Медичні датчики

Медицина, здоров'я

Міністерство освіти РФ.

Володимирський Державний Університет.

Кафедра РТ і РС.

Курсова робота

на тему: « Медичні датчики »по курсу:« Медичні перетворювачі і електроди ».

Володимир 2002.

Зміст:

1. Введення.

2. Волоконно-оптичні датчики.

3. Датчики потоку.

4. Датчики тиску.

5. Температурні датчики. Термістори.

6. Датчики ЕКГ.

7. Висновок.

8. Використана література.

1. Введення.

Різні перетворювачі неелектричних величин в електричніміцно зайняли своє місце в багатьох областях людського знання, і вже тимбільше в медицині. Важко уявити сучасного лікаря, що займаєтьсядіагностикою різних захворювань і їх лікуванням, не спирається навеличезне число досягнень таких наук, як радіоелектроніка,мікроелектроніка, метрологія, матеріалознавство. И хоча, датчики єоднією з найбільш повільно розвиваються областей медичної електроніки, таі всієї електроніки в цілому, але переважна більшість діагностичних ітерапевтичних приладів і систем прямо чи опосередковано містять безлічсамих різних перетворювачів та електродів, без яких, часом немислимаробота цієї системи. Ось про деякі типи датчиків і я спробуюрозповісти в представленій роботі. Певна складність, повторюся,полягає у найбільшій номенклатурному різноманітності медичних датчиків,а також в досить малій кількості публікацій, що стосуються цієї теми, хоча,бути може просто погано шукав.

2. Волоконно-оптичні датчики.

Оптоелектроніка - це досить нова галузь науки і техніки, яказ'явилася на стику оптики та електроніки. Слід зауважити, що в розвиткурадіотехніки з самого початку ХХ століття постійно простежувалася тенденціяосвоєння електромагнітних хвиль все більш високої частоти. Важливим моментом врозвиток оптоелектроніки є створення оптичних волокон. Особливоінтенсивними дослідження стали в кінці 1960-x років, а розробка в 1970р. американською фірмою "Корнінг" кварцового волокна з малим загасанням (20дБ/км) з'явилася епохальною подією і послужила стимулом для збільшеннятемпів досліджень і розробок на всі 1970-і роки. Оптичне волокнозазвичай буває одного з двох типів: одномодове, в якому поширюєтьсятільки одна мода (тип розподілу переданого електромагнітного поля),і багатомодове - з передачею безлічі (близько сотні) мод. Конструктивно цітипи волокон розрізняються тільки діаметром сердечника - световедущей частини,усередині якої коефіцієнт заломлення трохи вище, ніж у периферійній частині
- Оболонці. У медичній техніці використовуються як багатомодові, так іодномодові оптичні волокна. Багатомодового волокна мають великий
(приблизно 50 мкм) діаметр сердечника, що полегшує їх з'єднання один зодним. Але оскільки групова швидкість світла для кожної моди різна, топри передачі вузького світлового імпульсу відбувається його розширення
(збільшення дисперсії). У порівнянні з багатомодовим у одномодових волоконпереваги і недоліки міняються місцями: дисперсія зменшується, але малий
(5 ... 10 мкм) діаметр сердечника значно ускладнює підключення волоконцього типу і введення в них світлового променя лазера.

Внаслідок цього одномодові оптичні волокна знайшли переважнезастосування у лініях зв'язку, що вимагають високої швидкості передачі інформації
(лінії верхнього рангу в ієрархічній структурі ліній зв'язку), абагатомодові найчастіше використовуються в лініях зв'язку з порівняноневисокою швидкістю передачі інформації. Є так звані когерентніволоконно-оптичні лінії зв'язку, де придатні тільки одномодові волокна.
У багатомодовим оптичному волокні когерентність приймаються світлових хвильпадає, тому його використання в когерентних лініях зв'язку непрактично,що й зумовило застосування в подібних лініях тільки одномодовихоптичних волокон. Навпаки, хоча при використанні оптичних волокон длядатчиків вищевказані фактори теж мають місце, але в багатьох випадках їхроль вже інша. Зокрема, при використанні оптичних волокон длякогерентних вимірювань, коли з цих волокон формується інтерферометр,важливою перевагою одномодових волокон є можливість передачіінформації про фазу оптичної хвилі, що нездійсненно за допомогоюбагатомодових волокон. Отже, в даному випадку необхідно тількиодномодове оптичне волокно, як і в когерентних лініях зв'язку. Тим неОднак, на практиці застосування одномодового оптичного волокна привимірі нетипово через невелику його дисперсії. Коротше кажучи, всенсорної оптоелектроніці, за винятком датчиків-інтерферометрів,використовуються багатомодові оптичні волокна. Ця обставинапояснюється ще й тим, що в датчиках довжина використовуваних оптичних волоконзначно менше, ніж в системах оптичного зв'язку.

