- Медико-биологиялық ақпаратты алу және тіркеу құрылыстарының жалпы сызба нұсқалары
Медицинада қолданылатын құралдар мен аппараттардың негізін медициналык электроника құрайды. Электроника – өткізгіштерде және жартылай өткізгіштерде өтетін электрлік құбылыстар туралы ілім. Медициналык электроникаға электрондық құралдарды аппараттарды және жүйелерді жасау және оларды медицинада қолдану мәселелері кіреді. Электрондық құралдардың жұмыс принципі электр зарядтарының вакуумда, газда немесе қатты денелердегі қозғалысына негізделген.
Электрондық құралдардың көмегімен энергияны біртүрден екінші түрге түрлендіруге болады. Мысалы, жарык сәулесінің энергиясын электр энергиясына айналдыруға; жылдамдық температура және қысым сияқты электрлік емес шамаларды электр сигналдарына түрлендіруге болады.
Медициналық электрондықтехника медико-биологиялык ақпаратты алуға, тіркеуге және таратуға қолдануымен қатар адам ағзасына әсер ету үшін де (физиотерапияда және электрохирургияда) кеңінен қолданылады.
Медициналық электрондық аппараттардың дамуының басты бағыты — күрделі жүйе түрінде карастыру, блоктары мен бөлшектерін стандарттау, көлемін кішірейту, тұтынатын электр энергиясын азайту, беріктігін арттыру және басқару жүйесін қарапайым ету.
Қолдану бағытына байланысты электрондық-медициналық аппа-раттарды шартты түрде мынандай үш топка бөлуге болады (схеманы караңыз): функционалдык диагностика, емдеу мақсатында адам ағза-сына әсер ету (физиотерпаия және электрохирургия), электрондык-есептеуіш машиналар жүйесі.
Функционалдық диагностикада әдістер үш топка бөлінеді: а) ағза-ның биопотенциалдарын тіркеу (электрография); б) электрлік емес шамаларды тіркеу (фонокардиография, баллистокардиография, сфигмография, реография жәнет. в) эндо-және радиотелеметрия (адам ағзасының функциясын қашықтан бақылау).
Электротерапия және электрохирургия адам ағзасына электрлік факторлармен әсер етіп емдеу мақсатында қолданылады. Бұл топта
тұракты және айнымалы токтар, тұракты электр және магнит өрістері қолданылады.
Электрондық есептеуіш маишнаны қолдану аясы аса кең. Ол мәселені карастыру медициналық биофизиканың шеңберінен бөлек, информатика пәнінің еншісі болады.
- Медико-биологиялық ақпараттардың датчигі
Электродтардеп электртізбегініңбір нүктесін сол тізбектіңекінші нүктесімен қосуға арналған арнайы пішінді еткізгішті айтады.
Биоэлектрлік потенциалдарды алынатын мүшесіне байланысты түрліше атайды. Мысалы, ЭКГ (электрокардиография) — жүрек по-тенциалдарын зерттеу, ЭЭГ (электроэнцефалограф) — мидын биопо-тенциалдарын зерттеу, ЭМГ (электромиография) – жүйке бағанасы мен бұлшық еттердің биопотенциалдарын зерттеу және т.б. әдістер бар. Сонымен катар электродтар адам ағзасына электр сигналдарымен әсер ету үшін де қолданылады. Мысалы: кардиостимулятор — жүректің функционалдык мүмкіншілігін арттыру үшін және адам ағзасына арнайы пішінді электр сигналдарын енгізіп, шығыс жолында сол сигналдың пішіннің өзгеруін диагностикада қолдануға болады.
Қорыта айтқанда, электродтар медицинада мынандай үш бағытта қолданылады:
а) адам ағзасындағы биопотенциалдарды тіркеп оны диагностикада қолдану;
ә) адам ағзасына үздікті электр сигналдарымен әсер ету. Сол аркы-лы жүйенің функционалдық қабілетін арттыру (электростимуляция);
б) адам ағзасына түрліше пішінді (үздікті) сигналдармен әсер етіп, олардың өзгерісін диагностикада қолдану (электродиагностика).
