Эквивалентная схема регистрации биопотенциала

Структурная схема съема, передачи и регистрации биоэлектрических сигналов

Общая структурная схема измерительной цепи для получения и регистрации информации о биологическом объекте приведена на рис. 1.

Рис. 1 Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

Эта схема соответствует всем возможным реальным системам, применяемым в медицине для диагностики и исследования.

Здесь x — некоторый измеряемый параметр биологического объекта, подаваемый на вход системы. Это может быть биопотенциал, давление крови, температура и т. д., y обозначает величину, регистрируемую на выходе измерительным прибором, например, силу тока (мА), напряжение (мВ) или смещение пера (мм) на бумаге регистратора. Для получения количественной информации должна быть известна зависимость y = f(x).

Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие, т.е. увеличивающие по величине начальный сигнал или передающие его на расстояние.

В качестве примера рассмотрим схему получения электрокардиограммы (ЭКГ) с помощью элекрокардиографа.

Она включает в себя следующие элементы:

· электроды, налагаемые на тело пациента и соединенные с кардиографом проводами или через ИК-порт (ИК – инфракрасный);

· дифференциальный усилитель, позволяющий усиливать снимаемый с тела пациента сигнал (ЭКГ), до уровня, обеспечивающего его регистрацию, и уничтожать сигнал помехи;

· регистрирующее устройство, записывающее усиленный сигнал ЭКГ на бумажный носитель или сохраняющий его в электронном виде.

Электроды для съема биоэлектрического сигнала, требования предъявляемые к ним

Электроды — обычно металлические проводники специальной формы, с помощью которых ор­ганы, поверхность кожи и т. д. включаются в электрическую цепь. Электроды применяются как для съема электрических потенциалов, имеющихся в живом организме (получение электрограмм), так и для подведения внешнего электрического воздействия (например, при гальванизации, реографии, электростимуляции, высокочастотной электрохирургии).

В медицине к электродам предъявляют специфические требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, обладать постоянством электрических параметров, эластичностью, прочностью, не давать помех, не оказывать раздражающего действия.

Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для снятия био­электрических сигналов, обусловленных функциональной активностью органов и систем человека или животного, заключается в том, чтобы свести к минимуму потери полезной информации. Биоэлектрические сигналы имеют малую амплитуду — у человека от 0,01 до 50 мВ. Поэтому важнейшее требование к электродам — передать снимаемый сигнал на измерительный прибор после необходимого усиления с минимальными потерями.

Эквивалентная схема регистрации биопотенциала

Рассмотрим эквивалентную схему первичного участка электрической цепи, применяемой для измерения биопотенциалов некоторого биообъекта (рис. 2).

Источник электродвижущей силы (ЭДС) e_БП на этой схеме моделирует источник биопотенциалов с соответствующей амплитудой (например, сердце или мышцу), R_i — переходное сопротивление (сопротивление внутренних тканей кожи и электродов), R_вx — обязательное для усилителя входное сопротивление, I — ток, обусловленный источником биопотенциалов, U_вx — напряжение на сопротивлении R_вx, которое подлежит усилению.

Из закона Ома для последовательной цепи с источником тока (рис. 2) следует, что:

, (1)

. (2)

Подставив (1) в (2), получим:

(3)

Из анализа (3) очевидно, что напряжение на входе усилителя меньше, чем значение информационного сигнала — биопотенциала e_БП (знаменатель в (3) > 1), а также то, что полезный сигнал увеличивается (U_вх ® e_БП) с уменьшением переходного сопротивления R_i и увеличением R_вx.

Придерживаются правила: входное сопротивление усилителей для электрофизиологических исследований должно в 10-20 раз превышать наибольшее возможное электрическое сопротивление объекта.

Рассмотрим способы снижения переходного сопротивления. Оно зависит от типа металла электрода, площади соприкосновения электрода с кожей, свойств кожи. Для чистой сухой кожи переходное сопротивление составляет около 1 МОм. Марлевая прокладка, смоченная физиологическим раствором, снижает его до десятков кОм. Еще более снижают переходное сопротивление специальные электропроводящие пасты. Снижения переходного сопротивления можно также достичь за счет уменьшения удельного сопротивления материала электрода и увеличения площади его контакта с кожей.

Следует также учитывать, что в месте контакта электрода с кожей происходит диффузия электронов из металла в тканевый электролит, и возникает электродный потенциал e, значение которого зависит от вида металла. Электродные потенциалы обоих электродов обязательно должны быть одинаковы, это условие выполняется, если они изготавливаются из одного и того же материала и одинаковым образом накладываются. В противном случае возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на полезный сигнал.

4. Примеры использования электродов в стоматологии

Электромиография. Вид и способ использования электродов зависит от решаемой клинической задачи. Различают три основных вида электромиографии.

1. Интерференционная ЭМГ (поверхностная, суммарная, глобальная). Здесь электроды накладывают на кожу лица. При использовании поверхностных электродов применяются те же методы снижения переходного сопротивления, о которых говорилось выше. При этом следует избегать использования слишком большого количества проводящей пасты, т. к. это может привести к короткому замыканию соседних электродов. Стандартные электроды делаются из стали, серебра, олова, латуни или других металлов в виде двух пластинок или чашечек прямоугольной или округлой формы площадью от 1 до 50 мм², расстояние между центрами электродов примерно 15 мм (рис. 3).

2. Локальная ЭМГ. В этом случае исследования проводят с помощью игольчатых электродов, необходимых для отведения потенциалов от достаточно глубоко расположенных мышц.

Обычно используют концентрические электроды, которые представляют собой тонкую полую иглу диаметром 0,45 мм. В нее вводится проволока, изолированная от внешней оболочки на всем протяжении за исключением самого кончика (рис. 3, IV). Разность потенциалов измеряют между наружной оболочкой иглы и кончиком внутренней проволоки.

3. Стимуляционная ЭМГ. Здесь в процессе исследования стимулируют нерв, иннервирующий данную мышцу, и используют две пары электродов: стимулирующие и регистрирующие. По форме и по методике применения они мало отличаются от обычных поверхностных электродов.

5. Назначение датчиков как элементов общей схемы получения медико-биологической информации. Классификация датчиков

Многие медико-биологические характеристики не являются электрическими величинами (температура, кровяное давление, частота дыхания). Их нельзя «снять» электродами. В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи).

Датчик — устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования и регистрации.

В медицинской практике обычно используются датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Датчики подразделяются на генераторные (активные) и параметрические (пассивные).

Генераторные (активные) датчики под воздействием измеряемого сигна­ла непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некоторые типы этих датчиков и в скобках физические явления, на которых основана их работа:

· пьезоэлектрические (пъезоэлектрический эффект);

· термоэлектрические (термоэлектричество);

· индукционные (электромагнитная индукция);

· фотоэлектрические (фотоэффект).

Параметрические (пассивные) датчики под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо свой параметр. Приведем примеры этих датчиков и изменяемый в каждом случае параметр:

1) емкостные — емкость;

2) реостатные (резистивные) — омическое сопротивление;

3) индуктивные — индуктивность или коэффициент взаимоиндукции.

Пассивные датчики в отличие от активных необходимо включать в электрическую цепь с внешним источником питания.

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

Поиск по сайту: