Кореневский Н. А. 6 страница

Терапевтический эффект от постоянного электрического поля достигается при помещении пациентов в поле с высокой разницей потенциалов: от 10 до 100 и более киловольт. Например, процедура электростатического душа предполагает использование источника напряжения с разностью потенциалов 30...40кВ. Фактически человек подвергается воздействию тихого электрического разряда, интенсивность которого зависит от напряжения, прикладываемого между соответствующими электродами. Напряженность электрического поля внутри тела пациента невелика, однако может вызывать явления поляризации молекул в тканях-диэлектриках и микротоки в тканях-проводниках. На поверхности тела образуются статистические заряды. Большое значение в механизме действия постоянного электрического поля придают аэроионному потоку, который образуется на остриях активного электрода и падает на поверхность тела, а также действию на организм вдыхаемого ионизированного и озонированного воздуха. В этом случае аэроионы попадают на поверхность альвеол; заряды, которые они несут, передаются крови и разносятся по всему организму.

В современной электротерапии широко используют импульсные и непрерывные токи различной формы, частоты и скважности (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Временные диаграммы токов, применяемых в медицинской практике: а – фарадический ток от индукционной катушки; б – тетанизирующий; в – ток конденсаторных разрядов; г – прямоугольные импульсы; д – переменный ток с шумовым спектром 20 Гц...20кГц.

Широкое применение находят также «смеси» токов различной амплитуды и частоты. Такие токи называют модулированными (рис. 3.4). Величина импульсов может модулироваться по разным законам. На импульсы могут накладываться постоянные или переменные токи различных частот и различных форм. Воздействия могут осуществляться синусоидальными электрическими токами, суммой токов синусоидальной формы, имеющих разные частоты, модулированными по разным законам, синусоидальными или случайно изменяющимися электрическими токами.

Рис. 3.4 Временные диаграммы модулированных сигналов: а – непрерывный синусоидально-модулированный; б – прерывистый синусоидально-модулированный; в – со смешанной модуляцией; г – импульсно-модулированный

Электрический ток может создаваться электродами, которые устанавливаются на поверхность кожного покрова или вводятся внутрь биологической ткани или естественные полости (в прямую кишку, в мочеиспускательный канал, рот, уши, нос) и подключаются к источнику электрической энергии. В отдельных случаях электрод находится на небольшом расстоянии от кожного покрова, и электрический ток создается за счет разряда через газовый промежуток, имеющийся между ним и кожным покровом.

Классическим примером терапевтической аппаратуры, использующей импульсные стимулирующие последовательности, является аппаратура для электросна.

Известно, что импульсный ток может оказывать как раздражающее, так и тормозящее действие. Метод воздействия на головной мозг импульсным током слабой силы с целью вызвать разлитое торможение, переходящее в обычный сон, называется электросном.

При электросне воздействие на головной мозг осуществляется через электроды, наложенные на закрытые глаза и сосцевидные отростки височных костей, импульсным током прямоугольной формы, при длительности импульсов порядка 0,2...0,5 мс и частоте повторения, регулируемой в пределах от 1-2 до 80...100 имп/с. Частота импульсов подбирается для каждого пациента индивидуально, а ток устанавливается таким, чтобы его прохождение не вызывало болезненных ощущений.

В основе механизма лечебного воздействия высокочастотных колебаний (десятки и сотни мегагерц) лежит первичное действие их на электрически заряженные частицы (электроны, атомы и молекулы) веществ, из которых состоят ткани организма. В действии высокочастотных колебаний традиционно различают две группы эффектов – тепловой и так называемый специфический эффект.

Нагревание тканей токами и полями высокой частоты происходит не за счет передачи тепла, подведенного к поверхности тела, а за счет непосредственного выделения теплоты в расположенных внутри тела тканях и органах.

Специфические эффекты от действия высокочастотных колебаний наиболее сильно проявляются на ультра- и сверхвысоких частотах. Эти эффекты заключаются в различных физико-химических процессах или структурных перестройках, которые могут изменять функциональное состояние клеток тканей. Например, может происходить выстраивание в цепочки, ориентированные параллельно силовым линиям, эритроцитов, лейкоцитов и других клеток и частиц; резонансное поглощение энергии колебаний отдельными макромолекулами и др. Особый интерес вызывают возможные информационные взаимодействия токов крайне высоких частот с клетками и структурами организма.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования в определении терапевтической ценности волн крайне высокого (КВЧ) диапазона с длинами волн 1...10мм, что соответствует частотному диапазону 30...300ГГц. Особый интерес к КВЧ-диапазону основан на современных достижениях в области биофизики, которые позволили сделать два фундаментальных вывода:

1) клетки живых организмов излучают электромагнитные волны КВЧ-диапазона;

2) родственные клетки обмениваются информацией посредством электромагнитных волн КВЧ-диапазона.

