Измерительные преобразователи

МЕДИЦИНСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ (MEDICAL)

Температурные датчики. Термисторы.

Одной из наиболее распространенных задач  промышленной, бытовой и медицинской  автоматики, решаемых путем температурных  измерений, является задача выделения  заданного значения температуры  или диапазона температур, в пределах которого контролируемые физические процессы протекают нормально, с требуемыми параметрами. Это, в первую очередь, относится к приборам и устройствам, работающим при температурах, определяемых условиями жизнедеятельности человека и используемых им при этом приборов машин и механизмов, т.е. -40? +100°С, например, кондиционирование температуры  жилых, складских и технологических  помещений, контроль нагрева различных  двигателей, трансмиссий, тормозных  устройств и т.п., системы пожарной сигнализации, контроль температуры  в медицине, биотехнологиях и сельском хозяйстве и пр. В качестве чувствительных элементов таких систем в последнее  время широко используются полупроводниковые  термосопротивления с отрицательным  температурным коэффициентом или  термисторы (NTC-thermistors). Однако, для решения  задачи в целом, т.е. получения электрического сигнала, возникающего при повышении  или понижении температуры контролируемого  процесса до заданного значения, термистор  должен быть снабжен дополнительными  электронными схемами, которые и  осуществляют решение задачи выделения  заданного значения температуры. В  Институте проблем управления РАН  совместно с фирмой VZ SENSOR Ltd., на основе полупроводниковых структур с L-образной вольтамперной характеристикой  были разработаны интеллектуальные (функциональные) термисторы (Z-thermistors), которые способны решать задачу выделения  заданного значения температуры  без использования дополнительных электронных схем .

Схема включения обычного термистора

Схема включения Z-термистора

Z-термисторы  представляют собой полупроводниковую  p-n структуру, включаемую в прямом  направлении (+ к p-области структуры)  в цепь источника постоянного  напряжения. Структура обладает  функцией перехода из одного  устойчивого состояния (с малым  током) в другое устойчивое  состояние (в 50 - 100 раз большим  током) при ее нагреве до  заданного значения температуры.  Установка требуемого значения  температуры срабатывания осуществляется  простым изменением напряжения  питания. Длительность перехода  структуры (Z-термистора) из одного  устойчивого состояния в другое 1 - 2 мкс. Схема включения Z-термистора  состоит из источника питания  U и нагрузочного резистора R, который  одновременно служит ограничителем  тока Z-термистора при его переходе  в состояние с большим током  (рис.). Выходной сигнал (бросок напряжения) может быть снят как с нагрузочного  резистора R, так и с самого Z-термистора, но с обратным знаком. Как уже было сказано, Z-термистор  может быть настроен на любое значение температуры в диапазоне -40 -+100°С путем изменения питающего напряжения U. При этом могут быть изготовлены разные типы Z-термисторов, срабатывающие при одной и той же температуре от разных напряжений питания. Для того, чтобы разделить Z-термисторы по типам, было введено понятие базовой температуры. В качестве базовой было принято значение комнатной температуры (room temperature) +20°С. Принципиально Z-термисторы могут быть изготовлены на любые напряжения срабатывания в пределах от 1 до 100 В при базовой температуре, но для удобства пользователей мы ограничились рядом типовых значений напряжения, чаще всего используемых в электронной технике, а именно: 1,5 В; 3 В; 4,5 В; 9 В; 12 В; 18 В; 24 В (см. таблицу).

Z-термисторы  могут быть использованы не  только как высокоточные, надежные  и простые в эксплуатации сигнализаторы  заданного значения температуры,  но также, как температурные  сенсоры для непрерывного измерения  температуры, приблизительно в  том же диапазоне (-40 - +100°С). Для  этого могут быть использованы  участки 1,2,3 ВАХ (рис.). При этом, зная нижний и верхний пределы  измерений температуры, (например, для  медицинского термометра +34° - +43°С), напряжение питания выбирается  таким, чтобы значение токов  термистора, соответствующие этим  пределам измерений, находились  на выбранном участке ВАХ. Точностные  возможности Z-термисторов при  их использовании как в пороговом  режиме, так и в режиме непрерывных  измерений практически полностью  определяются стабильностью питающего  напряжения и лежат в пределах 0,1 - 0,01°С. Большой интерес с практической  точки зрения представляет собой  возможность использования Z-термисторов  в частотно-импульсном режиме  работы. Для этого параллельно  Z-термистору подключают емкость  С 0,05 - 0,15 мкФ (рис.), что вызывает  генерацию пилообразных импульсов  большой амплитуды (порядка 0,5 от питающего напряжения), частота  следования которых пропорциональна  температуре.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) Z-термистора

Многолетние исследования не выявили каких-либо проявлений деградации или дрейфа рабочих  характеристик Z-термисторов. Более  чем двукратный по отношению к  рабочему диапазону перегрев Z-термисторов  не приводит к их разрушению либо к  изменению характеристик, что говорит  об их весьма высокой надежности (робастности). Z-термисторы не имеют аналогов в  мировой практике и технологией  их производства не обладает ни один из западных производителей электронных  компонентов.

Датчики съема ЭКС.

Все устройства съема медицинской информации подразделяют на 2 группы: электроды  и датчики (преобразователи). Электроды  используются для съема электрического сигнала, реально существующего  в организме, а датчик - устройство съема, реагирующее своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющее преобразование этого воздействия  в форму, удобную для последующей  обработки. Электроды для съема  биопотенциалов сердца принято называть электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контакта с поверхностью тела и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и устройством измерения.

Автоматический  анализ электрокардиосигналов в  кардиомониторах предъявляет жесткие  требования к устройствам съема - электродам ЭКГ. От качества электродов зависит достоверность результатов  анализа, и следовательно, степень  сложности средств, применяемых  для обнаружения сигнала на фоне помех. Низкое качество съема ЭКС  практически не может быть скомпенсировано  никакими техническими решениями.

Требования, применяемые к электродам ЭКГ, соответствуют  основным требованиям к любым  преобразователям биоэлектрических сигналов:

* по  точности восприятия сигнала  (минимальные потери полезного  сигнала на переходе электрод-кожа  и сохранение частотной характеристики  сигнала);

* идентичность  электрических и конструктивных  параметров (взаимозаменяемость, возможность  компенсации электрических параметров);

* постоянство  во времени функций преобразования (стабильность электрических параметров);

* низкому  уровню шумов (обеспечение необходимого  соотношения сигнал-шум).

* малому  влиянию характеристик электродов  на измерительное устройство.

Как показало применение первых кардиомониторов, обычные пластинчатые электроды  ЭКГ, широко используемые в ЭКГ, не удовлетворяют  требованиям длительного непрерывного контроля ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.

Эхокардиографией  называется метод изучения строения и движения структур сердца с помощью  отраженного ультразвука. Получаемое при регистрации изображение  сердца называется эхокардиограммой (ЭхоКГ). Впервые ЭхоКГ была зарегистрирована в 1954 г. шведскими учеными Эдлером  и Херцем; свое современное название метод получил в 1965 г. по предложению  Американского института ультразвука  в медицине.

Физические  принципы метода основаны на том, что  ультразвуковые волны проникают  в ткань и частично в виде эхосигнала отражаются от границ различной плотности. Волны ультразвуковой частоты генерируются датчиком, обладающим пьезоэлектрическим эффектом и устанавливаемым над  областью сердца, отраженные от структур сердца эхосигналы вновь превращаются датчиком в электрический импульс, который усиливается, регистрируется и анализируется на экране видеомонитора. Одновременно полученные результаты могут  фиксироваться на фотопленке, специально химически обработанной бумаге или  с помощью поляроидной камеры в виде фотоизображений. Частота  ультразвуковых волн, используемых в  эхокардиографии, колеблется от 2 до 5 МГц, длина - 0,7-1,4 мм; они проникают в  тело на глубину 20-25 см. Датчик работает в импульсном режиме: 0,1% времени - как излучатель, 99,9% - как приемник импульсов. Такое соотношение времени передачи и приема импульсов позволяет вести непрерывное наблюдение на экране видеомонитора. Для выделения отдельных фаз сердечного цикла синхронно с ЭхоКГ регистрируются ЭКГ, ФКГ или сфигмограмма.

