Показывающие (стрелочные) приборы.

Ф КГМУ 4/3-04/04

ИП №6 от 14 июня 2007 г.

КАРАГАНДИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра информатики и биостатистики

Лекция

Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ

Дисциплина                                  ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»

Специальность                             130100 «Общая медицина»

Курс                                                II

Время (продолжительность)       1ч.

Караганда 20019 г.

Обсуждена и утверждена на заседании кафедры

"____"__________200___г. Протокол №_____

Заведующий кафедрой проф.

______________ Б.К. Койчубеков

Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ.

Подтема: Принципы работы приборов, регистрирующих биопотенциалы

Цель: Ознакомить студентов с принципами работы приборов, регистрирующих биопотенциалы. Дать представление о физических основах регистрации биопотенциалов, об основных группах средств отображения и регистрации, их назначении, принципах построения, основах конструирования. Ознакомить с особенностями применения средств отображения и регистрации в медико-биологических исследованиях

План лекции:

Аналоговые устройства.

1. Показывающие (стрелочные) приборы.

2. Самопишущие приборы.

3. Светолучевые регистрирующие устройства.

Дискретные устройства отображения

1. Цифропечатающие устройства (ЦПУ).

2. Цифровые и знаковые индикаторные устройства.

Комбинированные устройства отображения медицинской информации

1. Электронно-лучевые трубки.

2. Магнитные устройства регистрации.

Тезисы лекции:

Устройства отображения и регистрации медицинской информации позволяют получать информацию, характеризующую состояние контролируемого объекта. При этом устройства отображения осуществляют временное представление информации, уничтожаемой при появлении новой.

Устройства регистрации в отличие от них проводят запись информации на каком-либо стандартном носителе и позволяют длительное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа.

Выходная информация может быть представлена в аналоговой (непрерывной) или дискретной форме. В соответствии с этим устройства отображения и регистрации медицинской информации можно разделить на три большие группы: аналоговые, дискретные и комбинированные. Последние позволяют представлять информацию как в дискретном, так и в аналоговом виде.

Г Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства обычно применяются для представления информации об изменении одного или нескольких параметров, которые желательно контролировать непрерывно, когда необходим график изменения контролируемой величины во времени или зависимость изменения одного параметра от другого.

Результаты аналоговой регистрации часто используются в качестве отчетной или контрольной документации и служат для последующего глубокого изучения измеряемого объекта.

В зависимости от формы выдачи информации, принципа построения и конструкции, аналоговые устройства отображения и регистрации можно подразделить:

а) показывающие (стрелочные) приборы;

б) самопишущие приборы;

в) светолучевые регистрирующие устройства.

Самопишущие приборы или просто самописцы в зависимости от способа осуществления записи подразделяются на перьевые, самописцы со струйной записью, с тепловой записью, с электрохимической записью и так далее.

Светолучевые регистрирующие устройства (осциллографы) разделяются на приборы, требующие последующей обработки и не требующие последующей обработки носителя информации.

Дискретные устройства отображения и регистрации могут фиксировать информацию об одном контролируемом параметре или о большом количестве переменных в дискретные моменты времени. Если частота фиксации данных достаточно велика, при некоторых условиях такие дискретные данные несут полную информацию о свойствах изучаемых непрерывных процессах.

Наибольшее распространение имеют:

1) Цифровые или алфавитно-цифровые печатающие устройства;

2) Устройства цифровой или знаковой индикации, строящиеся на базе использования оптических индикаторов, газоразрядных ламп, электролюминесцентных знаковых индикаторов и так далее;

3) Сигнализирующие устройства, с помощью которых нельзя получить информацию о точном количественном значении измеряемого параметра, но можно зафиксировать факт выхода (или невыхода) данного параметра за некоторые установленные пределы.

г Комбинированные устройства

1) Электронно-лучевые трубки, с помощью которых получают как графическое непрерывное отображение информации в виде некоторых кривых, так и дискретную информацию, если ЭЛТ используется в устройствах алфавитно-цифровой индикации. Возможен также телевизионный контроль за объектом.

