Түрлендіргіштер (датчиктер) олардың сипаттамалары

Түрлендіргіштер сипаттамалары (датчиктер) олардың Құрастырған Тоқабаева Г.К.

Медика­ биологиялық ақпараттарды            алу,  таратып, тіркеу. 1 2 33 44 5 Түрлендіргіштер Биоэлектрлік сигналды алуға арналған электродтар Медико- биологиялық хабарлардың датчиктері. Датчиктердің медико- биологиялық қолданылуы. Сигналдың берілуі. Радиотелеметрия.

Бөгде көздің энергиясы есебінен кернеуді, токты не  электрлік тербелістердің қуатын арттыру үшін  қолданылатын қондырғалар тербелістер күшейткіші  деп аталады. Медициналық аппараттарда кернеуді  күшейткіш басымырақ қолданылады, оның құрамына  үш электродты электрондық лампа кіреді. Екі сатылы,  көп сатылы күшейткіштер де бар.   Әлсіз фототоктарды күшейту  үшін фотоэлектрондық  көбейткіштер (ФЭУ) қолданылады, оларда  фотоэффект құбылысынан басқа, электрондардың  екінші ретті эмиссия құбылысы қолданылады. Құрал  бірнеше аралық электродтары бар (электронды оңай  шығара алатын затпен қапталған динодтар) вакуумді  фотоэлемент болып табылады. Жарық катодқа түсе  отырып, фотоэлектрондық эмиссияны тудырады.

Электрондар электр өрісімен үдетіліп, бірінші динодқа  келіп, одан көп мөлшерде екінші ретті электрондарды  ыршытып шығарады. Ал осы құрылысында­ ЭОП), осы  құралдар кескіннің жарықтылығын күшейту үшін,  көрінбейтін сәуленің (инфрақыэлектрондар өріспен  үдетіліп, екінші динодқа келіп соғылады, осы кезде  олардың саны тағы артады. Сөйтіп, электрондардың  ағыны біртіндеп күшейеді, яғни  жүз мыңдаған есеге  жететін көп каскадты күшеюі пайда болады.  Фотоэффект электрондық­ оптикалық түрлендіргіштер  құрылысында қолданылады (оптикалық кескінді   электрондық түрлендіргіштер зыл, рентген сәулелерінің)  көмегімен алынған кескінді түрлендіру үшін  қолданылады.

Медико­ биологиялық хабарларды алудың, таратып,  тіркеудің құрылымдық сызбасы.   Медико­ биологиялық жүйенің күйі, параметрлері жайында  хабарларды алып, тіркеу үшін қондырғылардың тұтас бір  жиынтығы қажет. Сурет 1.

Құрылымдық сызбадағы (сурет 1) Х­ биологиялық  жүйенің өлшенетін параметрі, мысалы, қан қысымы.  Ал У­ шығу шамасы, мысалы, өлшеуіш құралдағы  ток күші (мА) не тіркегіш құралдың жазушы  бөлігінің қағаз бетінде ығысуы (мм). Биологиялық  жүйе туралы сандық хабар алу үшін  Y=f(X)  тәуелділігі белгілі болу керек.

Биоэлектрлік сигналды алуға арналған  электродтар Биоэлектрлік сигналды алуға арналған электродтар­  өлшеуіш тізбекті биологиялық жүйемен қосатын  арнайы пішінді өткізгіштер. Диагностика кезінде  электродтар тек электрлік сигналды алу үшін ғана  емес, сонымен бірге сыртқы электромагниттік  әсерді жеткізу (беру) үшін қолданылады, мысалы,  реография кезінде. Медицинада электродтар  электромагниттік әсер етіп, емдеу мақсатында және  электростимуляция кезінде қолданылады.

