Все датчики характеризуются их чувствительностью, разрешением, динамическим диапазоном.
Виды усилителей и их характеристики
Электронные усилители широко применяются в медицине. Они используются для записи небольших по величине электрических потенциалов сердца, мышц и мозга человека. Они употребляются также для увеличения электрических сигналов от датчиков, управляемых различными функциями организма. Электронные усилители используются в таких многоканальных комплексах как электрографы и полиграфы в диагностических и научно-исследовательских целях.
Основной характеристикой электронного усилителя является коэффициент усиления. Существует коэффициент усиления силы тока и напряжения. Эти коэффициенты определяются как отношение изменения силы тока I (или напряжения U) на выходе к изменению силы тока (или напряжения) на входе: KI = ΔI0/ΔIi, KU = ΔU0/ΔUi
Коэффициент усиления усилителя является безразмерной величиной, но его часто выражают в децибелах (логарифмических единицах).
Коэффициент усиления одного транзистора, как правило, небольшой. Поэтому используют так называемые многокаскадные усилители. Они представляют собой несколько последовательно соединенных одиночных усилителей каскадов. В медицинских приборах наиболее часто применяют трех и четырех каскадные усилители (в электрокардиографах - кардиология, электромиографах - нейрофизиология, электроэнцефалографах - нейрофизиология). Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Он может достигать нескольких миллионов.
Режим работы усилителя существенно зависит от типа межкаскадной связи. Чаще всего используют усилители постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока способны увеличивать силу тока и напряжение как постоянного, так и переменного тока. Усилители переменного тока предназначены для увеличения силы и напряжения переменного тока.
Усилители постоянного тока используют для увеличения постоянного напряжения или электрических колебаний низкой частоты. Чаще применяют усилители переменного тока в соответствии с параметрами усиливаемого электрического колебания, что предусмотрено характеристиками соответствующих усилителей. Существуют две главные характеристики электронных усилителей: частотная характеристика (усиление-частота) и амплитудная характеристика (входной сигнал-выходной сигнал).
Коэффициент усиления усилителя зависит от частоты входных электрических колебаний. Частотная характеристика усилителя может быть представлена графиком зависимости коэффициента усиления от частоты входных сигналов.
Усилитель переменного тока имеет частотную полосу пропускания. Записываемые сигналы, частота которых находится в пределах этой полосы, увеличиваются без искажения. Кривые, характерные как для усилителей постоянного, так и для усилителей переменного тока, имеют ограничения в усилении сигналов высокой частоты из-за динамического диапазона ограничения компонентов цепи усилителя. В результате наиболее высокочастотные сигналы могут искажаться.
Амплитудная характеристика усилителя может быть представлена графиком зависимости амплитуды выходящего сигнала от амплитуды входящего сигнала. На графике есть линейная часть кривой, которая переходит в нелинейное насыщение, которое является результатом ограничения величины блока питания. Для того, чтобы избежать искажений необходимо, чтобы амплитуда входных сигналов соответствовала линейной части амплитудной характеристики усилителя.
Медицинское оборудование, предназначенное для лечения. Стимуляторы и физиотерапевтические приборы. Генераторы
Электрические импульсы различной формы и частоты широко используются в медицинской практике. Они применяются в электронных стимуляторах, различных физиотерапевтических приборах и т.п. Чаще всего используются синусоидальные и прямоугольные импульсы.
Генератор синусоидальных волн включает колебательную цепь, основной частью которой является параллельно соединенные катушка индуктивности и конденсатор. Они настроены, чтобы генератор производил синусоидальные электрические колебания частотой, зависящей от величин индуктивности L и емкости C: ω = 1/√(LC)
Электрические синусоидальные колебания, поддерживаемые положительной обратной связью через катушку, индуктивно связанную с колебательным контуром, поступают в транзистор, где усиливаются по напряжению.
Для получения прямоугольных электрических импульсов применяют мультивибраторы, пилообразных – генераторы релаксационных колебаний.
Электронные стимуляторы
Электронные стимуляторы применяют для нормализации функций некоторых органов. Одним из таких органов является сердце человека. Здоровое сердце имеет так называемую проводящую систему, способную стимулировать сокращения сердечной мышцы. В норме импульсы генерируются в синусно - предсердном узле в стенке правого предсердия. Возбуждение проводится через предсердия в атриовентрикулярный узел, который расположен в перегородке между предсердиями и желудочками. Затем импульсы проходят через пучок Гиса и вызывают сокращение обоих желудочков.