2) Магнитные устройства, носителями информации в которых могут быть магнитные ленты, барабаны, диски или ферритовые элементы.

3) Устройства, называемые трехмерными индикаторами, с помощью которых возможно объемное непрерывное (в виде кривых) или дискретное (в виде точек) представление измеряемой информации.

Общие требования к УОиР медицинской информации:

1. Минимальная погрешность. Величина ее существенно зависит от способа отображения или регистрации и конструкции соответствующего устройства.

2. Минимальная потребляемая мощность.

3. Высокая чувствительность. Последняя определяется величиной энергии, затрачиваемой для получения на единицу площади носителя следа определенной интенсивности или контрастности.

4. Максимальный частотный диапазон для сохранения в процессе отображения или регистрации полного частотного спектра исследуемого параметра.

5. Быстродействие, определяющее скорость вывода информации из измерительной системы.

6. Максимальная емкость регистрирующего устройства. Емкость определяется количеством информации, которое может быть записано, и время непрерывной работы устройства без замены носителя.

7. Сохраняемость информации.

8. Удобство считывания и расшифровки.

9. Простота эксплуатации и надежность. 10.Минимальные габариты и масса.

11.Универсальность.

Аналоговые устройства.

Самопишущие приборы.

Они построены по принципу преобразования электрической энергии сигнала в механическую, и поэтому их часто называют механическими регистрирующими приборами. Наибольшее распространение получили чернильно-перьевые самописцы.

Важнейшим элементом чернильного самописца является вибратор. В отечественных и зарубежных устройствах применяются различные конструкции вибраторов, но все они построены по принципу электромагнитных или магнитоэлектрических приборов.

Работа электромагнитного вибратора основана на взаимодействии поля постоянного магнита с магнитным полем, создаваемым управляющим током, который протекает по неподвижным катушкам. Взаимодействие это создает в неподвижном якоре, который собран из пластинок магнитомягкого материала, вращающий момент. В исходное состояние перо возвращает пружина.

Вибраторы электромагнитной системы позволяют регистрировать процессы в диапазоне частот от 0 до 150 Гц. Такое ограничение связано со значительным моментом инерции перьевых устройств.

Существенный недостаток - заметная нелинейность амплитудных характеристик, которая при размахе пера более 20 мм может превысить предел допустимых искажений.

Кроме того, все перьевые регистраторы ведут регистрацию с радиальными искажениями.

Носителем записи для перьевых самописцев является обычная писчая бумага достаточно высокого качества в виде длинной и широкой ленты.

Большим преимуществом всех перьевых самописцев является возможность многоканальной записи. Наибольшее применение они нашли при регистрации и записи ЭЭГ и ЭКГ.

Перьевая запись позволяет неискаженно зарегистрировать лишь весьма низкочастотные процессы. Запись более высокочастотных процессов можно успешно осуществлять с помощью струйных регистраторов.

В магнитном поле электромагнита между его полюсами помещен постоянный магнит цилиндрической формы, имеющий отверстие вдоль оси, через которое проходит стеклянный капилляр, скрепленный с магнитом. Если через катушку электромагнита пропустить ток, то созданное им переменное магнитное поле при взаимодействии с полем постоянного магнита заставляет последний вращаться. Чернила под давлением проходят через капилляр.

Малая масса подвижной системы струйного гальванометра и высокая плотность разбрызгивания чернил позволяют вести регистрацию процессов с частотой до 500 колебаний в секунду.

Недостатки. Особые требования к чернилам, обладающим высокой однородностью состава. При струйной записи, как и при чернильной, запись производится не в прямоугольных координатах, а по дуге. Это приводит к нелинейным искажениям. При этом наблюдаются ошибки как при измерении амплитуды, так и времени.

Для избегания ошибок обычно наносят на ленту-носитель соответствующим образом искаженную координатную сетку или же применяют другие, так называемые спрямленные виды записи.

К этим видам относится тепловая запись - метод регистрации, осуществляемый путем снятия слоя вещества со специальной ленты-носителя. Запись осуществляется с помощью электромагнитного регистратора, у которого на конце штифта помещена проволока с участком АБ, нагреваемым электрическим током.