Необхідно відзначити загальні гідності оптичних волокон:широкосмугового (передбачається до декількох десятків терагерц);малі втрати (мінімальні 0,154 дБ/км);малий (близько 125 мкм) діаметр;мала (приблизно 30 г/км) маса;еластичність (мінімальний радіус вигину 2 MM);механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7 кг);відсутність взаємного впливу (перехресних перешкод типу відомих утелефонії "перехідних розмов");безиндукціонность (практично відсутній вплив електромагнітноїіндукції, а отже, і негативні явища, пов'язані з грозовимирозрядами, близькістю до лінії електропередачі, імпульсами струму в силовиймережі);вибухобезпечність (гарантується абсолютною нездатністю волокна бутипричиною іскри);електроізоляційна висока міцність (наприклад, волокно завдовжки 20 смвитримує напругу до 10000 B);висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників,олив, воді.

У практиці використання волоконно-оптичних датчиків маютьнайбільше значення останні чотири властивості. Досить корисні і таківластивості, як еластичність, малі діаметр і маса. Широкосмужне ж імалі втрати значно підвищують можливості оптичних волокон, але далеконе завжди ці переваги усвідомлюються розробниками датчиків. Однак, зсучасної точки зору, у міру розширення функціональних можливостейволоконно-оптичних датчиків в найближчому майбутньому ця ситуація потрохувиправиться.

Як буде показано нижче, у волоконно-оптичних датчиках оптичневолокно може бути застосоване просто як лінії передачі, а можеграти роль самого чутливого елементу датчика. В останньому випадкувикористовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра),магнітного поля (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску,деформацій (наприклад, до згину). Багато хто з цих ефектів в оптичнихсистемах зв'язку оцінюються як недоліки, в датчиках ж їх появавважається швидше перевагою, що слід розвивати.

Сучасні волоконно-оптичні датчики дозволяють вимірювати майже все.
Наприклад, тиск, температуру, відстань, положення в просторі,швидкість обертання, швидкість лінійного переміщення, прискорення, коливання,масу, звукові хвилі, рівень рідини, деформацію, коефіцієнтзаломлення, електричне поле, електричний струм, магнітне поле,концентрацію газу, дозу радіаційного випромінювання, на використанні пучківтаких волокон грунтується вся техніка ендоскопії.

Якщо класифікувати волоконно-оптичні датчики з точки зорузастосування в них оптичного волокна, то, їх можна грубо поділити надатчики, в яких оптичне волокно використовується як лініїпередачі, і датчики, в яких воно використовується як чутливогоелементу. У датчиках типу "лінії передачі" використовуються в основномубагатомодові оптичні волокна, а в датчиках сенсорного типу частіше за все --одномодові.

За допомогою волоконно-оптичних датчиків з оптоволокном яклінії передач можна вимірювати наступні фізичні величини:

1) датчиком проходить типу: температуру (на основі вимірювання зміни постійної люмінесценції в багатомодових волокнах, в діапазоні 0 ... 70 (С з точністю (0,04 (С );

2) датчиком відбивної типу: концентрацію кисню в крові

(відбувається зміна спектральної характеристики, детектується інтенсивність відбитого світла, оптоволокно - пучкову, з доступом через катетер).

Якщо ж оптичне волокно в датчику використовувати як чутливого елементу, то можливі наступні застосування:

1) інтерферометр Майкельсона дозволяє вимірювати пульс, швидкість кровотоку: використовуючи ефект Доплера можемо детектировать частоту биття - використовуються як одномодове , так і багатомодове волокна; діапазон вимірів: 10-4 ... 108 м/с.

