Реферат: Медицинские датчики

МинистерствообразованияРФ.

ВладимирскийГосударственныйУниверситет.

КафедраРТ и РС.

Курсоваяработа

натему: «Медицинскиедатчики»

покурсу: «Медицинскиепреобразователии электроды».

Выполнил

студент гр. МИД-199

Чирков К. В.

Проверил

преподаватель

Полушин П. А.

Владимир2002.

Содержание:

Введение.

Волоконно-оптические датчики.

Датчики потока.

Датчики давления.

Температурные датчики. Термисторы.

Датчики ЭКГ.

Заключение.

Используемая литература.

Введение.

Различныепреобразователинеэлектрическихвеличин вэлектрическиепрочно занялисвое место вомногих областяхчеловеческогознания, и ужтем более вмедицине. Труднопредставитьсовременноговрача, занимающегосядиагностикойразличныхзаболеванийи их лечением, не опирающегосяна огромноечисло достиженийтаких наук, какрадиоэлектроника, микроэлектроника, метрология, материаловедение.И хотя, датчикиявляются однойиз самых медленноразвивающихсяобластей медицинскойэлектроники, да и всей электроникив целом, ноподавляющеебольшинстводиагностическихи терапевтическихприборов исистем прямоили косвенносодержат множествосамых разныхпреобразователейи электродов, без которых, подчас немыслимаработа этойсистемы. Вото некоторыхтипах датчиковя и попытаюсьрассказатьв представленнойработе. Определеннаясложность, повторюсь, заключаетсяв огромнейшемноменклатурномразнообразиимедицинскихдатчиков, атакже в довольномалом количествепубликаций, касающихсяэтой темы, хотя, быть можетпросто плохоискал.

Волоконно-оптические датчики.

Оптоэлектроника— это довольноновая областьнауки и техники, которая появиласьна стыке оптикии электроники.Следует заметить, что в развитиирадиотехникис самого началаХХ века постояннопрослеживаласьтенденцияосвоенияэлектромагнитныхволн все болеевысокой частоты.Важным моментомв развитииоптоэлектроникиявляется созданиеоптическихволокон. Особенноинтенсивнымиисследованиястали в конце1960-x годов, а разработкав 1970 г. американскойфирмой «Корнинг»кварцевоговолокна с малымзатуханием(20 дБ/км) явиласьэпохальнымсобытием ипослужиластимулом дляувеличениятемпов исследованийи разработокна все 1970-е годы.Оптическоеволокно обычнобывает одногоиз двух типов: одномодовое, в которомраспространяетсятолько однамода (тип распределенияпередаваемогоэлектромагнитногополя), и многомодовое— с передачеймножества(около сотни)мод. Конструктивноэти типы волоконразличаютсятолько диаметромсердечника— световедущейчасти, внутрикоторой коэффициентпреломлениячуть выше, чемв периферийнойчасти — оболочке.В медицинскойтехнике используютсякак многомодовые, так и одномодовыеоптическиеволокна. Многомодовыеволокна имеютбольшой (примерно50 мкм) диаметрсердечника, что облегчаетих соединениедруг с другом.Но посколькугрупповаяскорость светадля каждой модыразлична, топри передачеузкого световогоимпульса происходитего расширение(увеличениедисперсии). Посравнению смногомодовымиу одномодовыхволокон преимуществаи недостаткименяются местами: дисперсияуменьшается, но малый (5...10 мкм)диаметр сердечниказначительнозатрудняетсоединениеволокон этоготипа и введениев них световоголуча лазера.

Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно

следствиеэтого одномодовыеоптическиеволокна нашлипреимущественноеприменениев линиях связи, требующихвысокой скоростипередачи информации(линии верхнегоранга в иерархическойструктуре линийсвязи), а многомодовыечаще всегоиспользуютсяв линиях связисо сравнительноневысокойскоростьюпередачи информации.Имеются такназываемыекогерентныеволоконно-оптическиелинии связи, где пригоднытолько одномодовыеволокна. Вмногомодовомоптическомволокне когерентностьпринимаемыхсветовых волнпадает, поэтомуего использованиев когерентныхлиниях связинепрактично, что и предопределилоприменениев подобныхлиниях толькоодномодовыхоптическихволокон. Напротив, хотя при использованииоптическихволокон длядатчиковвышеуказанныефакторы тожеимеют место, но во многихслучаях их рольуже иная. Вчастности, прииспользованииоптическихволокон длякогерентныхизмерений, когда из этихволокон формируетсяинтерферометр, важным преимуществомодномодовыхволокон являетсявозможностьпередачи информациио фазе оптическойволны, чтонеосуществимос помощьюмногомодовыхволокон. Следовательно, в данном случаенеобходимотолько одномодовоеоптическоеволокно, каки в когерентныхлиниях связи.Тем не менее, на практикеприменениеодномодовогооптическоговолокна приизмерениинетипично из-занебольшой егодисперсии.Короче говоря, в сенсорнойоптоэлектронике, за исключениемдатчиков-интерферометров, используютсямногомодовыеоптическиеволокна. Этообстоятельствообъясняетсяеще и тем, чтов датчикахдлина используемыхоптическихволокон значительноменьше, чем всистемах оптическойсвязи.

Необходимоотметить общиедостоинстваоптическихволокон:

широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);

малый (около 125 мкм) диаметр;

малая (приблизительно 30 г/км) масса;

эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии «переходных разговоров»);

безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);

высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

Впрактикеиспользованияволоконно-оптическихдатчиков имеютнаибольшеезначение последниечетыре свойства.Достаточнополезны и такиесвойства, какэластичность, малые диаметри масса. Широкополосностьже и малые потеризначительноповышают возможностиоптическихволокон, нодалеко не всегдаэти преимуществаосознаютсяразработчикамидатчиков. Однако, с современнойточки зрения, по мере расширенияфункциональныхвозможностейволоконно-оптическихдатчиков вближайшембудущем этаситуация понемногуисправится.

