Аналоговые регистрирующие устройства

Конечным элементом технической схемы, изображенной на рис. 21.1, является измерительное (контролирующее) устройство, отображающее или регистрирующее медико-биологическую информацию.

Под устройством отображения понимают устройство, которое временно представляет информацию, при появлении новой информации прежняя информация бесследно исчезает. Такими являются, в частности, стрелочные приборы: амперметр, вольтметр и др. Стрелочный амперметр, например, показывает силу тока в данный момент и не фиксирует ее. При изменении силы тока в цепи информация о прежнем значении безвозвратно утрачивается. Для запоминания информации, отображаемой такими устройствами, необходимо специально ее фиксировать, что, например, и делают студенты в физической лаборатории, снимая показания приборов. Медико-биологическое применение устройств отображения достаточно мало: электротермометр сопротивления, частотомер пульса и др.

Значительно большее распространение в медицинской электронике получили регистрирующие приборы, которые фиксируют информацию на каком-либо носителе. Это позволяет документировать, хранить, мно-

гократно использовать, обрабатывать и анализировать полученную медико-биологическую информацию.

Отображающие и регистрирующие приборы подразделяют на аналоговые - непрерывные, дискретные и комбинированные, сочетающие возможности аналоговых и дискретных.

Рассмотрим подробнее наиболее распространенные в практике медико-биологических исследований аналоговые регистрирующие устройства. Некоторые из них называют также самопишущими приборами, или самописцами.

В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие способы регистрации информации на носителе:

а) нанесение слоя вещества (красителя): чернильно-перьевая и струеписные системы;

б) изменение состояния вещества носителя: фоторегистрация, электрохимическая, электрофотографическая (ксерография) и магнитная запись;

в) снятие слоя вещества с носителя: закопченная поверхность, тепловая запись.

Простейшим самописцем, находящим и сегодня применение в физиологическом эксперименте, является кимограф (рис. 21.10), работающий от заведенной пружины, или электрокимограф, равномерное вращение барабана которого осуществляется электродвигателем.

Идея кимографа - равномерное вращение или перемещение поверхности носителя сохраняется в подавляющем большинстве современных аналоговых регистрирующих приборов, фиксирующих временную зависимость исследуемой величины. Смещение y писчика или светового пятна, пропорциональное регистрируемой величине, является ординатой полученного графика (рис. 21.11). Равномерное перемещение носи-

теля (бумага, фотопленка) означает, что абсцисса прямо пропорциональна времени t. В результате полученная кривая отражает зависимость

у = At).

Самопишущие приборы, используемые в медицинской аппаратуре, преобразуют электрический сигнал в механическое перемещение. Физически они являются гальванометрами - высокочувствительными электроизмерительными приборами, реагирующими на достаточно малую силу тока. В этих приборах ток, проходящий по катушкам, проволочной рамке или по петле, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате этого взаимодействия подвижная часть (магнит, проволочная рамка или части петли) отклоняется пропорционально силе тока, т.е. пропорционально электрическому сигналу.

С подвижной частью соединен пишущий элемент, оставляющий след на движущемся носителе записи: специальное капиллярное перо, либо стеклянный капилляр с соплом в струйном самописце, либо зеркальце, отражающее луч света или что-то другое.

В качестве примера на рис. 21.12 схематически изображен струйный самописец. Здесь 1 - электромагнит, через обмотки которого проходит регистрируемый электрический сигнал; 2 - постоянный магнит в форме цилиндра, он жестко связан со стеклянным капилляром 3. Из сопла капилляра 4 под давлением вылетают чернила, оставляя след у, пропорциональный отклонению постоянного магнита и, следовательно, силе тока в электромагните.

Важной характеристикой самописца является диапазон частот колебаний, которые они успевают регистрировать. Чем больше момент инерции подвижной части самописца, тем больше запаздывание регистрации относительно истинного изменения регистрируемой величины, частотная характеристика будет хуже.

Наиболее широкие частотные возможности у аналоговых регистрирующих приборов, называемых светолучевыми (шлейфовыми) осциллографами.

Основной частью светолучевого осциллографа (рис. 21.13) является шлейфовый гальванометр Г, состоящий из постоянного магнита 1, металлической нити в виде петли (шлейфа) 2, по которой протекает регистрируемый электрический сигнал, и зеркальца 3. Луч от осветителя Ос падает на зеркало, отражается и попадает на фотографическое устройство Ф, состоящее из рулона фотопленки и лентопротяжного механизма. Электрический сигнал вызывает пропорциональное ему отклонение шлейфа гальванометра. Равномерное протягивание фотопленки создает временную развертку. Используя специальный отметчик времени, на фотопленке можно получить метки.

Такой осциллограф позволяет регистрировать процессы с частотой приблизительно от 0 до 10 кГц, что значительно перекрывает частотные характеристики медико-биологического сигнала. В основном выпускаются многоканальные светолучевые осциллографы, позволяющие одновременно фиксировать десятки изменяющихся величин. Главным их недостатком является необходимость проявления фотобумаги или фотопленки. В настоящее время выпускается специальная бумага, чувствительная к ультрафиолетовому освещению. Она не требует специальной обработки, однако осветитель должен излучать мощный пучок ультрафиолетовых лучей.

В самопишущих устройствах наряду с обычными погрешностями измерительных приборов возникают также погрешности, обусловленные записью.

Причинами погрешности записи могут быть неточность работы механизма перемещения бумаги или фотопленки, запаздывание, вызванное инерцией пишущей системы прибора, изменение размеров бумаги под влиянием влажности воздуха, неточность отметки времени и др.

Кроме однокоординатных самописцев, фиксирующих временную зависимость, в исследовательской практике получили распространение двухкоор-динатные самописцы.

На рис. 21.14 изображен внешний вид такого самописца модели ПДС-21М. При регистрации поперечная рейка перемещается поступательно, ее смещение пропорционально одному из подаваемых сигналов (параметров) х. Вдоль рейки пропорционально изменению второго параметра у перемещается каретка с писчиком. В результате писчик совершает сложное движение и оставляет на бумаге график функции

у = f (χ).

Рис. 21.14

Наряду с аналоговыми регистрирующими приборами в медицинской практике для фиксирования информации используются и такие безынерционные комбинированные устройства, как электронно-лучевые трубки (см. 23.4).

Так, например, в портативном вектор-кардиоскопе (см. рис. 21.17) электронно-лучевая трубка является основным элементом, который отображает, а при дополнительном фотографировании и регистрирует электро- и вектор-кардиограммы.

Электронно-лучевая трубка относится к группе комбинированных устройств, так как может отображать (при дополнительном фотографировании - регистрировать) выходную информацию не только в аналоговой, но и в дискретной форме (цифры, буквы).