Введение
Электроника. Медицинская электроника
Электроника - область науки и техники, в которой рассматривается работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств.
Выделяют следующие виды электроники:
1. Вакуумная электроника, основана на применении электровакуумных приборов (рентгеновские трубки, электронные лампы, газоразрядные приборы и т. д.).
Исторически, внимание исследователей на начальном этапе развития электроники было обращено на процессы переноса электронов в вакууме и в газах. На основе этих исследований были созданы электровакуумные приборы - электронные лампы, которые могли решать задачи усиления и генерирования электрических сигналов. Простейшая электронная лампа состоит из стеклянного корпуса (баллона), в котором в вакууме расположены катод, сетка и анод. Электроны эмитируются катодом и под действием электрического поля, приложенного между анодом и катодом (+ к аноду), движутся через сетку к аноду. Величина тока, образуемого потоком электронов, зависит не только от разности потенциалов между анодом и катодом, но и от величины потенциала сетки. Таким образом, величиной тока анода можно управлять, изменяя потенциал сетки. На этом эффекте и строятся различные электронные устройства. На основе электронных ламп создавались практически все электронные устройства до 50-х годов прошлого века: приемники и передатчики радиосигналов, усилители, магнитофоны, локационные станции и другие устройства. Первые телевизоры и вычислительные машины также создавались на основе электронных ламп.
2. Твердотельная электроника, изучающая полупроводниковые приборы, интегральные схемы.
Этот этап развития электроника получила с изобретением транзистора в 50-е годы прошлого века. Транзистор - электронный прибор, в котором используются полупроводниковые материалы как с электронной проводимостью (движение электронов), так и с "дырочной" (перемещение места в кристаллической решетке, где отсутствует электрон). Транзистор имеет соединенные между собой три области, к которым подключаются электроды: эмиттер, база и коллектор. Между эмиттером и базой, а также между базой и коллектором имеются р- n переходы, т.е., если область эмиттера имеет электронную проводимость (n- тип), то область базы имеет дырочную проводимость (р-тип) и область коллектора имеет опять электронную проводимость (n-тип) - это транзистор типа n-р- n. Также используются транзисторы с обратным чередованием областей: р-n-р тип. Напряжение питания подводится к электродам: эмиттер-коллектор. Ток в цепи эмиттер-коллектор определяется разностью потенциалов между эмиттером и коллектором и током базы. Таким образом, транзистор усиливает ток (базы) в отличие от электронной лампы, которая усиливает напряжение (на управляющей сетке). На основе транзистора были созданы интегральные схемы, включающие по мере их совершенствования все большее количество элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и других элементов. Применение интегральных микросхем позволило резко сократить размеры, вес, энергопотребление и стоимость электронной аппаратуры, позволило создать мощные вычислительные машины малых размеров с малым потреблением электроэнергии, в том числе широко используемый в настоящее время класс персональных компьютеров.
3. Квантовая электроника, связана прежде всего с лазерами.
Медицинская электроника - это разделы электроники, в которых рассматриваются устройство и работа соответствующей медицинской аппаратуры.
В медицинских электронных приборах неэлектрические характеристики типа температуры, давления, перемещения органов и т. д. преобразуют в электрический сигнал. Это связано с тем, что информацию, представленную электрическим сигналом, удобно регистрировать и передавать на расстояние.
Медицинскую электронику классифицируют по областям применения. Обычно выделяют четыре области применения, которые подразделяются на многочисленные подобласти.
Важной и сложной частью медицинской электроники являются приборы функциональной диагностики (рис.1). Современные диагностические приборы, например, магнито-резонансные томографы, позитронно-эмиссионные томографы и т.д. - это очень сложные и дорогие устройства. Для их выпуска нужна научно-техническая база, которой обладают очень небольшое число самых развитых стран мира. Можно сказать, что возможность производства современной диагностической аппаратуры является индикатором развития страны.
Приборы функциональной диагностики часто используются для съёма биопотенциалов.
Общая 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, —
Выходной измерительный
ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СЪЕМА БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА
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.
Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод-кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды, изображена на рис. 21.2 (8бп - э.д.с. источника биопотенциалов; r - сопротивление внутренних тканей биологической системы; R - сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; Квх - входное сопротивление усилителя биопо-
тенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках контура одинакова, имеем
Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя полезным, так как усилитель увеличивает именно эту часть э.д.с. источника. Падение напряжения Ir и IR внутри биологической системы и на системе электрод-кожа в этом смысле бесполезно. Так как 8бп задана, а повлиять на уменьшение Ir невозможно, то увеличить IR^ можно лишь уменьшением R и прежде всего уменьшением сопротивления контакта электрод-кожа.
Для уменьшения переходного сопротивления электрод-кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод-кожа, т.е. увеличив размер электрода, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей (см., например, рис. 14.15) и истинная картина электрического поля будет искажена.
По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы:
1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы;
2) для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;
3) для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине;
4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях проявится своя специфика применения
электродов: физиологический раствор может высохнуть и сопротивле-
ние изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессознательном состоянии пациента надежнее использовать игольчатые электроды и т.п.
При пользовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них - возникновение гальванической э.д.с. 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 э.д.с.
В обоих случаях возникающие э.д.с. искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приемы относятся к электрохимии и в этом курсе не рассматриваются.
В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов.
Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды - металлические пластинки с клеммами 1 (рис. 21.3), в которые вставляют и закрепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электроды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2. Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет клемму для штыря кабеля отведений.
В микроэлектродной практике используют стеклянные микроэлектроды. Профиль такого электрода изображен на рис. 21.4, кончик его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолятором, внутри находится проводник в виде электролита. Изготовление микроэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности, однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки и проводить внутриклеточные исследования.
