Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

АО «МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АСТАНА»

Кафедра математики, информатики с курсом медбиофизики 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СРС

На тему:Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации.

 

 

 

                                                         Выполнил: Газизов Р.

                                                                                                            134 ОМ

                                                            Проверил: Ахметов Б.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана 2012

 

 

Содержание:

Введение ……………………………………………………………………. 2

Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической  информации……………………………..…………………………………..3

1.1.Система получения медико-биологической  информации…………….4

1.2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала……………...…....5

1.3. Датчики медико-биологической информации…………………..…….8

1.4. Передача сигнала. Радиотелеметрия………………………...…..…….11

1.5Аналоговые регистрирующие устройства…………………………...…12

Заключение………………………………………………………………….15

Список используемой литературы……………………………………….16 

Введение

 

Биофи́зика (от др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. φύσις — природа)

• раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;
• это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Обобщённо можно сказать, что биофизика  изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества.

«Важнейшее содержание биофизики  составляют: нахождение общих принципов  биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие  их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим  явлениям»

Медицинская биофизика ориентирована на использовании в медицине результатов фундаментальных исследований в области мембранных процессов, фотобиологии, биофизики клетки.

 

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 рис.. Эта схема  является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный 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 в медицинской электронике  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  и передающие его на расстояние.

В структурной схеме X означает некоторый измеряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Yобозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количественной информации о биологической системе должна быть известна зависимость Y = f(X).

 

1.1. Система получения  медико-биологической информации

Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией отсутствующей 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.

В устройствах медицинской электроники  чувствительный элемент либо прямо  выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в  сигнал электронного устройства. В  медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды  и датчики.

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.

Многие медико-биологические характеристики нельзя «снять» электродами, так  как они не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В  некоторых случаях медико-биологическая  информация связана с электрическим  сигналом, в этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее  измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или  регистрации. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого  сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. К таким типам  датчиков относятся:

1) пьезоэлектрические;

2) термоэлектрические;

3) индукционные;

4) фотоэлектрические.

Параметрические – это датчики, в которых под воздействием измеряемого  сигнала изменяется какой-либо параметр.

К таким датчикам относятся:

1) емкостные;

2) реостатные;

3) индуктивные.

В зависимости от энергии, являющейся носителем информации, различают  механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.

Биоэлектрические потенциалы являются существенным диагностическим показателем  многих заболеваний. Поэтому очень  важно правильно регистрировать эти потенциалы и извлекать необходимую  медицинскую информацию.

 

 

1.2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала

 

Электроды для съема  биоэлектрического сигнала — 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. 17.2 (£_6п — ЭДС источника биопотенциалов; г— сопротивление внутренних тканей биологической системы; R— сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; R_Bx— входное сопротивление усилителя биопотенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках контура одинакова, имеем

Ебп= Ir+IR + IR_SX = IR_t + IR_BX, где Д. = г + R.      (17.1)

Можно условно назвать падение  напряжения на входе усилителя IR_BX«полезным», так как усилитель увеличивает именно эту часть ЭДС источника. Падения напряжения Irи IRвнутри биологической системы и на системе электрод — кожа в этом смысле «бесполезны». Так как величина Е_6пзадана, а уменьшить г невозможно, то увеличить IR_BXможно 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 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 сопротивление 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 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. 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 , 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 стеклянныемикроэлектроды. Профиль такого электрода изображен на рис., 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.

 

1.3. Датчики медико-биологической информации

 

Многие медико-биологические характеристики нельзя непосредственно «снять» электродами, так как эти характеристики не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим сигналом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической величине (например, пульс). В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи).

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи, называется первичным.

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 на расстояние и регистрировать. Датчики подразделяются нагенераторные и параметрические.