Глава 21. Система получения медико-биологической информации

Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией соответствующей информации. Несмотря на разнообразие устройств и методов, употребляемых для этой цели, можно указать их общие схемы и принципы действия.

Вопросы, рассматриваемые в главе, частично относятся к кибернетике.

21.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СЪЕМА, ПЕРЕДАЧИ И РЕГИСТРАЦИИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.

Первичный элемент этой совокупности - чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, - непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико-биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений.

Структурная схема измерительной цепи изображена на рис. 21.1. Эта схема является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики.

Завершающим элементом измерительной цепи является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал (см. гл. 22) и передающие его на расстояние.

В структурной схеме X означает некоторый измеряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Гобозначе-на выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для вычисления должна быть известна зависимость Υ = f(X).

21.2. ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СЪЕМА БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Электроды - это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии. В медицине электроды используются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т.п.

Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод-кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды, изображена на рис. 21.2 (8_бп - э.д.с. источника биопотенциалов; r - сопротивление внутренних тканей биологической системы; R - сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; К_вх - входное сопротивление усилителя биопо-

тенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках контура одинакова, имеем

Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя полезным, так как усилитель увеличивает именно эту часть э.д.с. источника. Падение напряжения Ir и IR внутри биологической системы и на системе электрод-кожа в этом смысле бесполезно. Так как 8_бп задана, а повлиять на уменьшение Ir невозможно, то увеличить IR^ можно лишь уменьшением R и прежде всего уменьшением сопротивления контакта электрод-кожа.

Для уменьшения переходного сопротивления электрод-кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод-кожа, т.е. увеличив размер электрода, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей (см., например, рис. 14.15) и истинная картина электрического поля будет искажена.

По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы:

1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы;

2) для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;

3) для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине;

4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях проявится своя специфика применения

электродов: физиологический раствор может высохнуть и сопротивле-

ние изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессознательном состоянии пациента надежнее использовать игольчатые электроды и т.п.

При пользовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них - возникновение гальванической э.д.с. при контакте

электродов с биологической тканью. Другая - электролитическая поляризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возникает встречная по отношению к основной э.д.с.

В обоих случаях возникающие э.д.с. искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приемы относятся к электрохимии и в этом курсе не рассматриваются.

В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов.

Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды - металлические пластинки с клеммами 1 (рис. 21.3), в которые вставляют и закрепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электроды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2. Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет клемму для штыря кабеля отведений.

В микроэлектродной практике используют стеклянные микроэлектроды. Профиль такого электрода изображен на рис. 21.4, кончик его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолятором, внутри находится проводник в виде электролита. Изготовление микроэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности, однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки и проводить внутриклеточные исследования.

21.3. 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.

21.4. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА. РАДИОТЕЛЕМЕТРИЯ

Снятый и усиленный электрический сигнал необходимо передать к регистрирующему (измерительному) прибору.

Во многих случаях электроды или датчики, усилитель и регистрирующий прибор конструктивно оформлены как единое устройство. В этом случае передача информации не является технической проблемой. Од-

нако измерительная часть может находиться и на расстоянии от биологической системы, такие измерения относят к телеметрии или даже несколько уже - к биотелеметрии. Связь между устройством съема и регистрирующим прибором при

Рис. 21.7

этом осуществляется либо по проводам, либо по радио. Последний вариант телеметрии называют радиотелеметрией. Этот вид связи широко используют в космических исследованиях для получения информации о состоянии космического корабля и его экипажа, в спортивной медицине - о физиологическом состоянии спортсмена во время упражнений. Например, с помощью антенны передатчика на шлеме спортсмена, излучающей радиоволны на расстоянии 300-500 м (т.е. в пределах стадиона), можно фиксировать данные о его состоянии.

Радиотелеметрия применяется также для эндорадиозондирования пищеварительного тракта. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Миниатюрная капсула с радиопередатчиком (эндорадиозонд; рис. 21.6) заглатывается больным (рис. 21.7). По измерению частоты передатчика приемником, расположенным вблизи пациента, можно измерять давление, степень кислотности или щелочности, температуру и другие параметры в месте расположения капсулы.

На рис. 21.8 показана схема эндорадиозонда для определения активности пищеварительных ферментов. Он состоит из трех основных частей:

1 - источник напряжения, размещаемый в съемной торцовой насадке;

2 - диск, спрессованный из ферромагнитного порошка и частиц, растворяющихся ферментом; 3 - транзистор и другие детали радиосхемы. Диск расположен в съемной насадке и, так же как источник напряжения, после однократного употребления может быть заменен другим. Принципиальная электрическая схема генератора представлена на рис. 23.1.

Диск прижимается к катушке индуктивности 4 и образует с ней зам-

Рис. 21.8

кнутый магнитопровод. По мере растворения диска пищеварительными ферментами уменьшается индуктивность l цепи и [см. (18.7)] увеличивается частота генератора. Таким образом, по воспринимаемой частоте можно судить об активности ферментов.