Электрохимическая запись основана на процессе образования красящих веществ на поверхности бумаги при прохождении через нее электрического тока. Пишущий электрод перемещается по бумаге, увлажненной соответствующим химическим веществом. Под бумагой располагается второй электрод. В месте контакта двух электродов образуется красящее вещество. С помощью электрохимической записи возможно делать запись в полутоновом и цветном изображениях.

Электронно-лучевые трубки.

Будучи практически безынерционным прибором, широко используется для регистрации в биологии и медицине.

Простейшая ЭЛТ представляет собой стеклянную герметически запаянную колбу, внутри которой создан весьма высокий вакуум.

В одном конце трубки расположены электроды, служащие для создания электронного луча, в другом конце - люминесцирующий под воздействием этого луча экран.

Катод, подогреваемый нитью накала, начинает испускать электроны. На первый и второй аноды, имеющие форму цилиндра, подается высокое напряжение, положительное относительно катода, вызывающее ускорение электронов.

Электронный луч может перемещаться по экрану под действием электрического поля отклоняющей системы, образованной взаимно перпендикулярно расположенными парами отклоняющих пластин. Если на пару подать некоторую разность потенциалов, то под влиянием электрического поля, возникающего между пластинами, электронный луч отклоняется. При практическом использовании, одна пара вызывает отклонение по оси X (по горизонтали), другая по оси Y (по вертикали).

ЭЛТ характеризуется рядом параметров:

1) размер экрана;

2) чувствительность - значение напряжения на пластинах отклоняющей системы, вызывающее отклонение на единицу длины (обычно на 1 мм);

3) время послесвечения - промежуток времени от момента прекращения бомбардировки электронами до момента, когда яркость свечения на экране составит 1% от своего первоначального значения.

Время послесвечения зависит от состава люминофора и меняется от милионных долей секунды до нескольких секунд и более.

ЭЛТ используются, как правило, для наблюдения периодических процессов. К отклоняющим пластинам Y при этом подводится исследуемое напряжение, а к пластинам X - напряжение развертки, имеющее пилообразную форму.

ЭЛТ может быть использована и для векторного сопоставления двух исследуемых процессов. Этот принцип реализуется, в частности, в векторкардиоскопах.

В настоящее время разработано много различных типов ЭЛТ, отличающихся по своим техническим данным, конструкции и назначению. ЭЛТ применяются в качестве преобразователей невидимого (например, инфракрасного) излучения в видимое изображение, как устройства памяти вычислительных машин (запоминающие трубки). Особо широкое применение нашли ЭЛТ в телевидении, где они используются как передающие, так и телевизионные.

В настоящее время находит использование ЭЛТ в устройствах отображения графической или цифробуквенной информации ЭВМ (в дисплеях)

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика и биофизика: руководство к практ. занятиям: учеб. пособие / В. Ф. Антонов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 336 с.

2. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 с.

3. Рубин А.Е. Биофизика. Т1, Т2 М.: Университет «Книжный дом», 2004.

4. Физика и биофизика: Учебник / В. Ф. Антонов, Е. К. Козлова, А. М. Черныш. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 472 с.: ил.

5. Физика и биофизика. Краткий курс: Учебное пособие для вузов / В. Ф. Антонов, А. В. Коржуев. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 256 с.: ил.

6. Физика и биофизика: Курс лекций для медвузов / Антонов, Валерий Федорович, Коржуев А.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 236 с.

7. Медицинская и биологическая физика: Учеб.для вузов / Ремизов, А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - 7-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2007. - 558 с.: ил. - (Высшее образование).

8. Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2011. - 558 с.: ил.

9. Учебник по медицинской и биологической физике / Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - Изд.5-е, стереотип.6-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2004, 2005. - 560 с.: ил.

10. Медицинская и биологическая физика: Курс лекций с задачами: Учеб. пособие / В. Н. Федоров, Е. В. Фаустов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010, 2008. - 592 с.