Электропроводность импульсов может нарушаться в большей или меньшей степени при определенных заболевания сердца. Чтобы нормализовать сердцебиения используют искусственные электронные сердечные водители ритма (стимуляторы). Электрод, присоединенный к тонкому проводу, вводят в сердце через вену плеча с помощью катетера. Устройство, генерирующее прямоугольные электрические импульсы соответствующей амплитуды и длительности, остается за пределами тела и поддерживает сердцебиения.
При постоянном режиме миниатюрный стимулятор устанавливается хирургически под musculus pectoralis major. Электрод вводят в сердце через вену или хирургически имплантируют на поверхность сердца. Имплантированные стимуляторы как источник энергии используют электрические батареи, которые требуют замены с регулярным интервалом, обычно каждые четыре - пять лет.
Первое поколение сердечных водителей ритма были так называемого синхронного типа. Они генерировали регулярные электрические импульсы большей частоты, чем поврежденный естественный водитель ритма сердца. После установки стимуляторы не изменяли своих характеристик. Более современные устройства – асинхронные водители ритма. Они возбуждают сердечные сокращения только в случае нарушения нормального ритма сердца. Водители ритма этого типа начинают генерировать импульсы, когда показатели естественных сердечных сокращений падают ниже нормальной величины. Такие водители ритма имеют электрод и специальное устройство, которое предназначается для обнаружения предсердных биопотенциалов.
Существует много типов стимуляторов, предназначенных для лечения нервных и мышечных болезней. Они оборудованы внешними электродами и генерируют прямоугольные или модулированные синусоидальные импульсы. Эти стимуляторы используют для лечения различных типов параличей мышц и болезненных состояний.
Аппарат дефибриллятор разработан для устранения фибрилляции желудочков, которая является очень опасным сердечным нарушением. Известно, что нормальное сердцебиение возникает, если мышечные клетки сердца возбуждаются синхронно. Фибрилляция является результатом нерегулярного и асинхронного возбуждения и сокращения кардиомиоцитов. В состоянии фибрилляции, сердце не может произвести систолу, и циркуляция крови прекращается.
Основной частью токового дефибриллятора является конденсатор, который заряжают до высокого напряжения. Он разгружается через электроды, контактирующие с телом пациента. Длительность импульса составляет почти 5-10 миллисекунд, и электрический ток достигает несколько ампер. Применение этого метода помогает, восстанавливая нормальные сердцебиения, сохранить человеку жизнь.
Электрические физиотерапевтические приборы
Переменный ток различных параметров широко применяется в электрофизиотерапии. Все медицинские приборы, использующие этот физический фактор, можно подразделить на две группы: низкочастотную и высокочастотную аппаратуру.
Низкочастотная физиотерапия осуществляется с помощью таких аппаратов как диадинамик и амплипульс. Диадинамик производит модулированные полуволны или целые волны синусоидального тока частотой 50 или 100 Гц. Электрические импульсы подают сериями, в течение которых амплитуда импульсов повышается и снижается в соответствие с глубиной модуляции. Амплипульс генерирует электрические колебания частотой пять килогерц. Они представляют собой полуволны или полные волны синусоидальных колебаний, модулированные такими же колебаниями низкой частоты.
Как диадинамик, так и амплипульс воздействуют на мембраны клеток. Они активизируют метаболизм и имеют болеутоляющий эффект. Они могут применяться для введения лекарств посредством электрофореза. Но чаще всего используются для лечения нейромышечных болезней и болевых синдромов. Диадинамик и амплипульс возбуждают нервные и мышечные клетки или нервные окончания кожи, уменьшая боль. Величина силы тока должна быть ограничена (пациент должен лишь немного ощущать действие тока).
Медицинское применение высокочастотных приборов существенно отличается. Частота электрических импульсов, которые генерируются всеми такими приборами, превышает мегагерц, а длительность одиночного импульса составляет менее одной микросекунды. Такие импульсы являются слишком короткими для инициирования возбуждения нервных или мышечных клеток. Передача таких электрических импульсов через тело не воспринимается пациентом, а интенсивность тока может быть достаточно высокой. Эффектом высокочастотной физиотерапии является нагревание тканей тела.