Підводячи певний підсумок, треба сказати, що основними елементамиволоконно-оптичного датчика, є: оптичне волокно,світловипромінюючі (джерело світла) та світлоприймальної пристрої, оптичнийчутливий елемент. Крім того, спеціальні лінії необхідні для зв'язкуміж цими елементами або для формування вимірювальної системи здатчиком. Далі, для практичного впровадження волоконно-оптичних датчиківнеобхідні елементи системної техніки, які в сукупності звищевказаними елементами і лінією зв'язку утворюють вимірювальну систему.
| | Класифікація |
| | Основних структур |
| | Волоконно-оптичних |
| | Датчиків: |
| | А) зі зміною |
| | Характеристик |
| | Волокна (у тому числі |
| | Спеціальних волокон) |
| | |
| | Б) із зміною |
| | Параметрів |
| | Переданого світла |
| | |
| | |
| | В) з чутливим |
| | Елементом на торці |
| | Волокна |

3. Датчики потоку.

Ультразвукові датчики ефективно використовуються для вимірювання потокув багатьох медико-біологічних і промислових застосуваннях. Основнимелементом конструкції ультразвукового датчика є п'єзоелектричнийвипромінювач коротких посилок акустичних (пружних) хвиль. Для вимірюванняпотоку використовуються частоти, що лежать за межами чутного акустичногодіапазону - в ультразвукової області. Робота ультразвукових датчиків потокузаснована на одному з двох фізичних принципів. У датчиках першого типу
(вимірювання часу проходження сигналу) використовується той факт, що швидкістьзвуку, що поширюється в рухається середовищі, дорівнює швидкості відносноцього середовища плюс швидкість руху самого середовища. У датчиках другого типувикористовується зміна (доплеровській зрушення) частоти ультразвукової хвиліпри її розсіянні рухається середовищем.

У ультразвукових вимірниках потоку використовуються електроакустичніперетворювачі з п'єзоелектричних матеріалів, що здійснюютьперетворення електричної потужності в акустичні коливання. Ідеальнимп'єзоелектричним матеріалом для електроакустичного перетворювачає такий матеріал, який забезпечує низький рівень шуму, високуефективність перетворення і дозволяє створити перетворювач з високоюдобротністю. Найчастіше в електроакустичних перетворювачахвикористовується цирконату - титанат свинцю (ЦТС). Перевага цього матеріалу
- Дуже висока ефективність електроакустичного перетворення і високатемпература Кюрі (приблизно 300 oC); останнє зменшує ймовірністьдеполяризації матеріалу в процесі пріпаіванія висновків перетворювача.

Можна виготовити ультразвуковий перетворювач будь-якої формиза допомогою розплавлення матеріалу та подальшої його формування.
П'єзоелектричні кристали піддаються штучної поляризації шляхомрозміщення їх у сильне електричне поле при високій температурі іохолодження в цьому полі нижче температури Кюрі. Зазвичай формуютьсяперетворювачі у вигляді дисків, на протилежні плоскі поверхніяких наносяться металеві електроди. Через ці електроди генераторколивань збуджує кристал-випромінювач. Електроди кристала-приймачаприєднані до високочастотному підсилювача. Для забезпечення максимальноїефективності товщина кристала звичайно вибирається дорівнює половині довжиниультразвукової хвилі.

Вибір робочої частоти перетворювача визначається фундаментальнимифізичними факторами. Кінцеве значення діаметра перетворювачаобумовлює наявність дифракційного розподілу інтенсивностіультразвукової хвилі по аналогії з апертурною дифракцією в оптиці. Уобласті ближнього поля пучок має практично циліндричну форму,відповідну геометрії випромінювача, і його розширенням мало. Однакрозподіл інтенсивності в пучку неоднорідний, оскільки тут виникаютьчисленні інтерференційні максимуми і мінімуми. В області далекогополя пучок розходиться, причому інтенсивність ультразвукової хвилі в пучкузмінюється обернено пропорційно квадрату відстані від перетворювача.
Ефект розбіжність пучка погіршує просторове розрізнення, томуобласть далекого поля використовувати не рекомендується. Для забезпечення роботив області ближнього поля потрібні великі перетворювачі і високі робочічастоти. У промислових застосуваннях просторове розрізнення привимірі потоку можна отримати, вибираючи робочу частоту і розмірперетворювача таким чином, щоб розмір області ближнього полянаближено відповідав діаметру потокопровода (кровоносної судини,наприклад).