Какбудет показанониже, в волоконно-оптическихдатчиках оптическоеволокно можетбыть примененопросто в качествелинии передачи, а может игратьроль самогочувствительногоэлемента датчика.В последнемслучае используютсячувствительностьволокна кэлектрическомуполю (эффектКерра), магнитномуполю (эффектФарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям(например, кизгибу). Многиеиз этих эффектовв оптическихсистемах связиоцениваютсякак недостатки, в датчиках жеих появлениесчитаетсяскорее преимуществом, которое следуетразвивать.

Современныеволоконно-оптическиедатчики позволяютизмерять почтивсе. Например, давление, температуру, расстояние, положение впространстве, скорость вращения, скорость линейногоперемещения, ускорение, колебания, массу, звуковыеволны, уровеньжидкости, деформацию, коэффициентпреломления, электрическоеполе, электрическийток, магнитноеполе, концентрациюгаза, дозурадиационногоизлучения, наиспользованиипучков такихволокон основываетсявся техникаэндоскопии.

Есликлассифицироватьволоконно-оптическиедатчики с точкизрения примененияв них оптическоговолокна, то, ихможно груборазделить надатчики, в которыхоптическоеволокно используетсяв качествелинии передачи, и датчики, вкоторых оноиспользуетсяв качествечувствительногоэлемента. Вдатчиках типа«линии передачи»используютсяв основноммногомодовыеоптическиеволокна, а вдатчиках сенсорноготипа чаще всего— одномодовые.

Спомощьюволоконно-оптическихдатчиков соптоволокномв качествелинии передачможно измерятьследующиефизическиевеличины:

датчиком проходящего типа: температуру (на основе измерения изменения постоянной люминесценции в многомодовых волокнах, в диапазоне 0...70С с точностью 0,04 С );

датчиком отражательного типа: концентрацию кислорода в крови (происходит изменение спектральной характеристики, детектируется интенсивность отраженного света, оптоволокно – пучковое, с доступом через катетер).

Еслиже оптическоеволокно в датчикеиспользоватьв качествечувствительногоэлемента, товозможны следующиеприменения:

интерферометр Майкельсона позволяет измерять пульс, скорость кровотока: используя эффект Доплера можем детектировать частоту биений – используются как одномодовое, так и многомодовое волокна; диапазон измерений: 10-4…108 м/с.

на основе неинтерферометричекой структуры возможно построить датчик, позволяющий определять дозу ионизирующего излучения, используемое физическое явления – формирование центра окрашивания, детектируемая величина – интенсивность пропускаемого света.

Волоконно-оптический датчик проходящего типа.

Волоконно-оптический датчик антенного типа.

Волоконно-оптический датчик отражательного типа.

Подводянекоторый итог, надо сказать, что основнымиэлементамиволоконно-оптическогодатчика, являются: оптическоеволокно, светоизлучающие(источник света)и светоприемныеустройства, оптическийчувствительныйэлемент. Крометого, специальныелинии необходимыдля связи междуэтими элементамиили для формированияизмерительнойсистемы с датчиком.Далее, дляпрактическоговнедренияволоконно-оптическихдатчиков необходимыэлементы системнойтехники, которыев совокупностис вышеуказаннымиэлементамии линией связиобразуютизмерительнуюсистему.

Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков:

а) с изменением характеристик волокна (в том числе специальных волокон)

б) с изменением параметров передаваемого света

в) с чувствительным элементом на торце волокна

Датчики потока.

Ультразвуковыедатчики эффективноиспользуютсядля измеренияпотока вомногих медико-биологическихи промышленныхприменениях.Основным элементомконструкцииультразвуковогодатчика являетсяпьезоэлектрическийизлучателькоротких посылокакустических(упругих) волн.Для измеренияпотока используютсячастоты, лежащиеза пределамислышимогоакустическогодиапазона — вультразвуковойобласти. Работаультразвуковыхдатчиков потокаоснована наодном из двухфизическихпринципов. Вдатчиках первоготипа (измерениевремени прохождениясигнала) используетсятот факт, чтоскорость звука, распространяющегосяв движущейсясреде, равнаскорости относительноэтой среды плюсскорость движениясамой среды.В датчикахвторого типаиспользуетсяизменение(доплеровскийсдвиг) частотыультразвуковойволны при еерассеяниидвижущейсясредой.

В ультразвуковыхизмерителяхпотока используютсяэлектроакустическиепреобразователииз пьезоэлектрическихматериалов, осуществляющиепреобразованиеэлектрическоймощности вакустическиеколебания.Идеальнымпьезоэлектрическимматериаломдля электроакустическогопреобразователяявляется такойматериал, которыйобеспечиваетнизкий уровеньшума, высокуюэффективностьпреобразованияи позволяетсоздать преобразовательс высокойдобротностью.Чаще всего вэлектроакустическихпреобразователяхиспользуетсяцирконат –титанат свинца(ЦТС). Преимуществоэтого материала- очень высокаяэффективностьэлектроакустическогопреобразованияи высокая температураКюри (приблизительно300 oC); последнееуменьшаетвероятностьдеполяризацииматериала впроцессе припаиваниявыводов преобразователя.