Структурная схема эндорадиозонда изображена на рис. 21.9.

В некоторых случаях применяют такие многоканальные устройства, которые позволяют получать, передавать и регистрировать одновременно несколько параметров. Одновременная информация медико-биологического характера существенно расширяет диагностические возможности. В настоящее время обработка такой информации производится с помощью вычислительных машин.

21.5. АНАЛОГОВЫЕ РЕГИСТРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Конечным элементом технической схемы, изображенной на рис. 21.1, является измерительное (контролирующее) устройство, отображающее или регистрирующее медико-биологическую информацию.

Под устройством отображения понимают устройство, которое временно представляет информацию, при появлении новой информации прежняя информация бесследно исчезает. Такими являются, в частности, стрелочные приборы: амперметр, вольтметр и др. Стрелочный амперметр, например, показывает силу тока в данный момент и не фиксирует ее. При изменении силы тока в цепи информация о прежнем значении безвозвратно утрачивается. Для запоминания информации, отображаемой такими устройствами, необходимо специально ее фиксировать, что, например, и делают студенты в физической лаборатории, снимая показания приборов. Медико-биологическое применение устройств отображения достаточно мало: электротермометр сопротивления, частотомер пульса и др.

Значительно большее распространение в медицинской электронике получили регистрирующие приборы, которые фиксируют информацию на каком-либо носителе. Это позволяет документировать, хранить, мно-

гократно использовать, обрабатывать и анализировать полученную медико-биологическую информацию.

Отображающие и регистрирующие приборы подразделяют на аналоговые - непрерывные, дискретные и комбинированные, сочетающие возможности аналоговых и дискретных.

Рассмотрим подробнее наиболее распространенные в практике медико-биологических исследований аналоговые регистрирующие устройства. Некоторые из них называют также самопишущими приборами, или самописцами.

В медицине, биологии и физиологии в основном используются следующие способы регистрации информации на носителе:

а) нанесение слоя вещества (красителя): чернильно-перьевая и струеписные системы;

б) изменение состояния вещества носителя: фоторегистрация, электрохимическая, электрофотографическая (ксерография) и магнитная запись;

в) снятие слоя вещества с носителя: закопченная поверхность, тепловая запись.

Простейшим самописцем, находящим и сегодня применение в физиологическом эксперименте, является кимограф (рис. 21.10), работающий от заведенной пружины, или электрокимограф, равномерное вращение барабана которого осуществляется электродвигателем.

Идея кимографа - равномерное вращение или перемещение поверхности носителя сохраняется в подавляющем большинстве современных аналоговых регистрирующих приборов, фиксирующих временную зависимость исследуемой величины. Смещение y писчика или светового пятна, пропорциональное регистрируемой величине, является ординатой полученного графика (рис. 21.11). Равномерное перемещение носи-

теля (бумага, фотопленка) означает, что абсцисса прямо пропорциональна времени t. В результате полученная кривая отражает зависимость

у = At).

Самопишущие приборы, используемые в медицинской аппаратуре, преобразуют электрический сигнал в механическое перемещение. Физически они являются гальванометрами - высокочувствительными электроизмерительными приборами, реагирующими на достаточно малую силу тока. В этих приборах ток, проходящий по катушкам, проволочной рамке или по петле, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате этого взаимодействия подвижная часть (магнит, проволочная рамка или части петли) отклоняется пропорционально силе тока, т.е. пропорционально электрическому сигналу.

С подвижной частью соединен пишущий элемент, оставляющий след на движущемся носителе записи: специальное капиллярное перо, либо стеклянный капилляр с соплом в струйном самописце, либо зеркальце, отражающее луч света или что-то другое.

В качестве примера на рис. 21.12 схематически изображен струйный самописец. Здесь 1 - электромагнит, через обмотки которого проходит регистрируемый электрический сигнал; 2 - постоянный магнит в форме цилиндра, он жестко связан со стеклянным капилляром 3. Из сопла капилляра 4 под давлением вылетают чернила, оставляя след у, пропорциональный отклонению постоянного магнита и, следовательно, силе тока в электромагните.

Важной характеристикой самописца является диапазон частот колебаний, которые они успевают регистрировать. Чем больше момент инерции подвижной части самописца, тем больше запаздывание регистрации относительно истинного изменения регистрируемой величины, частотная характеристика будет хуже.

Наиболее широкие частотные возможности у аналоговых регистрирующих приборов, называемых светолучевыми (шлейфовыми) осциллографами.

Основной частью светолучевого осциллографа (рис. 21.13) является шлейфовый гальванометр Г, состоящий из постоянного магнита 1, металлической нити в виде петли (шлейфа) 2, по которой протекает регистрируемый электрический сигнал, и зеркальца 3. Луч от осветителя Ос падает на зеркало, отражается и попадает на фотографическое устройство Ф, состоящее из рулона фотопленки и лентопротяжного механизма. Электрический сигнал вызывает пропорциональное ему отклонение шлейфа гальванометра. Равномерное протягивание фотопленки создает временную развертку. Используя специальный отметчик времени, на фотопленке можно получить метки.