Правильний вибір робочої частоти дуже важливий для вимірювачів потокукрові. Для пучка з постійним поперечним перерізом потужність ультразвуковоїхвилі експоненціально спадає з відстанню з-за її поглинання в тканини. Зцієї точки зору переважно низькі робочі частоти, оскількикоефіцієнт поглинання ультразвуку квазілінійних чином зростає ззбільшенням частоти. З іншого боку, найбільш поширеніультразвукові вимірювачі потоку - доплерівські датчики потоку - працюютьна принципі детектування потужності ультразвукової хвилі, що розсіюєтьсярухомими червоними кров'яними тільцями, причому розсіює потужністьпропорційна четвертого ступеня частоти. Таким чином, в цихвимірниках потоку для збільшення детектіруемой потужності необхіднозбільшувати робочу частоту. Компроміс досягається при виборі робочоїчастоти в діапазоні від 2 до 10 MГц.

Датчик потоку, що працює на принципі вимірювання часу проходженнясигналу - одна з найпростіших ультразвукових вимірювачів потоку. Він широковикористовується в промисловості і придатний також для респіраторних вимірюваньі вимірювань потоку крові. Можливий спосіб розташування, що полягає вможливості закріплювати перетворювачі на зовнішній поверхні труби абокровоносної судини, що виключає обмеження потоку

Переваги таких датчиків (вимірювачів) потоку полягає внаступному: 1) з їх допомогою можна вимірювати потоки всіляких рідині газів, оскільки для проведення вимірювань не потрібна наявність в текучоїсередовищі частинок, що відображають ультразвук; 2) вони дозволяють визначатинапрямок потоку; 3) їх показання порівняно нечутливі дозмін в'язкості, температури та щільності текучої Серед; 4) з усіхсерійно випускаються вимірювачів потоку промислові пристрої цього типузабезпечують найвищу точність вимірів.

Ультразвукові вимірювачі потоку були випробувані в якостіпневмотахометр - для вимірювання миттєвого значення об'ємної витративдихуваного або видихуваного газу. Ультразвукові пневмотахометр маютьнаступні теоретичні переваги: 1) висока швидкодія; 2) широкийдинамічний діапазон; 3) відсутність рухомих частин; 4) пренебрежимомалий вплив на потік; 5) природну двобічної; 6) легкістьочищення та стерилізації. В даний час ультразвукові пневмотахометрзнаходяться все ще в стадії розробки. Є декілька проблем,перешкоджають успішному впровадженню цих пристроїв: 1) низька акустичнаефективність передачі ультразвуку через гази; 2) широкий діапазонзмін складу, температури та вологості газу; 3) незадовільнийрозуміння природи ультразвукового поля і характеру його взаимодействия зрухаються газом.

У доплеровських вимірниках потоку безперервної дії використовуєтьсявідомий ефект зміни (зниження) частоти звуку, детектіруемогорухомим приймачем, що віддаляється від нерухомого джерела звуку (ефект
Доплера). Якщо випромінювач і приймач нерухомі, а рухається об'єкт (часткав текучої середовищі), що відображає ультразвукову хвилю, то обумовленийефектом Доплера зсув частоти при симетричному розташуванніперетворювачів по відношенню до аксиально-симетричного потокурозраховується за формулою

, де fd-доплеровській зсув частоти; f0-частота випромінюваноїультразвукової хвилі; u - швидкість об'єкта (частки в текучої середовищі); c --швидкість звуку; (- кут між напрямком випромінювання (прийому)ультразвукової хвилі і віссю труби або кровоносної судини. Якщо потік немає аксіальної симетрії або перетворювачі розташовані несиметрично,то в формулу потрібно вводити додатковий Тригонометричний коефіцієнт.