Электродтарға белгілі бір талаптар қойылады: олар  жылдам бекітіліп, жылдам алынулары керек, электрлік  параметрлерінің тұрақтылығы жоғары, мықты болу  керек, кедергі жасамау керек, биологиялық ұлпаны  тітіркендірмеу керек, пайдалы мәліметтің шығыны  (жоғалуы) минимал болу керек, әсіресе электрод­ тері   өтпелі кедергісі кезінде. Сурет 2.  Биологиялық жүйе мен электродтардан тұратын  контурдың эквивалентті электрлік сызбасы.            —  биопотенциалдар көзінің ЭҚК;   r— биожүйелердің ішкі ұлпаларының кедергісі;  R — терімен байланысқан электродтар мен терінің  кедергісі;  RBX — биопотенциалдар күшейткішінің ену кедергісі.

Ri Rr  Ом заңынан  контурдың барлық бөліктеріндегі ток  күші бірдей деп ұйғарып, мынаны аламыз:   мұндағы                             (1) Күшейткіштің ену жерінде кернеудің төмендеуін  (Irвх) «пайдалы» деп шартты түрде айтуға болады,  өйткені күшейткіш ЭҚК­ң осы бөлігін арттырады.  Кернеудің (Ir және IR) биожүйенің ішінде және  электрод­ тері жүйесінде төмендеуінің «пайдасы  жоқ».  шамасы берілгендіктен, r – ні төмендету мүмкін  емес, онда  IRBX – ті  R – ді төмендету арқылы ғана  арттыруға болады, әсіресе электрод­ тері  контактісінің кедергісін азайту арқылы арттыруға  болады.

Электрод­ тері өтпелі  кедергісін азайту үшін электрод пен тері  арасындағы ортаның өткізгіштігін арттыруға тырысады, ол үшін  физиологиялық ерітіндімен дымқылданған марлядан жасалған  төсеніштер не электр өткізгіш пасталар қолданылады. Осы кедергіні  электрод­ тері контактісінің ауданын арттыра отырып (яғни ол үшін  электрод өлшемін арттыру керек, осы кезде электрод үлкен ауданды  қамтиды, бұл электр өрісінің нақты суретін бұзады), азайтуға болады.       Биосигналды алу үшін қолданылатын электродтар мынадай  топтарға бөлінеді: 1) функционалды диагностика бөлмелерінде қысқа мерзімде  қолдану үшін, мысалы, ЭКГ­ны бір рет алу үшін;  2) ұзақ уақыт қолдану үшін, мысалы, интенсивті терапия  бөлмелерінде ауыр науқасты ұдайы бақылау кезінде; 3) қозғалыстағы адамды тексеру үшін, мысалы, спорттық не  космостық медицинада; 4) жедел қолдану үшін, мысалы, жедел жәрдем көмегінде.

Осы жағдайлардың барлығында электродтардың  қолданылу көрінісі ерекше: егер биосигналды бақылау ұзақ  болатын болса, физиологиялық ерітінді кеуіп кетіп, кедергі  өзгереді, пациенттің еесіз күйінде, ине тәрізді электродтар  қолданылады. Электрофизиологиялық зерттеулерде  электродтарды қолдану кезінде өзіндік екі мәселе пайда  болады. Олардың біреуі­ электродтардың биологиялық  ұлпамен контактісі кезінде, гальваникалық ЭҚК­ң пайда  болуы, екіншісі­ электродтардың электролиттік  поляризациясы, бұл электродтардан ток өткен кезде  оларда реакция өнімдерінің бөлінуімен анықталады.  Нәтижесінде негізгі ЭҚК­не қарсы ЭҚК­і пайда болады.   Осы екі жағдайда пайда болатын ЭҚК­і электродтармен  алынатын пайдалы биосигналды бұрмалайды. Осындай  құбылыстарды төмендетуге не жоюға мүмкіндік беретін  электрохимияның тәсілдері бар.

Электрокардиограмманы алу үшін аяқ­ қолдарға  арнайы резеңке ленталармен клеммалары (1) бар  металл пластинкалар бекітіледі (сурет 3), осы  клеммаларға тіркелім кабелінің ұштарын  орнатылады. Электродтар электрокардиографпен  кабельдер арқылы қосылады. Адамның кеудесіне  кеуде электродтарын (2)орналастырады. Ол резеңке  сорғыш арқылы ұсталып тұрады. Осы электродтың  да тіркелім кабелін қосатын ұштары болады.