Адам ағзасындағы пайда болатын биопотенциалдар өте әлсіз бола-ды. Сондыктан да оларды диагностикада қолдану максатына жеткізу үшін кушейткіштер қолданылады.
Сигналдарды күшейткенде күшейткіштің кіріс тізбегіндегі ішкі кедергінің (RK) биологиялық жүйенің сыртқы кедергісі мен (Rc) apaқатынасын ескеру керек.
Егер күшейткіштің кірісіндегі ішкі кедергімен (RK) сыртқы кедергі (Rc) тең болса (Rk=Rc) онда күшейтілетін сигналдың максималды қуаты күшейткіштің кірісінде төмендейді. Ом заңына qбойынша
мүндағы sgn– биопотенциал көзінің электр қозғаушы күші (ЭҚК). Осы формуладан ток кушін табамыз
Күшейткіштің кірісіндегі кернеудің (Uk) формуласындағы ток күшінің мәнін орнына коямыз.
Осыдан мынандай қорытынды жасауға болады.
Егер Uk-» 0 болса, онда Rk-» 0 және Rk-><х> онда UK-» sgnолай болса, кіріс тізбегінде ток болмайды, яғни сигнал көзінен ток тарал-майды. Осы мәселе тізбектің ішкі кедергісінің (Rc) мәндерін сәй-кестендіріп алуға мәжбүр етеді. Көпшілік тәжірибелерде ішкі кедергі (RK) сыртқы кедергіден (Rc) 15-20 есе көп болатындай етіп алынады. Күшейткіштің кірісіндегі сыртқы кедергісі деп адам терісі мен электродтың арасында пайда болатын кедергіні айтады. Осы кедергіні өтпелі кедергі деп те атайды.
Өтпелі кедергінің мәні электрод жасалған металдың табиғатына, адам терісінің қасиетіне, электродтың ауданына байланысты болады. Электрод пен құрғактерініңарасындағы өтпелі кедергі өте көп бола-ды. Оны азайту үшін электрод пен терінің арасына физиологиялық ерітіндіге шыланған жұка дәке салынады. Ол кедергіні электродтыңауданын үлкейту арқылы да кішірейтуге болады. Бірақ, электрод-тың ауданы үлкейген сайын оған қоршаған ортаның карсы әсері де өседі, сөйтіп қабылданатын сигналдың пішініне ақау енгізеді. Мысал ретінде ЭЭГ-ны алу үшін қолданылатын электродтардың ауданы ЭКГ-ны алудағы электродтың ауданын өте кішкентай етіп алады.
Тізбектен электр тогы өткенде электрод пен адам терісі арасында пайда болған гальваникалык ЭҚК әсерінен потенциалдар айырымы өзгереді. Гальваникалык ЭҚК негізгі электр козғаушы күшіне қарама-қарсы бағытталады. Осыны электродтың гальваникалық поляризациялануы дейді. Поляризациялану потенциалының көптеген себептері бар және уақыт аралығында кең интервалда өзгереді. Оған әсер ететін себептер мыналар: электродтыңтабиғаты, электролиттің кұрамы, тем-пература және т.б. Осы өзгеріс тіркелетін сигналдың пішініне акау енгізеді. Мәселен, металл электродты электролитке батырғанда металл мен ерітіндінің арасында қажетсіз потенциалдар айырымы пайда бо-лады (электрод потенциалы). Осы поляризацияны азайту үшін элект-родтың материалын және электролиттің құрамын мүкият тандап алу керек. Сондықтан медициналық-биологиялықакпаратты алуға арнал-ған электродтар алтыннан, күмістен, платинадан, палладийдан және т.б. металдар мен металл қоспаларынан жасалынады.
Мысал ретінде қазіргі кезде медико-биологиялык ақпаратты алуда кеңінен қолданылатын кейбір электродтардың қүрылысымен және жұмыс принципімен таныстырайық.