При этом установлено, что любые структурные видоизменения мембраны клеток в процессе физиологических или патологических превращений сопровождаются возбуждением генерации электроакустических и электромагнитных волн крайне высокой частоты. Установлено также, что различные типы заболеваний связаны с аномальными отклонениями в интенсивности излучения, которое относится к КВЧ-диапазону.

Воздействие рентгеновского излучения на биообъект определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В медицинской практике с лечебной целью рентгеновское излучение применяют в основном для уничтожения злокачественных образований.

С технической точки зрения получение рентгеновских лучей осуществляют с помощью излучателей, принцип работы которых аналогичен принципу работы рентгеновских трубок, используемых в рентгенодиагностике.

Задачи, которые дополнительно решаются в ренгенотерапии, заключаются в создании фокусирующих узлов, обеспечивающих локальное высокоэнергетическое воздействие на выбираемые, иногда очень небольшие, области биообъекта, в определении и оптимизации доз облучения, когда решается задача обеспечения максимального лечебного эффекта при минимальных лучевых нагрузках.

Лечебные эффекты использования радиоизотопов основываются на механизмах взаимодействия ионизирующих радиоактивных излучений с биообъектом.

Биологическое действие ионизирующего излучения имеет скрытый (латентный) период. При этом различные типы клеток по разному чувствительны к одной и той же дозе ионизирующего излучения. Наиболее чувствительным к действию излучения является ядро клетки. Способность к делению – наиболее уязвимая функция клетки, поэтому при облучении прежде всего поражаются растущие ткани. Это делает ионизирующее излучение особенно опасным для детского организма и для тех тканей взрослого организма, в которых происходит постоянное или периодическое деление клеток (слизистая оболочка желудка и кишечника, кроветворная ткань, половые клетки и др.).

Действие ионизирующего излучения на быстро растущие ткани используют при лечении опухолей.

В медицинской практике широкое распространение получили лазерные приборы которые используются для неразрушающей терапии и как скальпели рассекающие поверхность тела в ходе операций. Особенно лазерные скальпели эффективны при «тонких» операциях, например на глазах.

Более подробно перечисленные и другие типы физических полей и механизмы их взаимодействия с биообъектом изучаются на старших курсах в рамках соответствующих дисциплин.

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В соответствии с принятыми профилями подготовки бакалавров основным объектом изучения являются БТС-М, среди которых наибольшее распространение получила электронная медицинская аппаратура.

Современное состояние технического обеспечения системы здравоохранения характеризуются наличием огромного арсенала различных аппаратов, систем и комплексов, решающих задачи диагностических исследований различных проявлений жизнедеятельности и проведения лечебно-оздоровительных мероприятий.

4.1. Обобщенная классификация медицинских электронных приборов, аппаратов, систем и комплексов

Совокупность приборов, аппаратов, систем, комплексов и приспособлений к ним, в которых реализуются различные физические и физико-химические методы исследований биообъектов (БО), определяют как инструментальные средства медико-биологических исследований. Выполнение этих исследований с помощью технических средств диагностики (ТСД) позволяет получить диагностическую информацию о состоянии объекта в виде множества медико-биологических показателей на основании анализа которой врач строит соответствующее диагностическое заключение.

Инструментальные средства, реализующие различные способы оказания физических воздействий на БО, приводящие к оздоровительным эффектам, составляют вторую группу медицинских приборов, систем и комплексов – группу технических средств воздействия (ТСВ) (рис. 4.1).

Приведенная схема может рассматриваться как классификационная, делящая совокупность медицинской техники на два класса – ТСД и ТСВ.

В ходе эволюции медицинской техники появились другие типы медицинской техники, например технические средства замещения утраченных функций, контроля и управления состоянием окружающей среды и т.д.

Рис. 4.1. Схема взаимодействия средств медицинской техники с биообъектом и исследователем

Это естественно расширяет классификацию средств медицинской техники. В различной литературе можно найти различные способы классификации медицинских приборов, аппаратов, систем и комплексов.

