ДАТЧИКИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

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, 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 измерительная величина, т.е. первый в измерительной цепи, называется первичньм.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Использование электрического сигнала предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные - это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некоторые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны:

1) пьезоэлектрические, пьезоэлектрический эффект (см. гл. 14);

2) термоэлектрические, термоэлектричество (см. гл. 15);

3) индукционные, электромагнитная индукция (см. гл. 17);

4) фотоэлектрические, фотоэффект (см. 27.8).

Параметрические - это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр:

1) емкостные, емкость;

2) реостатные, омическое сопротивление;

3) индуктивные, индуктивность или взаимная индуктивность.

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

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодат-чик) - для измерения перемещения или деформации и т.д.

Приведем возможные медико-биологические применения указанных типов датчиков (табл. 21.1).

Датчик характеризуется функцией преобразования - функциональной зависимостью выходной величины у от входной х,которая описывается аналитическим выражением у = Дх) или графиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = 1сх.

Таблица 21.1

Примечание. АД - артериальное давление крови; БКГ - баллистокардиограмма; ФКГ - фонокардиограмма; ОГГ - оксигемография; Т - температура; ДЖ - давление в желудочно-кишечном тракте.

Она в зависимости от вида датчика выражается в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) и т.д. Чувствительность последовательной совокупности датчиков равна произведению чувствительности всех датчиков.

Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особенность приводит к зависимости чувствительности датчика от скорости изменения входной величины dx/dt или от частоты при изменении х по гармоническому закону.

При работе с датчиками следует учитывать возможные специфические для них погрешности. Причинами погрешностей могут быть:

1) температурная зависимость функции преобразования;

2) гистерезис - запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике;

3) непостоянство функции преобразования во времени;

4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний;

5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др.

Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма разно-

образна: от простейших (типа термопары) до сложных допплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания - реостатный (резистивный).

Этот датчик (рис. 21.5) выполнен в виде резиновой трубки 1, которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов трубки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника 4.

Если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе - сокращается. При этом изменяется электрический контакт между частицами угольного порошка и соответственно изменяется сопротивление датчика. Сила тока в цепи будет изменяться, что можно зафиксировать, используя соответствующую измерительную схему.

В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.