические погрешности, связанные с инерционностью преобразователя.
Погрешности датчиков могут быть в известной степени учтены, если в измерительном устройстве и методике измерения предусмотрена операция калибровки. Правильная калибровка датчиков и последующих звеньев измерительного тракта — важнейшее условие вос-производимости и сопоставимости результатов. Процесс калибровки требует выбора оптимальной ее методики и стандартизации, поскольку в принципе возможны самые различные способы ее проведения. Так, например, при калибровке воздушных микрофонов для фонокардиографии могут использоваться следующие варианты: калибровка по поршневому микрофону, по конденсаторному микрофону, по зондовому л по электродинамичес-кому микрофону. Однако эксперименты показывают, что наиболее подходящим для калибровки воздушных микрофонов в диапазоне частот 50—1000 Гц является первый метод.
Многие медицинские и физиологические исследования требуют измерения низкочастотных сигналов малой амплитуды. При этом во многих случаях наблюдается чрезвычайно медленный дрейф входного напряжения, обусловленный движениями тела и изменениями харак-теристик живой ткани (дрейф нулевой линии).