Такой осциллограф позволяет регистрировать процессы с частотой приблизительно от 0 до 10 кГц, что значительно перекрывает частотные характеристики медико-биологического сигнала. В основном выпускаются многоканальные светолучевые осциллографы, позволяющие одновременно фиксировать десятки изменяющихся величин. Главным их недостатком является необходимость проявления фотобумаги или фотопленки. В настоящее время выпускается специальная бумага, чувствительная к ультрафиолетовому освещению. Она не требует специальной обработки, однако осветитель должен излучать мощный пучок ультрафиолетовых лучей.

В самопишущих устройствах наряду с обычными погрешностями измерительных приборов возникают также погрешности, обусловленные записью.

Причинами погрешности записи могут быть неточность работы механизма перемещения бумаги или фотопленки, запаздывание, вызванное инерцией пишущей системы прибора, изменение размеров бумаги под влиянием влажности воздуха, неточность отметки времени и др.

Кроме однокоординатных самописцев, фиксирующих временную зависимость, в исследовательской практике получили распространение двухкоор-динатные самописцы.

На рис. 21.14 изображен внешний вид такого самописца модели ПДС-21М. При регистрации поперечная рейка перемещается поступательно, ее смещение пропорционально одному из подаваемых сигналов (параметров) х. Вдоль рейки пропорционально изменению второго параметра у перемещается каретка с писчиком. В результате писчик совершает сложное движение и оставляет на бумаге график функции

у = f(χ).

Рис. 21.14

Наряду с аналоговыми регистрирующими приборами в медицинской практике для фиксирования информации используются и такие безынерционные комбинированные устройства, как электронно-лучевые трубки (см. 23.4).

Так, например, в портативном вектор-кардиоскопе (см. рис. 21.17) электронно-лучевая трубка является основным элементом, который отображает, а при дополнительном фотографировании и регистрирует электро- и вектор-кардиограммы.

Электронно-лучевая трубка относится к группе комбинированных устройств, так как может отображать (при дополнительном фотографировании - регистрировать) выходную информацию не только в аналоговой, но и в дискретной форме (цифры, буквы).

21.6. ПРИНЦИП РАБОТЫ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ, РЕГИСТРИРУЮЩИХ БИОПОТЕНЦИАЛЫ

Биоэлектрические потенциалы являются существенным диагностическим показателем многих заболеваний. Поэтому очень важно, во-первых, правильно регистрировать эти потенциалы, а во-вторых, уметь извлекать из измерений необходимую медицинскую информацию.

Структурная схема медицинских приборов, регистрирующих биопотенциалы, изображена на рис. 21.15. Она является частным случаем общей схемы, показанной на рис. 21.1.

В клинической практике биопотенциалы отводят поверхностными накожными электродами (см. 21.2), запись осуществляется аналоговыми регистрирующими устройствами (см. 21.5). Переход от одних отведений к другим осуществляется специальным переключателем.

Так как биопотенциалы сравнительно медленно изменяются со временем, то в приборах обычно используют усилители постоянного тока

(см. 22.5).

Биопотенциалы, применяемые в электрокардиографии, имеют значение порядка нескольких милливольт, в электроэнцефалографии - микровольт, поэтому для их регистрации необходимо усиление в несколько тысяч раз, что достигается с помощью многокаскадного усиления.

На рис. 21.16 изображен внешний вид портативного электрокардиографа на транзисторах типа ЭК-873, предназначенного для записи электрокардиограммы, а на рис. 21.17 - портативного вектор-кардиоскопа ВЭКС-1п. Этот прибор позволяет вести исследования электрической активности сердца как методом электрокардиографии, так и методом вектор-кардиографии. Процесс наблюдается на экране электроннолучевой трубки, а также может быть сфотографирован.

В некоторых случаях целесообразно одним прибором определять одновременно ряд параметров, например биопотенциалы, отводимые от разных точек головного мозга. При этом используют многоканальные

Рис. 21.18

устройства, состоящие из нескольких независимых усилителей, регистрация по всем каналам фиксируется на общей ленте. На рис. 21.18 показан внешний вид 16-каналь-ного энцефалографа ЭЭГ16-01.

При снятии и регистрации биопотенциалов используют и некоторые вспомогательные устройства, не представленные структурной схемой на рис. 21.15. К ним можно отнести отметчики времени, которые определяют масштаб оси t (см. рис. 21.11). В тех случаях, если лентопротяжный механизм обеспечивает строгое постоянство скорости перемещения носителя, необходимости в отметчике времени нет.

Для определения биопотенциалов, иначе говоря, для определения масштаба оси у (см. рис. 21.11) в единицах напряжения используют калибраторы напряжения. Запись калибровочного напряжения делают до или после записи биопотенциала. При снятии электрокардиограммы используют калибровочный сигнал, равный 1 мВ.