Блок-схема системы получения медико-биологической информации (МБИ) состоит из нескольких основных блоков: устройства съема, усилителя и устройства отображения (регистрации) информации (Рис.2). При значительном расстоянии между изучаемым объектом и исследователем используют еще ряд блоков: передатчик, канал связи и приемник. Устройство съема (УС) предназначено для получения информации непосредственно с биообъекта. Измеряемый сигнал (X) поступает либо на электрод, либо на датчик. Электроды могут быть плоскими или игольчатыми. Датчики бывают генераторными или параметрическими. Получаемые с УС сигналы обычно имеют незначительную величину. Поэтому после устройства съема используется блок усиления тока или напряжения. Усиленный сигнал отображается или регистрируется соответствующим блоком.
Электрод для съема информации – это проводник, передающий электрический сигнал от биосистемы к усилителю. Широкое распространение получили пластинчатые электроды (Рис. 3). Такое устройство представляет собой пластину (ПЛ), на которой установлена клемма (КЛ) для подключения соединительного провода.
Эквивалентная электрическая схема контура съема МБИ показана на рис 4. Источник ЭДС представлен как генератор напряжения U с соответствующим внутренним сопротивлением r. Согласно закону Ома для полной цепи I=U:(RЭСК+RУ+r) увеличить амплитуду тока в условиях измерения можно только за счет уменьшения переходного сопротивления электрод, среда, кожа RЭСК. Причем амплитуда передаваемого сигнала и вносимые искажения зависят главным образом от особенностей среды. Для увеличения проводимости используются пасты или салфетки, смоченные физиологическим раствором. Производится также обезжиривание спиртом или гелем участков кожи, на которые устанавливают электроды. Входное сопротивление усилителя RУС является техническим параметром используемого устройства.
Генераторный фотоэлектрический датчик получается, если на медную пластину 
, покрытую слоем закиси меди 
, напылить небольшой прозрачный слой 
золота (Рис 5). Воздействие квантов света на полупроводник приводит к образованию ЭДС между и . Возникающая ЭДС по соединительным проводам подается на цифровой вольтметр (дискретное устройство отображения информации).
Генераторный пьезоэлектрический датчик представляет собой кварцевую пластину КП, на противоположные грани которой нанесен слой металла СМ (Рис.6). Соединительные провода передают напряжение на стрелочный вольтметр (аналоговое устройство отображения информации). При сжатии пластины на ее гранях появляется напряжение пропорциональное степени воздействия. Явление возникновения положительной ЭДС на гранях кварцевой пластины при ее сжатии и отрицательной ЭДС при ее растяжении получило название: прямой пьезоэффект.
Параметрический резистивный датчик выполнен в виде резиновой трубки 
, которая заполнена мелким угольным порошком 
(Рис.7). С торцов трубки вмонтированы электроды 
. Устройство съема содержит также источник энергии 
и аналоговое устройство регистрации информации. 
состоит из магнитной катушки 
, железной пластины ЖП на одном конце стержня и пишущего пера ПП на другом конце стержня.
Если охватить грудную клетку трубкой, то сопротивление угольного резистора будет изменяться. При вдохе трубка растягивается. Увеличивается длина l и уменьшается площадь сечения S резистора. Согласно формуле 
возрастает сопротивление угольного столбика. Сила тока в цепи уменьшается, что ослабляет действие на железную пластину. Стержень поворачивается вокруг оси 
. След от пера смещается в сторону.
При выдохе сила тока в цепи возрастает. Действие усиливается, след от пера смещается в другую сторону.
Параметрический индуктивный датчик трансформирует, например, перемещение в частоту (Рис.8). Это свойство используется при измерении давления. Нагнетание воздуха в манжету приводит к перемещению ее 
поверхности. Манжета соединена с железным стержнем ЖС. Чем глубже стержень входит в катушку l, тем больше величина индуктивности L. Колебательный контур, состоящий из катушки L и емкости C, соединен с источником энергии ИЭ и измерителем частоты ИЧ. Согласно формуле 
возрастание индуктивности 
приводит к уменьшению частоты 
. Измерительный прибор проградуирован в единицах давления. Функцией преобразования такого устройства является зависимость 
. Она представлена на рис 8. Из него видно, что устройство реагирует на изменение входной величины только в определенном интервале от 
до 
. Интервал изменения входной величины, которая приводит к изменению выходной величины, называется динамическим диапазоном датчика. Она является важным параметром любого устройства съема медико-биологической информации.
Усилитель увеличивает на выходе амплитуду сигнала, который поступает на его вход (Рис 9). Степень увеличения определяется коэффициентом усиления. Данный коэффициент рассчитывается как отношение амплитуды сигнала на выходе устройства к амплитуде сигнала на входе. Для усилителя напряжения 
. Коэффициент усиления определяется на фиксированной частоте. При изменении частоты изменяется и величина 
(Рис.10). Поэтому более информативной характеристикой рассматриваемого устройства является график зависимости 
. Считается, что усилитель хорошо выполняет свои функции, если его коэффициент усиления падает не ниже, чем 0,7 от максимального значения. Диапазон частот 
, в пределах которого 
называется полосой пропускания усилителя.
Отрицательная обратная связь используется при конструировании любого усилителя. Она позволяет уменьшить негативное влияние помех, которые поступают на вход устройства вместе с полезным сигналом. Кроме того, повышается устойчивость системы, что не позволяет ей в процессе работы превратиться в генератор синусоидального сигнала.
