Блок-схема медицинской аппаратуры. Генераторы электрических сигналов

БЛОК-СХЕМА МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ.

Традиционная схема получения и регистрации медико-биологической информации без применения ЭВМ представлена на рис.:

Блоки, изображенные на схеме, соединяются каналом связи, по которому проходит информация. В блоках и канале связи возникают искажения информации - помехи. Передатчик и приемник необходимы только в том случае, если регистрирующее устройство невозможно соединить проводами с устройством съема. Устройство съема обеспечивает получение сигналов, связанных с процессами, происходящими в живом организме.

 Электрические сигналы биообъектов регистрируются электродами. Для преобразования неэлектрических сигналов в электрические служат датчики. Если сигнал, снимаемый электродами или получаемый от датчиков, имеет малую мощность, недостаточную для приведения в действие регистрирующего устройства, его нужно усилить.                 

Регистрирующим устройством в этой схеме может быть стрелочный или цифровой прибор, самописец, осциллограф, дисплей.

Устройство съема, усилитель и регистрирующее устройство конструктивно выполняются в виде одного прибора (реограф, кардиограф).

Основные рабочие параметры:

Рабочий диапазон прибора - это диапазон от наибольшего до наименьшего значения величины, которые прибор способен измерить.

Например, частотомер ритма сердца имеет рабочий диапазон от 0 до 5 Гц. (60 ударов в мин означают частоту 1 Гц).

Чувствительность - связывает значение физиологического показателя с реакцией регистрирующего устройства. Например, дисплей кардиомонитора может иметь чувствительность 1 мВ/см. Зная чувствительность, можно определить величину биопотенциалов по высоте зубца относительно линии нулевого потенциала.

Погрешность прибора - определяет минимальное значение величины, которое прибор может измерить. Знать погрешность необходимо. Например: давление крови в аорте - l00ммHg, а в венах - 5-2 ммHg. Прибор с погрешностью 2 ммHg можно использовать для измерения давления в аорте, но он не годится для определения давления в венах.

Стабильность - это способность сохранять рабочие параметры длительное время после калибровки. Калибровка осуществляется при помощи стандартного воздействия на вход прибора.

Частотный диапазон: Спектр исследуемого сигнала содержит гармоники с частотами, занимающими некоторый интервал. Для того, чтобы сигнал не искажался, необходимо, чтобы все гармоники сигнала преобразовывались одинаково.

Частотным диапазоном называется интервал частот, в котором гармоники преобразуются одинаково (примерно одинаково).

Устойчивость к помехам. Помеха - любое искусственно вызываемое изменение измеряемого показателя. При регистрации ЭКГ помехи могут возникать из-за того, что тело пациента может в качестве антенны улавливать внешнее электромагнитное поле (наводки), активация мышцы под электродом приводит к наложению миограммы на ЭКГ и искажению последней. Помехи могут генерироваться также и внутри самого прибора. Конструкция прибора должна предусматривать борьбу с помехами, а врач должен уметь отличать полезный сигнал от сигнала, искаженного помехами.

ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.

Усилителем называется электронное устройство, увеличивающее мощность входного сигнала. Рассмотрим принцип усиления на основе эквивалентной схемы простейшего усилителя (рис.1).

  

Усилитель представляет собой активный четырехполюсник, т.е. устройство, содержащее источник энергии ε. Входной сигнал используется для управления источником энергии. Роль переменного сопротивления в реальной схеме играют электронная лампа или транзистор R*, у которых под воздействием управляющего сигнала практически безынерционно изменяется сопротивление постоянному (от источника) току.

Это изменение сопротивления может осуществляться в очень широких пределах при очень малых затратах энергии (энергия сигнала). Убедиться в том, что под действием сигнала изменяется сопротивление усилительного элемента, можно на примере лампового триода - ток через лампу растет при постоянном напряжении на аноде с ростом потенциала на сетке и уменьшается с уменьшением потенциала на сетке.

Сопротивление R ставится для предохранения источника тока от короткого замыкания при уменьшении сопротивления усилительного элемента до нуля.

В случае идеального усилителя выходное напряжение (сигнал) отличается от входного только по амплитуде, если сигнал гармонический. Для сложного сигнала его форма, его частотный состав не должен меняться, т.к. при этом исказилась бы информация, содержащаяся в сигнале. Идеальный усилитель должен одинаково увеличивать амплитуды всех гармоник сложного сигнала.

Работа усилителя оценивается по коэффициенту усиления. Для усилителя напряжения коэффициент усиления в случае синусоидального сигнала равен:

 

где Uвых - амплитуда выходного напряжения, Uвход - амплитуда входного напряжения.

Предполагается, что при отсутствии входного сигнала, выходной равен нулю. Формула приведена для коэффициента усиления по напряжению, но нужно помнить, что все усилители в конечном итоге увеличивают мощность сигнала. Для нормального усилителя К>>1, в этом его отличие от пассивного четырехполюсника. Величина коэффициента усиления ограничена, так как Uвых ≤ ε

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов K = K₁K₂ …K_n

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала, т.е. сохранение информации, содержащейся в сигнале.

Отклонением формы выходного сигнала от формы входного сигнала называют искажениями.  Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму сигнала, но причины их появления различны.

Нелинейные искажения - проявляются в том, что при усилении сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является синусоидальным. Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой.

Амплитудная характеристика усилителя—это зависимость напряжения (или тока, мощности) на выходе усилителя от напряжения (или тока, мощности) на его входе. В реальных усилителях эта зависимость нелинейная (рис.2).

  

Из рисунка видно, что только средняя часть амплитудной характеристики представляет собой прямую линию, а при малых Uвх и при больших Uвх зависимость нелинейная, т.е. только в области от Umin до Umax коэффициент усиления постоянен и имеет место прямая пропорциональность между Uвыx и Uвх.

Если Uвыx = f(Uвx), т.е. график не прямая линия, как для идеального усилителя, форма выходного сигнала будет отличаться от формы входного, даже если он гармонический. Вспомним, что пассивные четырехполюсники не искажают гармонический сигнал.

Область от 0 до Umin - это область электрических шумов и других помех. Если сигнал не превышает Umin, то его нельзя выделить из помех.

Нелинейные искажения обязательно возникают при достаточно большом входном сигнале, к тому же большой входной сигнал опасен для усилителя, особенно для полупроводникового, т.к. может вывести из строя усилительные элементы.