Приведем одну из них.

1. Диагностические приборы и системы – приборы и системы для регистрации и анализа медико-биологических показателей и физиологических процессов, характеризующих различные проявления жизнедеятельности (электрические, акустические, тепловые, механические); приборы и системы для оценки физических и физико-химических свойств биологических объектов; диагностические комплексы и системы; приборы биологической интроскопии; компьютерные томографы и ангиографические системы; системы для психофизических, психофизиологических и психологических исследований.

2. Терапевтические аппараты и системы – аппараты и системы для воздействий электрическим током различной частоты и ионизирующими излучениями (СВЧ-полем, рентгеновским, радиоизотопным), ультразвуковые терапевтические аппараты, средства лазерной терапии, биостимуляторы, аппараты для анальгезии, электронные ингаляторы, аппараты для воздействия на биологически активные точки.

3. Хирургическая техника – лазерный и ультразвуковой «скальпели», аппараты для поддержки кровообращения, наркозно-дыхательная аппаратуры, технические средства для микрохирургии.

4. Технические средства реабилитации и восстановления утраченных функций – искусственные органы, имплантируемые биостимуляторы, биоуправляемые протеза конечностей, технические средства для физкультурно-оздоровительных комплексов.

5. Приборы и комплексы для лабораторно анализа – анализаторы биопроб (физико-механические, физико-химические и атомно-физические), аппаратные методы иммунологических исследований, аналитическая аппаратура в лабораториях санитарно-эпидемиологических станций.

4.2. Элементная база медицинского приборостроения

Основу элементной базы медицинских приборов составляют изделия электронной и электротехнической промышленности широко используемые в других областях человеческой деятельности: радиоэлектроники, вычислительной техники и др.

В простейшем случае это источники электрического напряжения, сопротивления, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды и транзисторы, принцип построения и работы которых рассматривались в школьном курсе физики.

Определим несколько фундаментальных понятий используемых в электротехнике и электронике.

К одному из фундаментальных понятий относят электрическую цепь, под которой понимают совокупность устройств, предназначенных для передачи, распределения и преобразования электрической (электромагнитной) и других видов энергии и информации, если процессы, протекающие в устройствах, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (ЭДС), токе и напряжении.

Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии (и информации), которые соединены между собой проводами.

Электромагнитное поле передается из одной точки пространства в другую вдоль проводов, соединяющих эти точки. Благодаря наличию проводов удается осуществить высокую степень концентрации электромагнитного поля и несомой им энергии в пространстве диэлектрика, окружающего провода. Поэтому приемного пункта достигает почти вся энергия, поступающая на вход линии, соединяющей генератор с потребителем. Лишь относительно небольшая часть ее расходуется (бесполезно теряется) в соединительной линии.

Электрические цепи, в которых основные процессы передачи и преобразования энергии происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, называют цепями постоянного тока.

Если протекающие в электрической цепи процессы меняют свои параметры с течением времени, то такие цепи относят к классу цепей переменного тока, которые в свою очередь могут подразделяться на электрические цепи синусоидального (гармонического) тока, несинусоидального тока, импульсного тока и т.д.

Каждый элемент электрической цепи обладает свойствами поглощать электрическую энергию из цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии (необратимый процесс), создавать свои магнитное и электрическое поля, энергии которых могут накапливаться и при определенных условиях возвращаться обратно в цепь (обратимый процесс). Чтобы охарактеризовать эти свойства, вводят понятие параметров элемента.

Параметр сопротивления R характеризует свойство элемента поглощать энергию из электрической цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии. Известно, что мощность преобразования электрической энергии P пропорциональна квадрату тока, поэтому величина этого параметра определяется отношением .

Свойства элемента цепи создавать собственное магнитное поле (поле самоиндукции), когда в нем имеется электрический ток, характеризуют параметром индуктивности L.

Параметр индуктивности является коэффициентом пропорциональности между током I и потокосцеплением данного устройства: . Его называют коэффициентом самоиндукции и измеряют в Генри (Г).

Емкостный параметр С характеризует свойство элемента накапливать заряды или возбуждать ими электрическое поле. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между напряжением U и зарядом q элемента: .

Основное свойство источника электрической энергии – способность создавать и поддерживать разность потенциалов на отдельных участках цепи, а точнее, возбуждать и поддерживать электрической ток в замкнутой цепи – характеризуют его электродвижущей силой – E.