11. Физика и биофизика: учебник для вузов / В.Ф Антонов [и др.]. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 480 с.: ил.

Контрольные вопросы (обратная связь):

1. Классификация медицинских приборов
2. Схема проведения медико-биологического исследования
3. Требования к измерительному преобразователю
4. Особенности проведения медико-биологического исследования
5. Физические основы построения измерительных преобразователей

Ф КГМУ 4/3-04/04

ИП №6 от 14 июня 2007 г.

КАРАГАНДИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра информатики и биостатистики

Лекция

Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ

Дисциплина                                  ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»

Специальность                             130100 «Общая медицина»

Курс                                                II

Время (продолжительность)       1ч.

Караганда 20019 г.

Обсуждена и утверждена на заседании кафедры

"____"__________200___г. Протокол №_____

Заведующий кафедрой проф.

______________ Б.К. Койчубеков

Тема: Принципы преобразования медико-биологической информации. Физические основы ЭКГ. Принципы регистрации и анализа ЭЭГ.

Подтема: Принципы работы приборов, регистрирующих биопотенциалы

Цель: Ознакомить студентов с принципами работы приборов, регистрирующих биопотенциалы. Дать представление о физических основах регистрации биопотенциалов, об основных группах средств отображения и регистрации, их назначении, принципах построения, основах конструирования. Ознакомить с особенностями применения средств отображения и регистрации в медико-биологических исследованиях

План лекции:

Аналоговые устройства.

1. Показывающие (стрелочные) приборы.

2. Самопишущие приборы.

3. Светолучевые регистрирующие устройства.

Дискретные устройства отображения

1. Цифропечатающие устройства (ЦПУ).

2. Цифровые и знаковые индикаторные устройства.

Комбинированные устройства отображения медицинской информации

1. Электронно-лучевые трубки.

2. Магнитные устройства регистрации.

Тезисы лекции:

Устройства отображения и регистрации медицинской информации позволяют получать информацию, характеризующую состояние контролируемого объекта. При этом устройства отображения осуществляют временное представление информации, уничтожаемой при появлении новой.

Устройства регистрации в отличие от них проводят запись информации на каком-либо стандартном носителе и позволяют длительное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа.

Выходная информация может быть представлена в аналоговой (непрерывной) или дискретной форме. В соответствии с этим устройства отображения и регистрации медицинской информации можно разделить на три большие группы: аналоговые, дискретные и комбинированные. Последние позволяют представлять информацию как в дискретном, так и в аналоговом виде.

Г Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства обычно применяются для представления информации об изменении одного или нескольких параметров, которые желательно контролировать непрерывно, когда необходим график изменения контролируемой величины во времени или зависимость изменения одного параметра от другого.

Результаты аналоговой регистрации часто используются в качестве отчетной или контрольной документации и служат для последующего глубокого изучения измеряемого объекта.

В зависимости от формы выдачи информации, принципа построения и конструкции, аналоговые устройства отображения и регистрации можно подразделить:

а) показывающие (стрелочные) приборы;

б) самопишущие приборы;

в) светолучевые регистрирующие устройства.

Самопишущие приборы или просто самописцы в зависимости от способа осуществления записи подразделяются на перьевые, самописцы со струйной записью, с тепловой записью, с электрохимической записью и так далее.

Светолучевые регистрирующие устройства (осциллографы) разделяются на приборы, требующие последующей обработки и не требующие последующей обработки носителя информации.

Дискретные устройства отображения и регистрации могут фиксировать информацию об одном контролируемом параметре или о большом количестве переменных в дискретные моменты времени. Если частота фиксации данных достаточно велика, при некоторых условиях такие дискретные данные несут полную информацию о свойствах изучаемых непрерывных процессах.

Наибольшее распространение имеют:

1) Цифровые или алфавитно-цифровые печатающие устройства;

2) Устройства цифровой или знаковой индикации, строящиеся на базе использования оптических индикаторов, газоразрядных ламп, электролюминесцентных знаковых индикаторов и так далее;

3) Сигнализирующие устройства, с помощью которых нельзя получить информацию о точном количественном значении измеряемого параметра, но можно зафиксировать факт выхода (или невыхода) данного параметра за некоторые установленные пределы.