Можноизготовитьультразвуковойпреобразовательлюбой формыпосредствомрасплавленияматериала ипоследующейего формовки.Пьезоэлектрическиекристаллыподвергаютсяискусственнойполяризациипутем помещенияих в сильноеэлектрическоеполе при высокойтемпературеи охлажденияв этом полениже температурыКюри. Обычноформируютсяпреобразователив виде дисков, на противоположныеплоские поверхностикоторых наносятсяметаллическиеэлектроды.Через эти электродыгенераторколебанийвозбуждаеткристалл-излучатель.Электродыкристалла-приемникаприсоединенык высокочастотномуусилителю. Дляобеспечениямаксимальнойэффективноститолщина кристаллаобычно выбираетсяравной половинедлины ультразвуковойволны.

Выборрабочей частотыпреобразователяопределяетсяфундаментальнымифизическимифакторами.Конечное значениедиаметрапреобразователяобуславливаетналичие дифракционногораспределенияинтенсивностиультразвуковойволны по аналогиис апертурнойдифракциейв оптике. В областиближнего поляпучок имеетпрактическицилиндрическуюформу, соответствующуюгеометрииизлучателя, и его уширениемало. Однакораспределениеинтенсивностив пучке неоднородно, поскольку здесьвозникаютмногочисленныеинтерференционныемаксимумы иминимумы. Вобласти дальнегополя пучокрасходится, причем интенсивностьультразвуковойволны в пучкеизменяетсяобратно пропорциональноквадрату расстоянияот преобразователя.Эффект расходимостипучка ухудшаетпространственноеразрешение, поэтому областьдальнего поляиспользоватьне рекомендуется.Для обеспеченияработы в областиближнего полянужны большиепреобразователии высокие рабочиечастоты. Впромышленныхпримененияхпространственноеразрешениепри измерениипотока можнополучить, выбираярабочую частотуи размер преобразователятаким образом, чтобы размеробласти ближнегополя приближенносоответствовалдиаметрупотокопровода(кровеносногососуда, например).

Правильныйвыбор рабочейчастоты оченьважен для измерителейпотока крови.Для пучка спостояннымпоперечнымсечением мощностьультразвуковойволны экспоненциальноспадает с расстояниемиз-за ее поглощенияв ткани. С этой точки зренияпредпочтительнеенизкие рабочиечастоты, посколькукоэффициентпоглощенияультразвукаквазилинейнымобразом возрастаетс увеличениемчастоты. С другойстороны, наиболеераспространенныеультразвуковыеизмерителипотока — доплеровскиедатчики потока- работают напринципедетектированиямощностиультразвуковойволны, рассеиваемойдвижущимисякрасными кровянымительцами, причемрассеиваемаямощностьпропорциональначетвертойстепени частоты.Таким образом, в этих измерителяхпотока дляувеличениядетектируемоймощности необходимоувеличиватьрабочую частоту.Компромиссдостигаетсяпри выборерабочей частотыв диапазонеот 2 до 10 MГц.

Датчикпотока, работающийна принципеизмерениявремени прохождениясигнала — одиниз простейшихультразвуковыхизмерителейпотока. Он широкоиспользуетсяв промышленностии пригодентакже дляреспираторныхизмерений иизмеренийпотока крови.Возможен способрасположения, заключающийсяв возможностизакреплятьпреобразователина внешнейповерхноститрубы иликровеносногососуда, чтоисключаетограничениепотока

Преимуществатаких датчиков(измерителей)потока заключаетсяв следующем:1) с их помощьюможно измерятьпотоки самыхразличныхжидкостей игазов, посколькудля проведенияизмерений нетребуетсяналичие в текучейсреде частиц, отражающихультразвук;2) они позволяютопределятьнаправлениепотока; 3) ихпоказаниясравнительнонечувствительнык изменениямвязкости, температурыи плотностейтекучей cреды;4) из всех серийновыпускаемыхизмерителейпотока промышленныеустройстваэтого типаобеспечиваютнаивысшуюточность измерений.

Ультразвуковыеизмерителипотока былиопробованыв качествепневмотахометров- для измерениямгновенногозначения объемногорасхода вдыхаемогоили выдыхаемогогаза. Ультразвуковыепневмотахометрыимеют следующиетеоретическиепреимущества:1) высокое быстродействие;2) широкий динамическийдиапазон; 3)отсутствиедвижущихсячастей; 4) пренебрежимомалое влияниена поток; 5) естественнуюдвунаправленность;6) легкость очисткии стерилизации.В настоящеевремя ультразвуковыепневмотахометрынаходятся всееще в стадииразработки.Есть несколькопроблем, препятствующихуспешномувнедрению этихустройств: 1)низкая акустическаяэффективностьпередачи ультразвукачерез газы; 2)широкий диапазонизмененийсостава, температурыи влажностигаза; 3) неудовлетворительноепониманиеприроды ультразвуковогополя и характераего взаимодействияс движущимсягазом.

В доплеровскихизмерителяхпотока непрерывногодействияиспользуетсяизвестныйэффект изменения(понижения)частоты звука, детектируемогодвижущимсяприемником, удаляющимсяот неподвижногоисточника звука(эффект Доплера).Если излучательи приемникнеподвижны, а движетсяобъект (частицав текучей среде), отражающийультразвуковуюволну, то обусловленныйэффектом Доплерасдвиг частотыпри симметричномрасположениипреобразователейпо отношениюк аксиально-симметричномупотоку рассчитываетсяпо формуле

/>,

где fd — доплеровскийсдвиг частоты;f0 — частотаизлучаемойультразвуковойволны; u — скоростьобъекта (частицыв текучей среде);c — скорость звука; — уголмежду направлениемизлучения(приема) ультразвуковойволны и осьютрубы иликровеносногососуда. Еслипоток не имеетаксиальнойсимметрии илипреобразователирасположенынесимметрично, то в формулунужно вводитьдополнительныйтригонометрическийкоэффициент.