Электродтардың конструкциясы әртүрлі. Мысалы, жалпақ, шар тәрізді, ине тәрізді, сорғышқа бекітілген, терінің астына кіретін және т.б. түрлері бар. Солардың ішінен электрокардиограмманы алу үшін қолданылатын сорғышқа бекітілген және жалпак электродтар-ды, электроэнцефалограмманы алу үшін қолданылатын шар тәрізді электродты және мембрананы зерттеуге арналған микроэлектродтар-ды қарастырайық.
ЭКГ-ні алуға арналған электрод-сорғыштың сырткы беті ретінде (2 а-сурет) желіммен бекітілген жұқа үлбі (пленка) (1) қолданылады. Ол электродты жабыстыруға қолданылады. Сол үлбінің ішіне хлорлы күмістен жасалған қыл сым торы (2) орналастырылады. Қыл сым торы (2) ілгекке (3) бекітілген. Сол ілгектің екінші бетіне сырты аппаратқа косылатын өткізгіш (4) қосылған. Осындай электрод адамның жүрек
тұсына қойылады. Ал адамның аяқ-қолдарына қосылатын электрод-тардың пішіні жалпақ болады. Жоғарыдағыдай хлорлы күмістен жа-салған қыл сымдар (5) қатар-қатар қойылып желімденеді (2, б-сурет) де, олар клеммаға (6) жалғанады. Клемма электродты аппаратпен қосуға арналған.
Электроэнцефалограмманы алу үшін шар тәрізді электрод
қолданылады.
Бұл электроддиаметрі небәрі 1—2 мм металл шар (1) немесе металл цилиндр кеуек резинамен (2) қапталған. Кеуек резина алдын ала арнайы физиологиялық ерітіндіге малынады. Сол физиологиялық ерітіндіэлектрод пен терінің арасындағы негізгі өткізгіш орта болады. Электродқааппаратпен қосуға болатын өткізгіш (3)қосылады.
Қалыпты өлшемдігі жасушалар-дың, жануарлардың нерв талшықтары-ның, скелетбұлшықеттерінің, миокар-да жасушасының және т.б. өте кіші деңгейде пайда болған биопотенциал-дарын өлшеу үшін микроэлектродтар қолданылады. Микроэлектрод үшы аса жіңішке етіп созылған 0,1—0,5 шыны микропипеткадан түрады. Осыған сәйкес келетін металл электрод иілгіш келіпжасуша мембранасыи тесіп өте алмайды, соны-мен қатар ол поляризацияланады. Электродтың поляризациялануын болдырмау үшін поляризацияланбайтын хлорлы күміс (AgCl) тұзымен
қапталған күміс (Ag) кыл сым қолданылады. Осы қысым микропипет-каға қүйылған KC1 немесе NaCl ерітіндісіне батырылады (86, б-сурет). Ерітіндіге салынған екінші электрод — салыстыру электроды — жасушаның сыртқы бетіне орналастырылады. Сигнал түрақтыток күшейткішінентүратын мембраналықпотенциалды өлше-уге арналған аппаратқа (Р) беріледі.
- Датчиктердің тағайындалуы және классификациясы, сипаттамалары. Датчиктердің қателіктері
Датчиктер сыртқы әсердің салдарынан ездерінің электрлік параметрлерін (кедергісін, сыйымдылығын, индуктивтілігін) езгертіп тізбектегі ток пен кернеудің шамасына әсер етеді. Сондықтан олар өлшенетін электрлік емес сигналдарды электрлік сигналғатүрлендіреді. Пайда болған электрлік шамаларды күшейтуге, тіркеуге колдануға болады. Сондықтан датчиктерді түрлендіргіштер деп те атайды.
Датчиктердің типтері, конструкциялық ерекшеліктері түрлендірілетін сигналдың түріне, кірістегі электрлік емес сигналдардың фи-зикалықпараметрлерін және шығыстағыэлектрлік сигналының пішіні мен амплитудасына тәуелді болады.
