01Hastq_1_2010 (Медицинская техника (лекции))

58

Медицинские приборы измерения и анализа биопотенциалов.

Часть 1 Методики наблюдения и анализа биопотенциалов.

1. Введение

Традиционно для диагностики состояния человека использовалось наблюдение свойств, присущих организму. Температура, цвет лица, пульс, акустические тона и многое другое. Постепенно врачи вооружили себя приборами. В конце 18 века открыто биоэлектричество. Появились приборы измерения биоэлектрических потенциалов. Сегодня практически треть всего парка медицинских приборов приходится на электрокардиографы, энцефалографы, миографы. Образно соотношение разных типов приборов медицинской техники представлено на рис 1.1 Широко использу

Рис 1. Соотношение разных типов приборов медицинской техники.

ется не только наблюдение биопотенциалов, но и воздействие электрическими токами на живой организм. Это область электрофизио

терапевтических приборов. Как для наблюдения, так и для воздействия необходимо знать законы прохождения электрических токов в теле человека. Поэтому минимальные знания теории электрического поля изложены ниже. Причем на уровне простой электротехники. Затем приводятся сведения о типовых формах сигналов разных органов.

Обеспечение четкого усвоения обширного материала становится возможным только при выделении системы начальных понятий. При уяснения основ физиологии органов, сигналы которых мы наблюдаем. Уже потом освоение принципов построения конкретных приборов, направления их развития и специфические для МТ методы контроля, испытаний.

Обьем считается минимально необходимым для подготовки ИТР, выбравших медицинское приборостроение и обслуживание медицинских приборов в качестве своей профессии. Возможно материал будет интересен для аспирантов и любопытствующих врачей. Лекционный материал должен сопровождаться рядом лабораторных и курсовых работ, конкретизирующих восприятие. Все сказанное опробовано в курсе лекций, прочитанных в 1999 – 2009 гг. Курс разбит на два семестра, соответственно часть 1 и часть 2. В части 1 обьединены основы теории электрического поля, описание формы биопотенциалов и изложение методических основ нейромиографии, электрокардиографии, энцефалографии и методиках наблюдения органов сердечно сосудистой системы. Вторая часть обьединяет инженерные и программные вопросы построения приборов наблюдения биопотенциалов. Лекции готовились с использованием замечательных книг Плонси Р. Бар Р. Биоэлектричество /1/, 16 Н атансон И.П. Теория функций 1974 480с. Вудворд Ф.М. Теория вероятности и теория информации с приложениями в радиолокации. Сов. Радио 1955, и книг многих других авторов /2-6/. Исторический материал почерпнут, в основном, из Интернета.

1.1. Открытие биоэлектричества

История наблюдения биоэлектрических потенциалов началась с открытия Л. Гальвани. (рис 1.2)В нашем распределении врачебных специализаций он был гинекологом и очень любознательным человеком. В своей лаборатории он имел учеников, которых, следуя добрым традициям цехового ремесленничества, кормила его супруга. По одним сведениям о

Luidgi Galvani. Л. Гальвани 1737 -1798г. Окончил Болонский университет (Италия). В 22 года стал профессором кафедры. Его первые работы по сравнительной анатомии. В 1771г открыл "живое электричество" (биоэлектри­чество): движение лапки лягушки при прикосновении металлов или проводов электрофорной машины. В 1782г издал курс лекций по гинекологии и акушерству. В 1791г трактат "О силах электричества при мышечных движениях". Вершиной его опытов было наложение нерва одного препарата лягушки на мышцу другого. Воспроизводи­лись циклические сокращения в отсутствии контактов с металлом. Демонстрировал свои опыты по всей Европе.

на первая заметила сокращение лягушачьих лапок, когда вошла в лабораторию. Там столы покрыты цинковыми листами. За каждым столом работало несколько учеников. Случилось так, что один из них крутил электрофорную машину, другой препарировал лягушек. Провод от электрофорной машины случайно касался одной из лапок. Она дергалась. По другим рассказам впервые сокращение препарированных лапок были замечены, когда они развешивались на балконе. Была предгрозовая погода. Перила железные. Иногда лапки дергались. Некоторое время Гальвани исследовал причину: ветер ли, роса или что возбуждает движение? Оказалось, что атмосферное электричество и прикосновение разных металлов. Гипотезы были доказательно проверены. Вскоре он представил на всеобщее обозрение лапку, дергающуюся при наложении цинка, если лапку держать стальным пинцетом. Дергание лапок появлялось и при наложении проводов электрофорной машины. Но Гальвани сделал большее: он взял две лапки и наложил нерв каждой из них на мышцу другой в единое кольцо: лапки дергались попеременно без внешних воздействий. Стало ясно, что нерв проводит раздражение и активизирует мышцу, последняя, кроме движения, вырабатывает свой сигнал и возбуждает другой нерв. Так любознательный и настойчивый ум открыл существование биоэлектричества.

О бщество с уважением относилась к врачам и педагогам, хорошо оплачивало их работу. Любознательность Гальвани, подкрепленная возможностью содержать лабораторию и учеников привела к величайшему открытию человечества. Гальвани широко популяризировал свое открытие, вскоре в каждой аптеке Европы можно было приобрести препарированные лягушечьи лапки для опытов. А племянник Гальвани в Лондоне всенародно заставил сесть труп только что казненного преступника.