Самоеважное преимуществодоплеровскогоизмерителяпотока непрерывногодействия — возможностьизмерениякровотока спомощью преобразователей, расположенныхна поверхноститела с однойстороны кровеносногососуда. Измерителипотока этоготипа могутработать сжидкостями, содержащимивключения газовили твердыхтел. Можно указатьи ряд другихпреимуществэтих устройств:1) временныезадержки сигналав них минимальныи определяютсяглавным образомхарактеристикамифильтров; 2) приизмерениикровотокапомехи от сигналаэлектрокардиограммы(ЭКГ) незначительны;3) такие устройстваможно устанавливатьв дешевых регуляторахпотока.

Прииспользованиидоплеровскогоизмерителяпотока непрерывногодействия дляполучениясигнала доплеровскогосдвига необходимоналичие в текучейсреде каких-либочастиц. Сигналдоплеровскогосдвига не являетсяодночастотнымгармоническимсигналом, чтообусловленорядом причин:

1. Профильраспределенияскорости попоперечномусечению потока(профиль потока)неоднороден.Частицы движутсяс различнымискоростями, генерируяразличные почастоте доплеровскиесдвиги.

2. Частицаотражаетультразвуковуюволну в течениикороткогопромежуткавремени.

3. Хаотическоевращение частици турбулентностьвызывают различныедоплеровскиесдвиги.

Два другихнедостаткадоплеровскогоизмерителяпотока непрерывногодействия — практическиполное отсутствиеинформациио профиле потокаи невозможностьопределениянаправленияпотока бездополнительнойобработкисигнала.

Импульсныйдоплеровскийизмерительпотока работаетв радарномрежиме и выдаетинформациюо профиле потокатекучей среды.Преобразовательвозбуждаетсякороткимипосылкамисигнала несущейчастоты отгенератора.Этот преобразовательвыполняетфункции излучателяи приемника; отражаемыйсигнал с доплеровскимсдвигом принимаетсяс некоторойвременнойзадержкойотносительномомента излученияпервичногосигнала. Временныйинтервал междумоментамиизлучения иприема сигналаявляетсянепосредственнымуказателемрасстояниядо отражающейчастицы (дальности).Следовательно, можно получитьполную “развертку”отраженийсигнала поперектрубы иликровеносногососуда. Профильскорости впоперечномсечении кровеносногососуда получаетсяв результатерегистрациидоплеровскогосдвига сигналапри различныхвременныхзадержках. Спомощью импульсногодоплеровскогоизмерителяпотока можнооценить диаметркровеносногососуда. Принимаемыесигналы А и Собусловленыотражениямиот ближней идальней стеноксосуда соответственно.Расстояниемежду точками, где происходятэти отражения, непосредственносвязано черезпростые геометрическиесоотношенияс диаметромсосуда.

Аналогичныйпринцип измерениялежит в основеметода ультразвуковогосканированияв амплитудномрежиме (А-режиме)и метода эхо-кардиографии.Ультразвуковойпреобразовательустанавливаетсянапротив участкатела или органа, подлежащегосканированию.Этот преобразовательизлучаетультразвуковойсигнал, испытывающийотражение налюбой неоднородноститкани вдольнаправлениясканирования.Задержка междувременем излученияи приема сигналаможет бытьиспользованадля определенияместа локализацииэтой неоднородностивдоль определенногопути сканирования.

Длительностьизлучаемогоимпульса являетсяважным факторомпри использованииимпульсногодоплеровскогоизмерителядля регистрациикровотока. Видеале этодолжен бытьочень короткийимпульс, чтобыполучить хорошееразрешениепо расстоянию.С другой стороны, для достижениядостаточновысокого значенияотношениясигнал/шум ихорошего разрешенияпо скоростидлительностьэтого импульсадолжна бытьдостаточновелика. Типичныйкомпромиссныйвариант — использованиеимпульсов счастотой повторения8 МГц и длительностью1 мкс.

Доплеровскимизмерительнымсистемам, работающимв импульсномрежиме, присущевнутреннееограничение.Оно выражаетсяв том, что призаданной дальностиограничендиапазон измеряемыхскоростей. Этовынуждаетиспользоватьимпульсы сменьшей частотойповторенияfr Это означает, что нельзяизмерить высокиескорости прибольших расстоянияхдо отражающегообъекта. Спектральноеуширение, котороеможет привестик появлениюв сигналеспектральныхсоставляющихс частотами, превышающиминесущую частоту, а также неидеальностьхарактеристикфильтров нижнихчастот, используемыхдля исключенияэффекта наложенияспектров, приводитк еще болеежестким ограничениями.

В импульсныхдоплеровскихсистемахпреобразователиимеют болеесложную конструкцию, чем в доплеровскихсистемах непрерывногодействия. Любойкристаллическийпреобразовательхарактеризуетсявысокой добротностьюQ (узкой частотнойхарактеристикой)и поэтому послеокончаниявозбуждающегоэлектрическогосигнала довольнодолго осциллируетна своей резонанснойчастоте. Импульсныйдоплеровскийпреобразовательмодифицируетсяпутем добавленияк нему спередиили сзади массивногодемпфера, чтообеспечиваетуменьшение(уширение частотнойхарактеристики)кристалла.Типичные значениямодифицированнойдобротности- от 5 до 15. Прииспользованииодного общегопреобразователяв качествеизлучателяи приемникаотключениеизлучателяосуществляетсяс помощью логическогоэлемента (вентиля).Однокаскадныйлогическийэлемент необеспечиваетнадлежащейразвязки мощногосигнала, возбуждающегоизлучатель, от исключительнослабого принимаемогосигнала. Проблемаразвязки решаетсяпоследовательнымвключениемдвух логическихэлементов.