В настоящее  время помимо одномерной эхокардиографии, позволяющей анализировать строение и движение структур сердца - М-режим (от лат. motio - движение), используется двумерная  в реальном масштабе времени и  начинается применение трехмерной, объемной, эхокардиографии.

Фонокардиография  представляет собой метод графической  регистрации звуковых процессов, возникающих  при деятельности сердца.

Фонокардиограф  является аппаратом, регистрирующим звуковые процессы сердца. Обычно одновременно с фонокардиограммой (ФКГ) регистрируется ЭКГ, позволяющая четко определить систолический и диастолический интервалы.

Фонокардиограф  любого типа состоит из микрофона, электронного усилителя, фильтров частот и регистрирующего  устройства. Микрофон преобразует звуковую энергию в электрические сигналы. Он должен обладать максимальной чувствительностью, не вносить искажений в передаваемые сигналы и быть маловосприимчивым  к внешним шумам. По способу преобразования звуковой энергии в электрические  сигналы микрофоны фонокардиографов разделяются на пьезоэлектрические и динамические.

Принцип действия пьезоэлектрического микрофона  основан на пьезоэлектрическом эффекте - возникновении разности при механической деформации некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.). Кристалл устанавливается  и закрепляется в корпусе микрофона, чтобы под действием звуковых колебаний он подвергался деформации.

В настоящее  время чаще используются динамические микрофоны. Принцип их действия основан  на явлении электромагнитной индукции: при движении проводника в поле постоянного  магнита в нем возникает э. д. с., пропорциональная скорости движения. На крышке микрофона наклеено кольцо из эластичной резины, благодаря чему микрофон плотно накладывается на поверхность  грудной клетки. Через отверстия  в крышке динамического микрофона  звук воздействует на мембрану, сделанную  из тончайшей прочной пленки. Соединенная  с мембраной катушка перемещается в кольцевом зазоре магнитной  системы микрофона, вследствие чего появляется э. д. с.

Электрический сигнал подается на усилитель в задачу которого входит не просто усилить  все звуки в равной степени, а  в большей мере усилить слабые высокочастотные колебания, соответствующие  сердечным шумам, и в меньшей  мере низкочастотные, соответствующие  сердечным тонам. Поэтому весь спектр разбивается на диапазоны низких, средних и высоких частот. В каждом таком диапазоне обеспечивается необходимое усиление. Полную картину звуком сердца получают при анализе ФКГ, полученных в каждом диапазоне частот.

В отечественных  приборах используются следующие частотные  характеристики при записи ФКГ: А - аускультативная (номинальная частота 140?25 Гц), Н - низкочастотная (35?10 Гц), С1 - среднечастотная-1 (70?15 Гц), С2 - среднечастотная-2 (140?25 Гц), В - высокочастотная (250?50 Гц).

Для регистрации полученных сигналов используют регистрирующие системы, имеющие малую  инерцию (оптическую или струйную). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение.

В данной работе была сделана попытка рассмотреть  отдельные типы медицинских датчиков, изучить физические принципы их работы, познакомиться с конкретными  марками и предприятиями-изготовителями. О трудностях, встреченных при  написании этой работы было уже указано  выше (введение). В процессе выполнения были получены навыки работы со справочной литературой, периодическими изданиями, использовались и электронные виды информации  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Используемая  литература.

1. Минкин  Р. Б., Павлов Ю. Д. Электрокардиография  и фонокардиография. -

Изд. 2-е, перераб. и дополн. - Л.: Медицина, 1988. - 256 с.

2. Виглеб  Г. Датчики. Устройство и применение: Пер. с нем. - М. : Мир, 1989.

3. Бриндли  К. Измерительные преобразователи./ Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Окоси  Т. и др. Волоконно-оптические  датчики.

5. А.  Бондер, А. В. Алферов - "Измерительные  приборы"