Микроэлектродты практикада шыны микро­ электродтар қолданылады. Осындай электродтың  қырынан қарағандағы кескіні 4­ші суретте  берілген. Осы электродтың ұшының диаметрі 0,5  мкм. Электродтың қаңқасы изолятор болып  табылады, оның ішінде электролит түріндегі  өткізгіш бар. Микроэлектродтарды жасау мен  онымен жұмыс бірқатар қиыншылықтар тудырады,  бірақ осындай электрод жасуша мембранасын  тесіп, жасуша ішілік зерттеулер жүргізуге  мүмкіндік береді.

Медико­ биологиялық хабарлардың датчиктері.   Көптеген медико­ биологиялық сипаттамалар  электродтардың көмегімен тікелей алынбайды,  өйткені осы сипаттамалар биосигналмен  бейнеленбейді: қанның қысымы, температура,  жүректің дыбысы және т.б. Кейбір жағдайда   медико­ биологиялық  хабарлар электр сигналымен  байланысты, бірақ оны электрлік сигнал емес  (мысалы, пульс) деп қарау ыңғайлы. Осы  жағдайларда датчиктер (өлшегіш түрлендіргіштер)  қолданылады. Датчик дегеніміз өлшенетін не  бақыланатын шаманы жеткізіп, әрі қарай  түрлендіріп, тіркеу үшін ыңғайлы сигналға  түрлендіретін қондырғы. Өлшенетін шамамен  қосылған датчик, яғни өлшегіш тізбектегі бірінші  датчик, бірінші ретті деп аталады.

Медициналық электроникада өлшенетін не  бақыланатын электрлік емес шаманы электрлік  сигналға түрлендіретін датчиктер қолданылады.  Электрлік сигналдарды қолдану басқаларға  қарағанда жақсырақ, өйткені электрондық  қондырғылар осы сигналдарды оңай күшейтіп,  арақашықтыққа жеткізіп, тіркеуге мүмкіндік  береді.    Датчиктер бөлінеді: генераторлық және  параметрлік. Генераторлық датчиктер өлшенетін сигналдың  ықпалынан кернеуді не токты тікелей өндіреді.

Медициналық электроникада өлшенетін не  бақыланатын электрлік емес шаманы электрлік  сигналға түрлендіретін датчиктер қолданылады.  Электрлік сигналдарды қолдану басқаларға  қарағанда жақсырақ, өйткені электрондық  қондырғылар осы сигналдарды оңай күшейтіп,  арақашықтыққа жеткізіп, тіркеуге мүмкіндік  береді.    Датчиктер бөлінеді: генераторлық және  параметрлік. Генераторлық датчиктер өлшенетін сигналдың  ықпалынан кернеуді не токты тікелей өндіреді.

Хабарды тасымалдаушы болып табылатын  энергияның түріне байланысты датчиктер  бөлінеді. механикалық, акустикалық  (дыбыстық), тем­пературалық, электрлік,  оптикалық және т.б. Кейбір жағдайларда датчиктерді өлшейтін  шамасына қатысты айтады:мысалы,  қысым  датчигі, тензометрлік датчик (тензодатчик) –  орын ауыстыруды өлшейтін датчик не   деформация датчигі және т.б.

Датчиктердің медико­биологиялық  қолданылуы.

Белгіленулер: АҚ­ қанның артериялық қысымы;  БКГ­ баллистокардиограмма, ФКГ­  фонокардиограмма, ОГГ­ оксигемография, Т­  температура, ДЖ­ асқазан­ ішек жолының қысымы. Датчик түрлендіру функциясымен ­ шығу  шамасының (у) ену шамасына (х) функционалдық тәуелділігімен сипатталады, ол  мынадай аналитикалық өрнекпен не графикпен  өрнектеледі: у = f(x) ; Көбінесе қарапайым және  ыңғайлы жағдайы ­ тура пропорционалдық  тәуелділік у = kx болып табылады.  Датчиктің сезімталдығы шығу шамасының ену  шамасына қаншалықтсезімтал екендігін көрсетеді:                   y x Z 