Прииспользованииимпульсныхдоплеровскихсистем возникаютдополнительныепроблемы и собработкойпринимаемогосигнала. В системадолжна бытьпредусмотренанекотораясхема, обеспечивающаязащиту усилителявысокой частотыот перегрузокво время передачисигнала ипредотвращающаяпоступлениенапряжениягенераторана вход этогоусилителя вовремя приемасигнала. Примеромтакой схемыявляется диоднаяструктура, обладающаянизким сопротивлениемдля высокоуровневогопередаваемогосигнала и высокимсопротивлениемдля слабогопринимаемогосигнала. Измерениепрофилей потокав реальноммасштабе временидостигаетсяпутем использования16 логическихэлементов(селекторовдальности), задающих различныевременныезадержки дляпринимаемогосигнала. Навыходе измерительногоустройстваимеем при этом16 “параллельных”сигналов, соответствующихразличнымточкам в поперечномсечении трубыили кровеносногососуда и определяющихвременнуюзависимостьлокальныхскоростейпотока в этихточках. Профильскорости формируетсяпутем быстрогосканированияпо этим 16 каналам.

Главноепреимуществоимпульсныхдоплеровскихизмерителейпотока — возможностьполученияинформациио профиле потока.Кроме того, вэтих устройствахдетектируютсясигналы, отражаемыечастицами измалых объемовтекучей среды(в силу сканированияпо поперечномусечению потока), и поэтому надетекторы нуляпоступаютсигналы с узкимчастотнымспектром, чтоявляется другимважным преимуществомизмерителейпотока этоготипа. И, наконец, поскольку дляимпульсногодоплеровскогоизмерителяпотока нужентолько одинпреобразователь, выполняющийфункцию, какизлучателя, так и приемника, то это — идеальноеустройстводля измеренийс помощью катетера.Такие измерителииспользуютсядля регистрациикровотока вразличныхучастках кровеноснойсистемы.

Датчики давления.

--PAGE_BREAK--

Датчикидавления семействаSenseon фирмы Motorolaвыбираютпроизводителимедицинскогооборудованияпо всему миру.Они долговечны, точны и надежны.

Датчикдавления фирмыMotorola разработанс использованиеммонолитногокремниевогопьезорезистора, который генерируетизменяющеесяв зависимостиот величиныдавления напряжениена выходе.Резистивныйэлемент, которыйпредставляетсобой датчикнапряжений, ионно имплантированв тонкую кремниевуюдиафрагму.Малейшее давлениена диафрагмуприводит кизменениюсопротивлениядатчика напряжений, что в свою очередьизменяет напряжениена выходепропорциональноприложенномудавлению. Датчикнапряженийявляется составнойчастью диафрагмы, благодаря чемуустраняютсятемпературныеэффекты, возникающиеиз-за разницыв тепловыхрасширенияхдатчика и диафрагмы.Параметры навыходе самогодатчика деформацийзависят оттемпературы, так что прииспользованиив диапазонетемператур, превышающихдопустимыезначения, требуетсякомпенсация.В узких диапазонахтемператур, например от00С до 850С, вэтом качествеможет бытьиспользованапростая резисторнаясхема. В диапазонетемпературот –400С до +1250Спотребуютсярасширенныекомпенсационныесхемы.

Компенсированныеи калиброванные(на чипе). Медицинскийкласс.

Серия

Максимальный уровень давления

Напряжение питания

(V dc)

Допустимое отклонение, mV (Max)

Чувствительность (µV/V/mmHg)

Полное выходное сопротивление Ом (Max)

линейность % от полного диапазона

psi

кПа

(Min)

(Max)

MPX2300DT1 5.8 40 6.0 0.75 5.0 330 -2.0 2.0

СерииМРХ 7050, 7100, 7200

Датчикиэтих серийсочетают в себевсе преимуществасерии МРХ 2000(температурнаякомпенсацияи калибрацияна чипе) с высокимполным входнымсопротивлением(обычно 10 kОм), что делает ихнезаменимымив переносныхустройствах, работающихна аккумуляторах.Эти датчикимогут использоватьсяв приборах, требующихточного определениядавления прималом потребленииэнергии, такихкак переносноемедицинскоеоборудованиеи т.п.

МЕДИЦИНСКИЕДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ(MEDICAL)

Тип датчика

Возможные исполнения (тип корпуса, порта, форма выводов, упаковка)

Рабочий диапазон

Макс. доп. давление

Начальное смещение

Размах выходного напряжения (типовое значение)

Чувствительность

Линейность

Температурный коэффициент начального смещения

Напряжение питания

Ток потребления (типовое значение)

Вых. сопротивление

Pressure Range

Over-divssure

Zero divssure Offset

Full Scale Span (VFSS)

Sensitivity

Linearity

Temperature Effect on Offset

Supply Voltage

Supply Current

Output Impedance

kPa

%VFSS

MPXC2011DT1

0...10 kPa
(75mmHg)

± 1,0

2,5mV/kPa

± 1,0

± 1,0 mV

1,4...3 kΩ

MPX2300D

MPX2300D*
MPX2300DT1
MPX2300DT1-001*

0...300mmHg

± 0,75

2,976...3.036
(3,006)