Прохождение тока по источнику сопровождается потерей энергии внутри источника на нагрев. Эти потери характеризуют параметром сопротивления R. Поэтому параметр сопротивления, наряду с ЭДС, является важнейшим параметром источника. В некоторых случаях в источниках переменного тока учитывают также параметр индуктивности L. Элементы цепи, работу которых можно описать с помощью параметров R, L и C, называют пассивными. Термин «пассивный» подчеркивает, что такие элементы не могут выполнять свое назначение без действия на них посторонних источников.

Элементы цепи, обладающие только одним параметром, называются идеальными. Идеальный источник питания имеет только параметр Е, идеальный индуктивный элемент (идеальная индуктивная катушка) – только параметр L, идеальный емкостной элемент (идеальный конденсатор) – только параметр С. Идеальный резистор имеет только один параметр – сопротивление R.

На рис. 4.2 показаны условные обозначения этих элементов

Рис. 4.2. Обозначения идеальных элементов: источника ЭДС постоянного тока (а), источника ЭДС изменяющегося тока (б), резистивного (в), индуктивного (г), емкостного (д).

Элементы цепи, для описания работы которых, кроме пассивных элементов, необходимо вводить ЭДС, называют активными. К активным элементам относят все источники электрической энергии и некоторые приемники, при описании процессов в которых нельзя ограничиться только пассивными параметрами (аккумуляторы при зарядке, электронные усилители, генераторы и др.).

Электродвижущая сила Е численно равна разности потенциалов () или напряжению (U) между положительными и отрицательными зажимами источника энергии при отсутствии в нем тока независимо от физической природы ее возникновения (контактная ЭДС, термо-ЭДС и т.д.):

Электродвижущую силу Е можно определить как работу сторонних (неэлектрических) сил, присущих источнику, затрачиваемую на перемещение единицы положительного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. Направление действия ЭДС (от отрицательного зажима к положительному) указывается на схеме стрелкой.

Падение напряжения на сопротивлении и ток протекающий через него связаны известным законом Ома: .

Индуктивность постоянному току сопротивления практически не оказывает, но на переменном токе, чем выше его частота, тем выше оказываемое этому току сопротивление.

Емкость наоборот постоянный ток не пропускает, а с ростом частоты переменного тока – ее сопротивление падает.

Диоды и транзисторы относят к классу так называемых полупроводниковых приборов.

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различны.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочным, или p–n – переходами.

К диодам относят полупроводниковые приборы, пропускающие ток в одном направлении. В зависимости от технологических процессов, используемых при изготовлении, различают точечные диоды, сплавные диоды и диоды с диффузной базой. По конструктивным признакам их подразделяют на точечные, плоскостные, планарные и мезадиоды. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, туннельные и т.д. Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p–n – переходов.

На рис. 4.3 показано условное обозначение диода, один из выводов которого называют анодом (А), второй – катодом (К). Аноду соответствует вывод полупроводника p–типа, катоду – n–типа.

Рис. 4.3. Условное обозначение диода

Если к выводам диода приложить положительное напряжение U_АК > 0, сопротивление p–n – перехода становится небольшим, диод открывается и пропускает ток в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_АК < 0 сопротивление резко возрастает, диод закрывается и через него протекает незначительный обратный ток. Этот ток на несколько порядков меньше прямого.

К транзисторам относят полупроводниковые приборы с тремя электродами, которые служат для усиления или переключения сигналов. Для изготовления транзисторов наиболее часто используют кремний и германий. В соответствии с этим различают кремниевые и германиевые транзисторы.

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, класс полупроводниковых приборов, способных усиливать электрические сигналы и управляемых электрическим полем (практически без затрат мощности управляющего сигнала), называют полевыми транзисторами.

При подключении биполярного транзистора к одному переходу прикладывается прямое, к другому обратное напряжение.

Переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а его соответствующий вывод – эмиттером (э). Переход, к которому при нормальном включении приложено обратное напряжение, называют коллекторным, а вывод – коллектором (к). Средний слой называют базой (б).

Допустимо обратное включение переходов, его называют инверным включением. При инверсном включении параметры транзистора сильно изменяются.

У полевого транзистора эквивалентом эммитера является исток, коллектора – сток, а базы – затвор.

На рис. 4.4 показан вариант включения биполярного транзистора в режиме усиления сигнала.