Л

Alessandro Volta А. Волта (1745 - 1827гг.) родился в Италии в дворянской семье. В возрасте 19 лет стал учителем физики. Спустя 10 лет профессор. Повторяя опыты Гальвани, сделал открытие «химического» электричества. Изобрел электроскоп и гальваническую батарею - Вольтов столб. Обосновал электрохимическую природу электричества в парах металл - электролит. В 1791г член Лондонского Королевского общества. Потребовались 150 лет, что бы понять общность и различие «живого» и химического электричества.

. Гальвани переписывался с другим великим итальянским ученым 18го века А. Волты. (Рис 1.3) Тот отрыл «химическое» электричество, соединяя медные и цинковые кружки через влажную ткань. Сокращение лапок лягушек было самым чувствительным измерителем. Но природа происходящего долго оставалась непонятна ученым. Изучение электричества продолжалось весь следующий 19й век. По Неве в С-Петербурге уже в 1830 году плавал катер с электрическим мотором. В 1831 г Фарадей открыл связь магнитного поля и электрического тока, затем была создана электромагнитная теория Максвелла, возник телефон, трамвай, в 1870г Г. Герцем показана миру передача электрических сигналов на расстоянии, в 1896г. возникла радиосвязь. И только в пятидесятых годах уже 20 века была окончательно раскрыта тайна биоэлектричества. Изучены деполяризация и реполяризация живых клеток. Эти успехи связаны с именами Эйнштейна (уравнение диффузии), Фика, Нернста, Планка. Ходжкина.

Человек полон электрическими биосигналами и буквально живет ими. Каждая мысль, движение, боль возбуждены появлением и передачей электрических биосигналов. Сегодня их измерение доступно каждому профессионально подготовленному человеку. Область разработки и создания приборов, измеряющих биопотенциалы, очень динамично развивается. Если вопросы собственно сьема и регистрации биопотенциалов решены на уровне, определенном физическими возможностями, то вопросы многоэлектродного сьема, вопросы локализации измерений в заданном участке тела, разделения биосигналов разных зон, измерения координат источников сигналов во многом еще ждут своего решения.

Инженеры научились измерять очень маленькие биопотенциалы - на уровне 0.01 мкВ. Напомним, что чувствительность профессионального радиоприемника составляет десятые доли микровольта, а телевизионного - десятки микровольт. Следует оценить буквально ювелирную работу инженеров по созданию медицинских приборов. Общая структура медицинского прибора, использующего измерение биоэлектрических потенциалов, показана на рис 1.4.

В настоящее время приборы специализированы в соответствие с принятой методикой обследования каждого отдельного органа, хотя представленные на рис 1.4 элементы общие.

2. Закономерности электрических сигналов в дискретных цепях

(Этот раздел можно пропустить знающим электротехнику )

Основные понятия. Электрические цепи. Ток, напряжение, сопротивление (резистор), проводимость. Законы Ома, законы Киргофа. Линейность цепей. Емкость как накопитель зарядов. Реактивные и комплексные сопротивления. Частотные искажения. Переходная и частотная характеристики. Экспонента, как решение дифференциального уравнения цепей из резисторов и емкостей. Преобразование Фурье. Фильтры ФНЧ, ФВЧ.

2
.1 Законы Ома и Киргофа

Знание законов электрических цепей необходимо по трем причинам: 1) медицинские приборы выполняются из сосредоточенных элементов. 2) При расчете потенциалов в теле часто используют замену сплошной среды сетью сосредоточенных элементов. 3) Для цепей сосредоточенных элементов хорошо разработаны законы преобразования сигналов.

Типовые элементы цепей из сосредоточенных элементов показаны на рис 2.1, 2.2. Нас интересуют измерения в цепях, поэтому обязательно в схеме должны присутствовать измерительные приборы, например осциллографы. Кроме того нужны элементы управления, например, выключатели. Детали схем заменяются эквивалентными схемами, как показано на рис 2.1, 2:2)

В

Ом Георг Симон (1787-1854гг), немецкий физик. Учился в университете, с 1806г учитель. Докторская диссертация -1811. С 1833 директор Политехнической школы в Нюрнберге, с 1849 профессор Мюнхенского университета. Основные труды по электричеству, оптике, кристаллооптике, акустике. Проведя серию точных экспериментов, установил (1826) основной закон электрической цепи (Закон Ома). Член Лондонского коро­левского общества.

каждом резисторе напряжение V и ток I связаны законом Ома (рис 2.3): V = I * R,

Киргоф Г.Р. 1824-1887.Математик, физик. 1847г - работа по теории электрических цепей с изложением законов "Киргофа". 1859г (за год до Максвела) - теория равновесного излучения при тепловом движении, 1883г - работы по дифракции электромагнитного поля при его прохождении сквозь отверстие в экране.

Напряжение V отлично от электродвижущей силы (ЭДС) источника, т.к. при протекании тока часть напряжения теряется, "падает" на внутреннем сопротивлении r. Разветвленность электрической цепи может быть произвольно сложной. Такие цепи рассчитываются с использованием законов Киргофа (рис 2.4). Киргоф в сети элементов выделил "узлы" - точки соединения разных элементов и "контура" - произвольно проведенные замкнутые пути протекания токов.

Первый закон Киргофа гласит: В каждом узле сумма токов I равна 0 (сколько тока втекает, столько и вытекает).

Второй закон Киргофа: В каждом контуре сумма попавших в этот контур ЭДС Е равна сумме падений напряжений V на резисторах этого контура.