5,0
mV/V/mmHg

± 1,5

± 9,0mV/°C

330 Ω

*- Датчики, нерекомендованныедля дальнейшегоиспользования
Диапазонрабочих температурвсех медицинскихдатчиков +15°С...+45°С

Таблица3.3 – Некоторыедатчики давленияфирмы MOTOROLA

Device Series

Max Pressure Rating

Over Pressure (kPa)

Offset mV (Typ)

Full Scale (mV/kPa)

Sensitivity (mV/kPa)

Linearity % of FSS (1) (Min) (Max)

KPa

Некомпенсированные

MPX10D

3.5

-1.0

1.0

MPX50D

200

1.2

-0.25

0.25

MPX700D

700

2800

0.086

-0.50

0.50

Компенсированные и калиброванные

MPX2010D

+-1.0

2.5

-1.0

1.0

MPX2700A

700

2800

+-2.0

0.057

-1.0

1.0

MPX2700D

700

2800

+-1.0

0.057

-0.5

0.5

High Impedance (On-Chip)

MPX7050D

200

+-1.0

0.8

-0.25

0.25

MPX7200A

200

400

+-2.0

0.2

-1.0

1.0

MPX7200D

200

400

+-1.0

0.2

-0.25

0.25

Signal Conditioned (On-Chip)

MPX4100A

105

400

4.59

-1.8

1.8

MPX5700D

700

2800

4.5

6.0

-2.5

2.5

MPX5999D

1000

4000

4.7

5.0

-2.5

2.5

Compensated and Calibrated (On-Chip) Medical Grade

MPX2300DT1

0.75

330

-2.0

2.0

5. Температурныедатчики. Термисторы.

Однойиз наиболеераспространенныхзадач промышленной, бытовой и медицинскойавтоматики, решаемых путемтемпературныхизмерений, является задачавыделениязаданногозначения температурыили диапазонатемператур, в пределахкоторогоконтролируемыефизическиепроцессы протекаютнормально, стребуемымипараметрами.Это, в первуюочередь, относитсяк приборам иустройствам, работающимпри температурах, определяемыхусловиямижизнедеятельностичеловека ииспользуемыхим при этомприборов машини механизмов, т.е. –40є +100°С, например, кондиционированиетемпературыжилых, складскихи технологическихпомещений, контроль нагреваразличныхдвигателей, трансмиссий, тормозныхустройств ит.п., системыпожарнойсигнализации,контрольтемпературыв медицине, биотехнологияхи сельскомхозяйстве ипр. В качествечувствительныхэлементов такихсистем в последнеевремя широкоиспользуютсяполупроводниковыетермосопротивленияс отрицательнымтемпературнымкоэффициентомили термисторы(NTC-thermistors). Однако, длярешения задачив целом, т.е.полученияэлектрическогосигнала, возникающегопри повышенииили понижениитемпературыконтролируемогопроцесса дозаданногозначения, термистордолжен бытьснабжен дополнительнымиэлектроннымисхемами, которыеи осуществляютрешение задачивыделениязаданногозначения температуры.В Институтепроблем управленияРАН совместнос фирмой VZ SENSOR Ltd., наоснове полупроводниковыхструктур сL-образнойвольтампернойхарактеристикойбыли разработаныинтеллектуальные(функциональные)термисторы(Z-thermistors), которыеспособны решатьзадачу выделениязаданногозначения температурыбез использованиядополнительныхэлектронныхсхем .

Схемавключенияобычного термистора

СхемавключенияZ-термистора

Z-термисторыпредставляютсобой полупроводниковуюp-n структуру, включаемуюв прямом направлении(+ к p-областиструктуры) вцепь источникапостоянногонапряжения.Структураобладает функциейперехода изодного устойчивогосостояния (смалым током)в другое устойчивоесостояние (в50 — 100 раз большимтоком) при еенагреве дозаданногозначения температуры.Установкатребуемогозначения температурысрабатыванияосуществляетсяпростым изменениемнапряженияпитания. Длительностьперехода структуры(Z-термистора)из одного устойчивогосостояния вдругое 1 — 2 мкс.Схема включенияZ-термисторасостоит изисточникапитания U инагрузочногорезистора R, который одновременнослужит ограничителемтока Z-термисторапри его переходев состояниес большим током(рис.). Выходнойсигнал (бросокнапряжения)может быть сняткак с нагрузочногорезистора R, так и с самогоZ-термистора, но с обратнымзнаком. Как ужебыло сказано,Z-термисторможет бытьнастроен налюбое значениетемпературыв диапазоне–40 -+100°С путемизмененияпитающегонапряженияU. При этом могутбыть изготовленыразные типыZ-термисторов, срабатывающиепри одной и тойже температуреот разных напряженийпитания. Длятого, чтобыразделитьZ-термисторыпо типам, быловведено понятиебазовой температуры.В качествебазовой былопринято значениекомнатнойтемпературы(room temperature) +20°С. ПринципиальноZ-термисторымогут бытьизготовленына любые напряжениясрабатыванияв пределах от1 до 100 В при базовойтемпературе, но для удобствапользователеймы ограничилисьрядом типовыхзначений напряжения, чаще всегоиспользуемыхв электроннойтехнике, а именно:1,5 В; 3 В; 4,5 В; 9 В; 12 В; 18 В;24 В (см. таблицу).