Рис. 4.4 Схема простейшего транзисторного усилителя

Транзистор обладает следующим основными свойствами:

– ток коллектора меньше тока эммитера на величину коэффициента передачи эммитерного тока и определяется соотношением , причем величина не много меньше единицы, поэтому ток коллектора не сильно отличается от тока эммитера;

– изменение напряжения перехода база-эммитер (U_бэ), например за счет изменения напряжения e прилагаемого к этому переходу приводит к изменению I_э, а следовательно и I_к;

– ток коллектора связан с током базы соотношением, где - коэффициент усиления по току, и при получается эффект усиления входного тока формируемого источником e и сопротивлением от источника .

Транзистор является нелинейным элементом содержащим участок линейности, когда выполняется линейное соотношение и два участка нелинейности. Первый участок формируется когда переход кэ под воздействием большого входного тока полностью откроется, его сопротивление становится практически постоянным и небольшим, что в ряде случаев позволяет считать потенциал коллектора практически равным нулевому потенциалу относительно общей точки и е, обозначенной на схеме символом .

Второй участок формируется при отрицательном или близком к нулю напряжении . В этом случае переход закрывается, ток в базу практически не втикает и в ряде случаев можно считать разорванной цепь между коллектором и эммитором. Работу транзисторов на участках нелинейности используют для построения ключевых схем с двумя состояниями типа включено – выключено, для построения логических и арифметических схем работающим с двоичными кодами (0, 1). Для этого договариваются, например что состоянию 0 соответствует открытый транзистор, когда напряжение на его коллекторе () близко к нулевому потенциалу относительно общего провода (), а состоянию «1» соответствует закрытый транзистор, когда напряжение на его коллекторе близко к напряжению питания - . Такая логика работы многих транзисторов объединенных в одном устройстве позволяет строить сложные вычислительные и логические устройства включая современные вычислительные машины.

Для работы в качестве усителя создают режим работы транзистора в промежутке между участками нелинейности.

Этот режим обеспечивается подборкой тока с помощью резистора . Сопротивление согласует работу входного источника e с цепью базы транзистора.

Транзистор и сопротивление создают выходную цепь усилителя.

Работу транзистора можно рассматривать как работу переменного сопротивления между клеммами э-к величина которого регулируется током базы.

Меняющееся сопротивление перехода к-э меняет ток от источника питания , меняя тем самым . Учитывая, что транзистором реализуется выражение , получаем, что небольшие изменения тока базы приводят к значительным изменениям тока коллектора, а это в свою очередь означает, что малым изменениям входного напряжения e, при правильно выбранном режиме работы транзистора, будут соответствовать значительные изменения за счет энергии источника питания .

Известно, что простейшие схемы усилителей на транзисторах не обеспечивают усиления сигналов, снимаемых с биологических объектов с требуемыми параметрами (коэффициент усиления, погрешность преобразования, стабильность параметров и т. д.).

Для этих целей разработаны специальные элементы усиления состоящие из десятков и сотен транзисторов и других радиоэлементов размещенных в одном корпусе. Такие усилители называемые операционными и измерительными имеют значительный коэффициент усиления (порядка и выше), различные схемы снижения погрешностей работы и два входа прямой и инверсный, что крайне важно для усилителей биопотенциалов. Инверсный вход подает на выход свою долю сигнала с изменением знака, прямой – без изменения знака.

Для обозначения операционных усилителей (ОУ) в структурных, функциональных и принципиальных схемах используют несколько вариантов изображений в виде треугольника (рис. 4.5, а), в виде прямоугольника с треугольником в верхней части поля усилителя (рис. 4.5, б), в виде прямоугольника с буквой А в поле усилителя (рис. 4.5,в).

Рис. 4.5. Условные графические изображения ОУ

Инверсный входной вывод обозначают кружочком.

В медицинских изделиях различного назначения используют три основных схемы включения операционного усилителя: схема инвертирующего усилителя (рис.4.6), схема неинвертирующего усилителя (рис4.7), дифференциальный усилитель (рис. 4.8)

Рис. 4.6 Схема инвертирующего усилителя

Рис. 4.7 Схема неинвертирующего усилителя

Рис. 4.8 Схема дифференциального усилителя

В этих схемах с помощью внешних сопротивлений можно задавать практически любой коэффициент усиления не превышающий коэффициент усиления самого усилителя.

Для схемы рисунка 4.6 справедливо соотношение . Для схемы рисунка 4.7 . Для схемы рисунка 4.8 при .