Датчиктерге берілетін электрлік емес сигналдардын басты түрлері
мыналар:
а) механикалық шамалар – сызықтық және айнымалы қозғалыс,
жылдамдық, үдеу, қысым, тербеліс жиілігі;
б) физикалық шамалар – температура, жарықталу, ылғалдылық;
в) химиялык шамалар — заттың ерітіндідегі таралымы, құрамы;
г) физиологиялық шамалар – тіннің қанмен қамтамасыз етілуі, тыныс алу көлемі, қанның пульстык көлемі және т.б.
Датчиктер активті (генераторлык) және пассивті (параметрлік) болып екіге бөлінеді.
Активті датчиктерде кірістегі электрлік емес сигналдардың әсерінен шығыста электрлік сигналдар пайда болады. Сыртқы әсердің салдарынан активті датчиктер өздері электрлік сигиалдарын қорытып шығарады. Сондықтан оларды генераторлықдатчиктер деп те атайды. Ол сигналдардың жиілігі мен амплитудасы кірістегі электрлік емес сигналдардың жиілігі мен амплитудасына сәйкес келеді. Ондай датчиктерге пьезоэлектрлік, индукциялық датчиктер және термоэлементтер жатады.
Пассивті датчиктер кірістегі электрлік емес сигналдардың әсерінен өздерініңэлектрлік параметрлерін өзгертеді. Электрлік параметрлеріне олардың кедергілері, сыйымдылықтары және индуктивтілігі жатады. Сондықтан ондай датчиктерді параметрлік датчиктер деп те атайды. Пассивті датчиктер сыртқы ток көзі бар электрлік тізбегіне қосылады.
Енді датчиктердің аса көп тараған кейбір түрлерінің жұмыс принципін карастырайық.
Резистивті датчик тыныс алу жиілігін және тыныс алу көлемін аныктауға арналған. Резинатүтік (1) көмір ұнтағымен (2) толтырылған. Датчиктің екі басы адамның кеудесіне (5) бекітіледі.
Датчик ток көзіне өткізгішпен (4) және электродпен (3) қосылады. Тыныс алу кезінде резина түтік созылады да оның көлденең қимасы-ның ауданы кішірейеді. Сол себепті датчиктің кедергісі мына занды-лық бойынша артады.
Мұндағы р — көмір ұнтағының меншікті кедергісі; /— резина түтіктің ұзындығы; S— резина түтіктік көлденең кимасының ауданы.
Датчиктің кедергісінің артуы тізбектегі электр тогының шамасын азайтады. Тыныс алу көлемі неғүрлым үлкен болса, соғүрлым кедергі де үлкен болады, олай болса ток соған сәйкес кемиді және керісінше. Сонымен тізбектегі токтың амплитудасы, оның өзгеру жиілігі тыныс алу жиілігін сипаттайды.
Резистивті датчиктің тағы бір түрінде электр тогының өзгерісін сезгіш элементі ретінде ток өткізетін резина (1) қолданылады. Түтік ток көзіне екі электродтармен (2) және еткізгішпен (3) қосылады. Осындай датчиктің екі басы (4) адамның кеудесіне бекітіледі. Мұндай датчиктің жұмыс принципі жоғарыда қарастыры-лған датчиктін. жұмыс принципімен сәйкес келеді.
- Аналогты тіркеуіш құрылыстар. Үздіксіз ақпаратты тіркеу түрлері және олардың сипаттамалары
Қазіргі клиникалық практикада қан тамырларының ішіндегі және жүрек куысындағы қанның қысымын анықтау үшін электрлік тензо-датчиктер қолданылады. Олардың жұмыс принципі кейбір материал-дардың механикалық деформация әсерінен кедергілерінің өзгеруіне негізделген. Ондай заттарға кремнийорганикалық резина (силикон), нығыздалған шайыр (смола) жәнет.б. жатады. Енді осындай датчиктің жұмыс принципін қарастырайык.
Камерада (К) толып тұрған қозғалыстығы сүйықтың қысымы Р болсын. Осы сүйық М мембранасын иеді. Мембрананың ортасы Д қозғалғышпен қосылған. Ол козғалғыш ұштары С нүктеле-рінде бекітілген шығыршыққа (Ш) ілінген жіңішке қыл сыммен (R) жалғасқан. Қыл сым ұзарғанда онын. кедергісі өзгереді. Қыл сымның үштары өткізгіш (Ө) арқылы елшеуіш аппаратына беріледі.