Таблица- ТехническиехарактеристикиZ-термисторовпри температуре+20°C и сопротивлениирезистора R =0.25 + 5 кОм

Тип Z-термистора

TZ-1

TZ-3

TZ-4

TZ-12

TZ-18

TZ-24

Пороговое напряжение

Uth(B)

3+-0,5

4,5+-1

12+-2

18+-3

24+-3

Пороговый ток

Ith(mA)

Вторичное напряжение

Uf(B)

Вторичный ток

If(mA)

>1,5

>1,7

>2,5

>3,5

Выходной сигнал

UR(B)

>0,5 Uth

Рассеиваемая мощность

P(mBт)

Длительность перехода Uth-Uf

t(мкс)

Разрешающая способность

Т(°C)

Чувствительность участка 1

S1(мВ/°C)

>10

>30

Чувствительность участка 2

S2(мВ/°C)

>20

>60

Чувствительность участка 3

S3(мВ/°C)

>200

>400

Быстродействие

Т(сек)

Диапазонрабочих температур:-20 + 100 °C

Диапазонпороговыхнапряжений:60 — 0,5 B

РазмерыZ-термисторов:1 x 1 x 0,3; 2 x 2 x 0,3; 3 x 1,5 x 0,3 mm

МаркировкаZ-термисторов:TZ-(1; 3; 4; 12; 18; 24)

Здесь:T — функциональныйтип сенсора(Thermistor);

Z- физическийпринцип действия(Z-эффект);

(1;3; 4; 12; 18; 24) — пороговоенапряжениепри 20°C

Z-термисторымогут бытьиспользованыне только каквысокоточные, надежные ипростые вэксплуатациисигнализаторызаданногозначения температуры, но также, кактемпературныесенсоры длянепрерывногоизмерениятемпературы, приблизительнов том же диапазоне(-40 — +100°С). Для этогомогут бытьиспользованыучастки 1,2,3 ВАХ(рис.). При этом, зная нижнийи верхний пределыизмеренийтемпературы,(например, длямедицинскоготермометра+34° — +43°С), напряжениепитания выбираетсятаким, чтобызначение токовтермистора, соответствующиеэтим пределамизмерений, находилисьна выбранномучастке ВАХ.ТочностныевозможностиZ-термисторовпри их использованиикак в пороговомрежиме, так ив режиме непрерывныхизмеренийпрактическиполностьюопределяютсястабильностьюпитающегонапряженияи лежат в пределах0,1 — 0,01°С. Большойинтерес спрактическойточки зренияпредставляетсобой возможностьиспользованияZ-термисторовв частотно-импульсномрежиме работы.Для этого параллельноZ-термисторуподключаютемкость С >>0,05 — 0,15 мкФ (рис.), чтовызывает генерациюпилообразныхимпульсовбольшой амплитуды(порядка 0,5 отпитающегонапряжения), частота следованиякоторых пропорциональнатемпературе.

Вольтампернаяхарактеристика(ВАХ) Z-термистора

Многолетниеисследованияне выявиликаких-либопроявленийдеградацииили дрейфарабочих характеристикZ-термисторов.Более чем двукратныйпо отношениюк рабочемудиапазонуперегревZ-термисторовне приводитк их разрушениюлибо к изменениюхарактеристик, что говоритоб их весьмавысокой надежности(робастности).Z-термисторыне имеют аналоговв мировой практикеи технологиейих производстване обладаетни один из западныхпроизводителейэлектронныхкомпонентов.

6. Датчикисъема ЭКС.

Все устройствасъема медицинскойинформацииподразделяютна 2 группы: электроды идатчики (преобразователи).Электродыиспользуютсядля съемаэлектрическогосигнала, реальносуществующегов организме, а датчик — устройствосъема, реагирующеесвоим чувствительнымэлементом навоздействиеизмеряемойвеличины, атакже осуществляющеепреобразованиеэтого воздействияв форму, удобнуюдля последующейобработки.Электроды длясъема биопотенциаловсердца принятоназыватьэлектрокардиографическими(электродыЭКГ). Они выполняютроль контактас поверхностьютела и такимобразом замыкаютэлектрическуюцепь междугенераторомбиопотенциалови устройствомизмерения.

Автоматическийанализ электрокардиосигналовв кардиомониторахпредъявляетжесткие требованияк устройствамсъема — электродамЭКГ. От качестваэлектродовзависит достоверностьрезультатованализа, иследовательно, степень сложностисредств, применяемыхдля обнаружениясигнала на фонепомех. Низкоекачество съемаЭКС практическине может бытьскомпенсированоникакими техническимирешениями.

Требования, применяемыек электродамЭКГ, соответствуютосновным требованиямк любым преобразователямбиоэлектрическихсигналов:

по точности восприятия сигнала (минимальные потери полезного сигнала на переходе электрод—кожа и сохранение частотной характеристики сигнала);

идентичность электрических и конструктивных параметров (взаимозаменяемость, возможность компенсации электрических параметров);

постоянство во времени функций преобразования (стабильность электрических параметров);

низкому уровню шумов (обеспечение необходимого соотношения сигнал—шум).

малому влиянию характеристик электродов на измерительное устройство.

Как показалоприменениепервых кардиомониторов, обычные пластинчатыеэлектроды ЭКГ, широко используемыев ЭКГ, не удовлетворяюттребованиямдлительногонепрерывногоконтроля ЭКСиз-за большогоуровня помехпри съеме.

Эхокардиографиейназываетсяметод изучениястроения идвижения структурсердца с помощьюотраженногоультразвука.Получаемоепри регистрацииизображениесердца называетсяэхокардиограммой(ЭхоКГ). ВпервыеЭхоКГ былазарегистрированав 1954 г. шведскимиучеными Эдлероми Херцем; своесовременноеназвание методполучил в 1965 г.по предложениюАмериканскогоинститутаультразвукав медицине.