Ол датчиктің түріне байланысты мысалы, Ом/  миллиметрмен (Ом/мм), милливольт/ кельвинмен (мВ/К)  өрнектеледі.   Датчиктердің уақытқа тәуелді сипаттамалары  маңызды.Датчиктердегі физикалық үрдістер лезде  жүрмейді, бұл шығу шамасының өзгерісінің ену шамасының  өзгерісімен салыстырғанда кешігуіне әкеліп соғады. Осындай аналитикалық ерекшелік датчиктің  сезімталдығының ену шамасының өзгеру жылдамдығына  dx/dt  тәуелділігіне әкеліп соғады не оның  х ­тің  гармониялық заң бойынша өзгерісі кезінде жиілікке  тәуелділігіне әкеліп соғады.  Датчиктермен жұмыс жасағанда мүмкін болатын, ерекше  бір қателіктерді ескру қажет болады.

Қателіктердің себептері мынадай факторлар болуы мүмкін:        1) түрлендіру функциясының температураға тәуелділігі; 2) гистерезис – датчиктердегі қайтымсыз үрдістердің  нәтижесінде болатын ену шамасының біраз өзгерісі кезінде  кешігуіне әкеліп у­тің х­ тен кешігуі; 3) түрлендіру функциясының уақытқа байланысты тұрақты  болмауы; 4) датчиктің биожүйеге кері әсер етуі, бұл көрсеткіштердің  өзгерісіне әкеліп соғады; 5) датчиктің инерци­ялдығы (оның уақытқа қатысты  сипаттамаларын ескермеу) т.б. Медицинада қолданылатын датчиктердің құрылысы өте  әртүрлі: қарапайым датчиктерден (термопаралар) күрделі  доплер датчиктеріне дейін. Тыныс алу жиілігінің қарапайым  датчигі­ реостатты (резистивті).

Осы датчик (сурет 5) резеңке түтікше (1)  түрінде жасалған, ол ұсақ көмір ұнтағымен  (2) толтырылған. Түтікше ұштарына  электродтар орнатылған (3). Көмір арқылы  сыртқы көзден (4) ток жіберуге болады.  Түтікше созылған кезде оның ұзындығы  артып, көмір бағанасының қима ауданы  / кемиді, формулаға сәйкес кедергі артады: , R Sl ­ түтікше ұзындығы; S ­ көмір бағанасының қима ауданы  — көмір ұнтағының меншікті кедергісі

Сөйтіп, түтікшемен кеудені айналдыра  орнатса, не әдеттегідей түтікше ұштарына  белбеуді бекітіп, онымен кеудені  айналдыра ораса, тыныс алғанда түтікше  созылады, ал дем шығарғанда­ қысқарады.  Тізбектегі ток күші тыныс алу жиілігіне  қарай өзгереді, оны сәйкес өлшеуіш  сызбаны қолданып, тіркеуге болады.  Датчиктер биожүйелер рецепторларының  техникалық аналогтары болып табылады.

Сигналдың берілуі. Радиотелеметрия. Радиотелеметрия деп хабарды алу қондырғысы мен  тіркеу қондырғысының сымдар не радио арқылы  байланысын айтады. Осне биотелеметрияға жатады.  Байланыстың осы түрі космостық зерттеулерде  космос кораблінің, экипажының күйі жайында,  спорттық медицинада­ жаттығу кезінде спортсменнің  физиологиялық күйі жайында хабарлар алу үшін кең  қолданылады. Мысалы, спортсменнің шлемінде  бекітілген радиотолқындарды сәулелендіргіш  таратқыштың антеннасының көмегімен 300—500 м  (яғни стадион аумағында) аралықта оның күйі  жөнінде мәліметтерді алуға болады.

Осындай өлшеулер телеметрияға,  Радиотелеметрия ас қорыту жолын эндорадиозондтау үшін де  қолданылады.Радиотаратқышы (эндорадиозонд) бар кішкене капсуланы  науқас жұтады. Таратқыш жиілігінің өзгерісі бойынша пациент жанында  орналасқан қабылдағыш арқылы капсула орналасқан жердегі қысымды,  қышқылддәрежесін, температураны және т.б. өлшеуге болады (сурет 6). Сурет 6. Сурет 7. Ас қорыту ферменттерінің белсенділігін арналған эндорадиозондтың сызбасы.