Найважливіше перевагу доплерівського вимірювача потокубезперервної дії - можливість вимірювання кровоплину з допомогоюперетворювачів, розташованих на поверхні тіла з одного бокукровоносної судини. Вимірники потоку цього типу можуть працювати зрідинами, що містять включення газів або твердих тіл. Можна вказати іряд інших переваг цих пристроїв: 1) тимчасові затримки сигналу в нихмінімальні і визначаються головним чином характеристиками фільтрів; 2) привимірі кровотоку перешкоди від сигналу електрокардіограми (ЕКГ)незначні; 3) такі пристрої можна встановлювати в дешевихрегуляторах потоку.

При використанні доплерівського вимірювача потоку безперервногодії для отримання сигналу доплерівського зсуву необхідна наявність втекучої середовищі будь-яких частинок. Сигнал доплерівського зсуву не єодночастотних гармонійним сигналом, що обумовлено рядом причин:

1. Профіль розподілу швидкості по поперечного перерізу потоку
(профіль потоку) неоднорідний. Частинки рухаються з різними швидкостями,генеруючи різні за частотою доплерівські зрушення.

2. Частка відображає ультразвукову хвилю протягом короткогопроміжку часу.

3. Хаотичному обертання частинок і турбулентність викликають різнідоплерівські зрушення.

Два інших нестачі доплерівського вимірювача потоку безперервногодії - практично повна відсутність інформації про профіль потоку інеможливість визначення напрямку потоку без додаткової обробкисигналу.

Імпульсний доплеровській вимірник потоку працює в радарної режиміі видає інформацію про профіль потоку текучої середовища. Перетворювачпорушується короткими посилками сигналу несучої частоти від генератора.
Цей перетворювач виконує функції випромінювача і приймача; відбиванихсигнал з доплерівським зрушенням приймається з деякою тимчасовою затримкоющодо моменту випромінювання первинного сигналу. Тимчасовий інтервал міжмоментами випромінювання і прийому сигналу є безпосереднім покажчикомвідстані до відображає частки (дальності). Отже, можна отриматиповну "розгорнення" відображень сигналу впоперек труби або кровоносної судини.
Профіль швидкості в поперечному перерізі кровоносної судини виходить врезультаті реєстрації доплерівського зсуву сигналу при різних часовихзатримки. За допомогою імпульсного доплерівського вимірювача потоку можнаоцінити діаметр кровоносної судини. Рішення, що приймаються сигнали А і С обумовленівідбитками від ближньої і далекої стінок судини відповідно. Відстаньміж точками, де відбуваються ці відображення, безпосередньо пов'язане черезпрості геометричні співвідношення з діаметром судини.

Аналогічний принцип вимірювання лежить в основі методу ультразвуковогосканування в амплітудно режимі (А-режимі) і методу луна-кардіографії.
Ультразвуковий перетворювач встановлюється навпроти ділянки тіла абооргану, що підлягає скануванню. Цей перетворювач випромінюєультразвуковий сигнал, що зазнає відображення на будь-який неоднорідності тканиниуздовж напрямку сканування. Затримка між часом випромінювання та прийомусигналу може бути використана для визначення місця локалізації цієїнеоднорідності вздовж певного шляху сканування.

Загальна тривалість випромінюваного імпульсу є важливим чинником привикористанні імпульсного доплерівського вимірника для реєстраціїкровотоку. В ідеалі це має бути дуже короткий імпульс, щоб отриматигарне дозвіл по відстані. З іншого боку, для досягненнядосить високого значення відносини сигнал/шум і гарного дозволу зашвидкості тривалість цього імпульсу повинна бути досить високою.
Типовий компромісний варіант - використання імпульсів з частотоюповторення 8 МГц і тривалістю 1 мкс.