Физическиепринципы методаоснованы натом, что ультразвуковыеволны проникаютв ткань и частичнов виде эхосигналаотражаютсяот границ различнойплотности.Волны ультразвуковойчастоты генерируютсядатчиком, обладающимпьезоэлектрическимэффектом иустанавливаемымнад областьюсердца, отраженныеот структурсердца эхосигналывновь превращаютсядатчиком вэлектрическийимпульс, которыйусиливается, регистрируетсяи анализируетсяна экраневидеомонитора.Одновременнополученныерезультатымогут фиксироватьсяна фотопленке, специальнохимическиобработаннойбумаге или спомощью поляроиднойкамеры в видефотоизображений.Частота ультразвуковыхволн, используемыхв эхокардиографии, колеблетсяот 2 до 5 МГц, длина— 0,7-1,4 мм; они проникаютв тело на глубину20-25 см. Датчикработает вимпульсномрежиме: 0,1% времени— как излучатель,99,9% — как приемникимпульсов.Такое соотношениевремени передачии приема импульсовпозволяет вестинепрерывноенаблюдениена экраневидеомонитора.Для выделенияотдельных фазсердечногоцикла синхроннос ЭхоКГ регистрируютсяЭКГ, ФКГ илисфигмограмма.

В настоящеевремя помимоодномернойэхокардиографии, позволяющейанализироватьстроение идвижение структурсердца — М-режим(от лат. motio— движение), используетсядвумерная вреальном масштабевремени и начинаетсяприменениетрехмерной, объемной, эхокардиографии.

Фонокардиографияпредставляетсобой методграфическойрегистрациизвуковых процессов, возникающихпри деятельностисердца.

Фонокардиографявляется аппаратом, регистрирующимзвуковые процессысердца. Обычноодновременнос фонокардиограммой(ФКГ) регистрируетсяЭКГ, позволяющаячетко определитьсистолическийи диастолическийинтервалы.

Фонокардиографлюбого типасостоит измикрофона, электронногоусилителя, фильтров частоти регистрирующегоустройства.Микрофон преобразуетзвуковую энергиюв электрическиесигналы. Ондолжен обладатьмаксимальнойчувствительностью, не вноситьискажений впередаваемыесигналы и бытьмаловосприимчивымк внешним шумам.По способупреобразованиязвуковой энергиив электрическиесигналы микрофоныфонокардиографовразделяютсяна пьезоэлектрическиеи динамические.

Принципдействияпьезоэлектрическогомикрофонаоснован напьезоэлектрическомэффекте —возникновенииразности примеханическойдеформациинекоторыхкристаллов(кварца, сегнетовойсоли и др.). Кристаллустанавливаетсяи закрепляетсяв корпусе микрофона, чтобы под действиемзвуковых колебанийон подвергалсядеформации.

В настоящеевремя чащеиспользуютсядинамическиемикрофоны.Принцип ихдействия основанна явленииэлектромагнитнойиндукции: придвижении проводникав поле постоянногомагнита в немвозникает э.д. с., пропорциональнаяскорости движения.На крышке микрофонанаклеено кольцоиз эластичнойрезины, благодарячему микрофонплотно накладываетсяна поверхностьгрудной клетки.Через отверстияв крышке динамическогомикрофона звуквоздействуетна мембрану, сделанную изтончайшейпрочной пленки.Соединеннаяс мембранойкатушка перемещаетсяв кольцевомзазоре магнитнойсистемы микрофона, вследствиечего появляетсяэ. д. с.

Электрическийсигнал подаетсяна усилительв задачу котороговходит не простоусилить всезвуки в равнойстепени, а вбольшей мереусилить слабыевысокочастотныеколебания, соответствующиесердечнымшумам, и в меньшеймере низкочастотные, соответствующиесердечнымтонам. Поэтомувесь спектрразбиваетсяна диапазонынизких, среднихи высоких частот.В каждом такомдиапазонеобеспечиваетсянеобходимоеусиление. Полнуюкартину звукомсердца получаютпри анализеФКГ, полученныхв каждом диапазонечастот.

В отечественныхприборах используютсяследующиечастотныехарактеристикипри записи ФКГ: А — аускультативная(номинальнаячастота 140±25Гц), Н — низкочастотная(35±10 Гц), С1— среднечастотная-1(70±15 Гц), С2— среднечастотная-2(140±25 Гц), В— высокочастотная(250±50 Гц).

Для регистрацииполученныхсигналов используютрегистрирующиесистемы, имеющиемалую инерцию(оптическуюили струйную).

Заключение.

Вданной работебыла сделанапопытка рассмотретьотдельные типымедицинскихдатчиков, изучитьфизическиепринципы ихработы, познакомитьсяс конкретнымимарками ипредприятиями-изготовителями.О трудностях, встреченныхпри написанииэтой работыбыло уже указановыше (введение).В процессевыполнениябыли полученынавыки работысо справочнойлитературой, периодическимиизданиями, использовалисьи электронныевиды информации(internet).

8. Используемаялитература.

1.Минкин Р. Б., ПавловЮ. Д. Электрокардиографияи фонокардиография.—

Изд.2-е, перераб. идополн. — Л.: Медицина, 1988. —256 с.

2.Виглеб Г. Датчики.Устройствои применение: Пер. с нем. — М.: Мир, 1989.

3.Бриндли К.Измерительныепреобразователи./Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат,1991.

4.Окоси Т. и др.Волоконно-оптическиедатчики.

5.А. Бондер, А. В.Алферов — «Измерительныеприборы»

еще рефераты

Еще работы по медицине

Реферат по медицине

Аэротерапия и бальнеотерапия

1 Сентября 2013