Ол негізгі 3 бөліктен тұрады: 1­ бір ұшы алынатын  насадкада орналасқан  кернеу көзі;  2­ ферментте еритін ферромагнитті ұнтақ пен  бөлшектерден престелген диск; 3­ транзистор мен  радиосызбаның басқа да бөліктері. Диск кернеу көзі  сияқты алынатын насадкаға орнатылған, бір рет  пайдаланылғаннан кейін, басқаға ауыстыруға  болады.Диск индуктивтілік катушкаға (4)  жабыстырылып, онымен бірге тұйықталған мангиттік  өткізгішті құрайды. Дискінің ферромагнитті  ферменттермен еру жағдайына қарай тізбектің  индуктивтілігі (L) кемиді, ал генератор жиілігі артады.  Қабылданатын жиілік бойынша ферменттердің  белсенділігі жайында айтуға болады

Техникалық жүйенің соңғы элементі медико­  биологиялық хабарды бейнелейтін не тіркейтін  өлшегіш (бақылағыш) қондырғы болып табылады.  Бейнелейтін қондырғы хабарды уақытша  суреттейтін, жаңа хабар пайда болған соң  алдыңғысы ізсіз жоғалып кететін қондырғылар.  Осындай қондырғылар бейнелейтін хабарды сақтау  үшін хабарды специально тіркеу керек.  Бейнелейтін қондырғының медико­биологиялық  жағдайда аз қолданылады: кедергінің   электротермометрі, пульстің жиілігін өлшеу т.б.

Медициналық элект­роникада кең таралған­ тіркегіш құралдар,  хабарды олар қандайда бір тасымалдағышта сақтайды. Ол  алынған медико­биологиялық хабарды құжаттауға, сақтауға,  көп рет пайдалануға, өңдеуге, талдауға мүмкіндік береді.  Бейнелейтін және тіркегіш құралдар аналогты­ үздіксіз,  дискретті (үздікті) және құрамды болып бөлінеді. Құрамды  құралдарда аналогты мен дискреттілердің мүмкіндіктері  үйлестірілген. Медико­биологиялық зерттеулер практикасында аналогты  тіркегіш құралдары кең тараған. Олардың кейбіреуі өзі жазушы  құралдар деп аталады. Медицинада, биология мен  физиологияда тасымалдағышта хабарды тіркеудің мынадай  тәсілі қолданылады: а) заттың қабатымен  қаптау (бояғыш): сия­ қауырсынды және  ағынды жазу жүйелері;  б) тасымалдағыш затының күйін  өзгерту: фототіркеу, электрохимиялық, электрофотографиялық  (ксерогра­фия) и магнитті жазу;  в) тасымалдағыштан заттың  қабатын алып тастау: сүрленген бет, жылулық жазу.

Физиологиялық тәжірибелерде қазір де қолданылатын қарапайым өзі  жазатын құрал кимограф не электрокимограф болып табылады (сурет  8). Біріншісі серіппемен жұмыс жасайды, ал екіншісі электр двигателінің  көмегімен барабанның бірқалыпты айналуы арқылы жұмыс жасайды Сурет 8. Сурет 9.

Кимограф идеясы, яғни тасымалдағыш бетінің бірқалыпты  айналуы не орын ауыстыруы  қазіргі кездегі аналогты тіркегіш құралдардың көпшілігінде  сақталған. Осы тіркегіш құралдар зерттелетін шаманың  уақытқа тәуелділігін тіркейді. Жазу құралының не жарық  дағының тіркелетін шамаға пропорционал ығысуы алынған  графиктің ординатасы болып табылады (сурет 9).