Пьезоэлектрлік датчиктер, активті датчиктер қатарына жатады. Олар жүрек-қанайналым жүйесінің күйін (пульс, систолалық және диастолалық қысым, жүректің тоны және шуы) және тыныс алу жиілігі мен көлемін анықтауға қолданылады.
Сыртқы күш әсер еткенде (кысқанда немесе созғанда) механикалық деформацияның нәтижесінде кейбір кристалдардың молекулалары
поляризацияланады. Кристалдың қарама-карсы беттерінде қарама-қарсы электр зарядтары пайда болады да олардың арасында потенци-алдар айырымы туындайды. Сыртқы күштің әсері токтағанда электрлік зарядтары «жоғалады», кристалл бастапкы күйіне келеді. Осы кұбылысты пьезоэлектрлік эффект дейді.
Мысалы, кварц кристалы үшін кремнийдің үш атомы және отте-гінің алты атомы, зарядтармен салыстырғанда симметриялы орналас-кан құрылымдық топ құрайды.
Егер осы кристалға қысатын күшпен әсер еткенде жоғарыда ай-тылғандай потенциалдар айырымы пайда болады. Мүндай пьезоэлектрлік эффектіні тура пьезоэффект дейді.
Пьезоэлектрлік кристалл (1) диаметрі 10—15 мм, биіктіктері 3-5 мм болатын таблетка тәріздес қорапқа (2) бекітіледі. Оларға қысатын
күшпен немесе иетін күшпен әсер еткенде пьезоэффект пайда болады.
Артерия тамырларының серпімді күшінің жиілігіне сәйкес келетін потенциалдар айырымы жүректіңсоғу жиілігіне сәйкес келсе, потен-циалдар айырымының шамасы қан қысымын сипаттайды.
Индукциялық датчиктін, жұмыс принципі қозгалмайтын катушканың ортасындағы тұрақты магнит механикалык козғалысқа келгенде тізбекте индукциялық ток пайда болады.
Индукциялықток магнит қоз-ғалмай катушка қозғалысқа кел-генде дс пайда болады. Қораптың козғалмайтын бір кабырғасына катушканы (L) бекітеді. Қарсы қабырғаға үлбі (Ү)тартылған.
Сол үлбіге тұрақты магнит (М) бекітілген. Тұрақты магнит қозғалғанда индуктивтік катушкада индукциялықэлектр қозғаушы күші пайда болады. Оныңжиілігі пульстың жиілігіне, ал амплитудасы қан тамырындағы қан қысымына сәйкес келеді.
Қазіргі кездегі медицинада қолданылатын құралдар мен аппараттардың негізін медициналык электроника құрайды. Медициналык электроникаға электрондық құралдарды аппараттарды және жүйелерді жасау және оларды медицинада қолдану мәселелері кіреді. Электрондық құралдардың жұмыс принципі электр зарядтарының вакуумда, газда немесе қатты денелердегі қозғалысына негізделген
Медициналық электрондық аппараттардың дамуының басты бағыты — күрделі жүйе түрінде карастыру, блоктары мен бөлшектерін стандарттау, көлемін кішірейту, тұтынатын электр энергиясын азайту, беріктігін арттыру және басқару жүйесін қарапайым ету.
Қазіргі клиникалық практикада қан тамырларының ішіндегі және жүрек куысындағы қанның қысымын анықтау үшін электрлік тензо-датчиктер қолданылады. Кез келген медициналық-биологиялық зерттеулерге сәйкес хабарламаны алу және тіркеу, электрлік есесм шамаларды (температура, қысым, қан жүйесіндегі қан қозғалысының жалдамдығын) тіркеу болып табылады. Хабарламаны қабылдаушы кез-келген техниканың жүйедегі бастапқы элемент датчик болып табылады.