Обратная связь имеет место, как в неживой, так и в живой природе. Она проявляет себя во всех случаях, когда выход системы оказывает влияние на ее вход. В зависимости от знака воздействия ОС бывает положительной или отрицательной.
На рис.9 показано, что напряжение с выхода усилителя проходит через инвертер и поступает на вход системы. Отрицательный знак обратной связи получается потому, что входное напряжение 
и инвертированное напряжение 
изменяются в противофазе.
Устройство отображения (регистрации) информации является конечным элементом системы получения МБИ. Блок отображения отличается от блока регистрации тем, что во втором случае информация фиксируется на любом носителе. В первом случае отображение новых данных приводит к удалению данных, полученных ранее. В конечном блоке рассматриваемой системы выходной сигнал (Y) может быть представлен в аналоговой или цифровой форме. Соответствующие устройства называются аналоговыми или дискретными. В схеме, показанной на рис 6, используется стрелочный амперметр, который является типичным представителем аналогового устройства отображения информации (АУОИ). Если вместо стрелочного прибора использовать цифровой амперметр (Рис 5), тогда мы будем работать с дискретным устройством отображения информации (ДУОИ).
Протокол
Лабораторная работа
Изучение системы получения медико-биологической информации
Цель работы
1. Определить рабочий участок параметрического индуктивного датчика давления.
2. Дать рекомендации по его использованию в приборах для измерения артериального давления крови человека
Приборы и оборудование:
1. Индуктивный датчик давления.
2. Преобразователь Индуктивность→Частота.
3. Регистратор – частотомер.
4. Эталонный манометр для контроля давления.
5. Манжета
6. Груша для нагнетания воздуха в манжету
Ход работы
9. Собрать установку в соответствии со схемой.
10. Путем нагнетания воздуха в манжету создать избыточное давление в системе.
11. При медленном уменьшении объема воздуха в манжете регистрировать величину давления в ней и генерируемую контуром частоту.
12. Построить график зависимости частоты от давления.
Таблица для записи результатов измерений
| |||||||||||||||
|
- избыточное давление в мм. рт. ст.
- частота в кГц
Выводы:
 | |||
 | |||
|
Контрольные вопросы преподавателя:
1. Показать отличия параметрических датчиков от генераторных на примере резистивного и фотоэлектрического датчиков
2. Показать отличия параметрических датчиков от генераторных на примере индуктивного и пьезоэлектрического датчиков
3. На конкретных примерах показать основные характеристики датчиков
4. Нарисовать эквивалентную электрическую схему контура съема МБИ и объяснить роль каждого элемента этой схемы
5. Основные характеристики любого усилителя
6. Показать роль обратной связи в биосистемах и технических устройствах на примере усилителя напряжения
7. Сравнить аналоговые и дискретные устройства регистрации информации
Работа студента________________________________________
№ группы______________________________________________
Факультет______________________________________________
Дата____________________________________________________
Зачтено_________________________________________________
Изучение физических основ электрокардиографии. Определение амплитудных и временных параметров ЭКГ
ВВЕДЕНИЕ
Изучение биофизических основ электрокардиографии, представляет интерес как для формирования целостной картины функциональной деятельности организма, так и для развития представления о взаимодействии электродинамических и механических процессов в миокарде, понимания причинно-следственных связей графической записи электрической активности сердца. Исследование амплитудных и временных параметров с анализом проведения возбуждения в миокарде, соответствующим каждому зубцу и интервалу позволяет понять механизм генерации электрокардиограммы и представляет собой подготовительный этап к дальнейшему обучению электрокардиографии на старших курсах.
Цель занятия
- сформировать новые теоретические знания по теме:
· сердце, как диполь
· дипольный момент сердца
· проведение возбуждения по миокарду, механизм генерации электрокардиограммы, образования зубцов и интервалов ЭКГ
· теория отведений Эйнтховена
· треугольник Эйнтховена
· связь между интегральным электрическим вектором сердца и напряжением в отведениях
-освоить практические умения на базе теоретических знаний:
· запись калибровочного сигнала и его использование для определения амплитудных параметров ЭКГ
· расчёт амплитудных параметров и интервалов ЭКГ
· расчёт периода цикла
· расчёт частоты сердечных сокращений по фрагменту ЭКГ
- закрепление теоретических знаний и сформированных практических умений
· выполнение заданий по полученным на практике фрагментам ЭКГ
· тестирование на компьютере
- развитие и воспитание личности:
· обучение аккуратности и ответственности при анализе ЭКГ (как элемент бережного и внимательного отношения к пациентам, чей диагноз находится в зависимости от исследовательских качеств оператора)
Конкретные задачи
Студент должен знать:
Биофизические основы электрокардиографии, графическое представление электрического поля сердца и его характеристики, теорию отведений Эйнтховена, основные зубцы и интервалы нормального цикла ЭКГ.
Студент должен уметь:
· уверенно определять зубцы и интервалы на фрагменте ЭКГ
· определять цену деления опорной линии по скорости записи ЭКГ
· использовать калибровочный сигнал для расчёта амплитудных значений ЭКГ
· вычислять период цикла и частоту сердечных сокращений по фрагменту ЭКГ