Тасымалдағыштың бірқалыпты орын ауыстыруы (қағаз,  фотопленка) абсциссаның уақытқа тура пропорционал екендігін  білдіреді. Нәтижеде алынған қисық   у = f(t)  тәуелділігін  айқындайды.  Медициналық аппаратурада қолданылатын өзі  жазатын құралдар электрлік сигналды механикалық орын  ауыстыруға түрлендіреді. Физикалық жағынан олар гальванометр  болып табылады­ күші аз токқа реагировать ететін жоғары  сезімтал электрлік өлшегіш құралдар. Осы құралдарда катушка  арқылы, сым рамкасы не тұзақ арқылы өтетін ток тұрақты  магниттің магнит өрісімен өзара әсерлеседі. Осы әсердің  нәтижесінде қозғалмалы бөлік (магнит, сым рамкасы не тұзақтың  бөлігі) ток күшіне пропорционал ығысады, яғни электрлік  сигналға пропорционал ығысады. Қозғалмалы бөлікпен жазғыш  элемент жалғанған, ол жазу тасымалдағышында (арнайы капилляр  қанат, не ағынды жазу құралында  ұшы (соплосы)  бар шыны  капилляр, не жарық сәулесін не т.б. шағылыстыратын айна)  із  қалдырады.

Сурет 10.

10­ шы суретте ағынды өзі жазушы құрал  берілген. Мұндағы 1­ электромагнит, оның  орамдарынан тіркелетін электр сигналы өтеді;  2­ цилиндр пішінді тұрақты магнит, ол шыны  капиллярмен (3) қатаң байланысқан. Капилляр  соплосынан (4) қысыммен сия ығыстырылып  шығарылып, тұрақты магниттің ығысуына  пропорционал, ендеше электромагниттегі ток  күшіне пропорционал  із (у ) қалдырады. Өзі жазушы құралдың маңызды сипаттамасы олар  тіркеп үлгеретін тербелістер жиілігінің  диапазоны болып табылады

Өзі жазушы құралдың қозғалмалы бөлігінің  инерциясы неғұрлым жоғары болса, тіркелетін  шаманың нақты өзгерісімен салыстырғанда  Тіркеудің кешігуі соғұрлым үлкен болады, ендеше  құралдың сипаттамасы соғұрлым нашар болады. Өзі  жазатын қондырғыларда өлшегіш құралдардың  әдеттегі қателіктерімен бірге жазумен байланысты  қателіктер де туады. Жазумен байланысты  қателіктердің себептері қағаздың не фотопленканың  орын ауыстыру механизмінің дәл жұмыс жасамауы,  құралдың жазу жүйесінің инерциясы тудырған  кешігу, ауаның ылғалдылығы әсерінен қағаз  өлшемінің өзгеруі, уақытты дәл белгілемеу және т.б

Уақытқа тәуелділікті анықтайтын бір координатты  жазу құралдарынан басқа зерттеу тәжірибелерінде  екі координатты жазу құралдары кең таралған. Сурет 11.

11­ші суретте осындай өзі жазу құралының  сыртқы көрінісі берілген. Тіркеу кезінде  көлденең рейка бірқалыпты орын  ауыстырады, оның ығысуы берілетін  сигналдың біреуіне (х параметрлеріне)  пропорционал. Рейка бойымен екінші  параметрдің (у) өзгерісіне пропорционал  жазу бөлігі бар каретка орын  ауыстырады.Нәтижесінде жазу бөлігі күрделі  қозғалыс жасайды, ол қағазда  у = f(x) функциясының графигін салады.

Аналогты тіркегіш құралдармен қатар медициналық  практикада хабарды тіркеу үшін инерциялы емес құрамды  қондырғылар қолданылады, мысалы, электронды­ сәулелі  түтікшелер.  Мысалы, портативті вектор­ кардиоскопта  электронды­ сәулелі түтікшелер бейнелеп, ұзақ суретке  түсіру кезінде электро және векторкардиограмманы  тіркейтін негізгі элемент болып табылады.             Сурет 12.

Электронды­ сәулелі түтікше құрамды қондырғылар тобына  жатады, өйткені ол шығатын хабарды тек аналогты түрде ғана  емес (қосымша суретке түсіру кезінде тіркей алатын),  сонымен бірге дискретті түрде де (сандар, әріптер) кескіндей  алады.