доплерівським вимірювальних систем, які працюють в імпульсному режимі,властиве внутрішнє обмеження. Воно виражається в тому, що при заданійдальності обмежений діапазон вимірюваних швидкостей. Це змушуєвикористовувати імпульси з меншою частотою повторення fr Це означає, щоне можна виміряти високі швидкості при великих відстанях до відбиваєоб'єкта. Спектральне розширенням, яке може привести до появи всигналі спектральних складових з частотами, що перевищують несучучастоту, а також неідеальної характеристик фільтрів нижніх частот,використовуваних для виключення ефекту накладення спектрів, що призводить до щебільш жорстким обмеженнями.

В імпульсних доплеровських системах перетворювачі мають більшскладну конструкцію, ніж у доплеровських системах безперервної дії.
Будь-кристалічний перетворювач характеризується високою добротністю
Q (вузькою частотної характеристикою) і тому після закінчення збудливогоелектричного сигналу досить довго осціллірующімі на своїй резонансноїчастоті. Імпульсний доплеровській перетворювач модифікується шляхомдодавання до нього спереду або ззаду масивного демпфера, що забезпечуєзменшення (уширення частотної характеристики) кристала. Типові значеннямодифікованої добротності - від 5 до 15. При використанні одного загальногоперетворювача як випромінювача і приймача відключення випромінювачаздійснюється за допомогою логічного елемента (вентиля). Однокаскаднийлогічний елемент не забезпечує належної розв'язки потужного сигналу,збудливого випромінювач, від виключно слабкого сигналу.
Проблема розв'язки вирішується послідовним включенням двох логічнихелементів.

При використанні імпульсних доплеровських систем виникаютьдодаткові проблеми і з обробкою сигналу. У системаповинна бути передбачена певна схема, що забезпечує захист підсилювачависокої частоти від перевантажень під час передачі сигналу і запобігаєнадходження напруги генератора на вхід цього підсилювача під час прийомусигналу. Прикладом такої схеми є діодний структура, що володіє низькимопором для високорівневого переданого сигналу і високимопором для слабкого сигналу. Вимірювання профілів потокув реальному масштабі часу досягається шляхом використання 16 логічнихелементів (селектор дальності), які задають різні тимчасові затримки дляприйнятого сигналу. На виході вимірювального пристрою маємо при цьому 16
"Паралельних" сигналів, що відповідають різним точкам в поперечномуперерізі труби або кровоносної судини і визначають тимчасову залежністьлокальних швидкостей потоку в цих точках. Профіль швидкості формуєтьсяшляхом швидкого сканування по цих 16 каналах.

Головна перевага імпульсних доплеровських вимірювачів потоку --можливість отримання інформації про профіль потоку. Крім того, у цихпристроях детектируются сигнали, що відображаються частинками з малих обсягівтекучої середовища (в силу сканування по поперечного перерізу потоку), ітому на детектори нуля надходять сигнали з вузьким частотним спектром, щоє іншою важливою перевагою вимірювачів потоку цього типу. І,нарешті, оскільки для імпульсного доплерівського вимірювача потоку потрібентільки один перетворювач, що виконує функцію, як випромінювача, так іприймача, то це - ідеальний пристрій для вимірів за допомогою катетера.
Такі вимірювачі використовуються для реєстрації кровотоку в різнихділянках кровоносної системи.

4. Датчики тиску.

Датчики тиску сімейства Senseon фірми Motorola вибираютьвиробники медичного обладнання по всьому світу. Вони довговічні,точні і надійні.

Датчик тиску фірми Motorola розроблений з використанняммонолітного кремнієвого пьезорезістора, який генерує змінюється взалежно від величини тиску напруга на виході. Резистивний елемент,який є датчик напруг, іонно імплантований в тонкукремнієву діафрагму. Найменший тиск на діафрагму призводить до зміниопору датчика напруг, що в свою чергу змінює напругу навихід пропорційно додається тиску. Датчик напруг єскладовою частиною діафрагми, завдяки чому усуваються температурніефекти, що виникають із-за різниці в теплових розширеннях датчика ідіафрагми. Параметри на виході самого датчика деформацій залежать відтемператури, так що при використанні в діапазоні температур, що перевищуютьдопустимі значення, потрібна компенсація. У вузьких діапазонах температур,наприклад від 00С до 850С, в цій якості може бути використана простарезисторні схема. У діапазоні температур від-400С до 1250 З будуть потрібнірозширені компенсаційні схеми.