г Комбинированные устройства

1) Электронно-лучевые трубки, с помощью которых получают как графическое непрерывное отображение информации в виде некоторых кривых, так и дискретную информацию, если ЭЛТ используется в устройствах алфавитно-цифровой индикации. Возможен также телевизионный контроль за объектом.

2) Магнитные устройства, носителями информации в которых могут быть магнитные ленты, барабаны, диски или ферритовые элементы.

3) Устройства, называемые трехмерными индикаторами, с помощью которых возможно объемное непрерывное (в виде кривых) или дискретное (в виде точек) представление измеряемой информации.

Общие требования к УОиР медицинской информации:

1. Минимальная погрешность. Величина ее существенно зависит от способа отображения или регистрации и конструкции соответствующего устройства.

2. Минимальная потребляемая мощность.

3. Высокая чувствительность. Последняя определяется величиной энергии, затрачиваемой для получения на единицу площади носителя следа определенной интенсивности или контрастности.

4. Максимальный частотный диапазон для сохранения в процессе отображения или регистрации полного частотного спектра исследуемого параметра.

5. Быстродействие, определяющее скорость вывода информации из измерительной системы.

6. Максимальная емкость регистрирующего устройства. Емкость определяется количеством информации, которое может быть записано, и время непрерывной работы устройства без замены носителя.

7. Сохраняемость информации.

8. Удобство считывания и расшифровки.

9. Простота эксплуатации и надежность. 10.Минимальные габариты и масса.

11.Универсальность.

Аналоговые устройства.

Показывающие (стрелочные) приборы.

При автономном использовании стрелочные приборы служат индикаторами выходного параметра в единицах измеряемой величины.

Как правило, применяются промышленные образцы электромагнитной или магнитоэлектрической систем.

Наибольшее распространение стрелочные приборы получили в качестве индикаторов основных параметров, в специализированных приборах (для температуры, пульса и так далее), лабораторном оборудовании и др. Такие приборы отградуированы в градусах Цельсия, количестве сердечных сокращений в минуту и так далее и позволяют сразу отсчитывать измеряемый параметр.

Самопишущие приборы.

Они построены по принципу преобразования электрической энергии сигнала в механическую, и поэтому их часто называют механическими регистрирующими приборами. Наибольшее распространение получили чернильно-перьевые самописцы.

Важнейшим элементом чернильного самописца является вибратор. В отечественных и зарубежных устройствах применяются различные конструкции вибраторов, но все они построены по принципу электромагнитных или магнитоэлектрических приборов.

Работа электромагнитного вибратора основана на взаимодействии поля постоянного магнита с магнитным полем, создаваемым управляющим током, который протекает по неподвижным катушкам. Взаимодействие это создает в неподвижном якоре, который собран из пластинок магнитомягкого материала, вращающий момент. В исходное состояние перо возвращает пружина.

Вибраторы электромагнитной системы позволяют регистрировать процессы в диапазоне частот от 0 до 150 Гц. Такое ограничение связано со значительным моментом инерции перьевых устройств.

Существенный недостаток - заметная нелинейность амплитудных характеристик, которая при размахе пера более 20 мм может превысить предел допустимых искажений.

Кроме того, все перьевые регистраторы ведут регистрацию с радиальными искажениями.

Носителем записи для перьевых самописцев является обычная писчая бумага достаточно высокого качества в виде длинной и широкой ленты.

Большим преимуществом всех перьевых самописцев является возможность многоканальной записи. Наибольшее применение они нашли при регистрации и записи ЭЭГ и ЭКГ.

Перьевая запись позволяет неискаженно зарегистрировать лишь весьма низкочастотные процессы. Запись более высокочастотных процессов можно успешно осуществлять с помощью струйных регистраторов.

В магнитном поле электромагнита между его полюсами помещен постоянный магнит цилиндрической формы, имеющий отверстие вдоль оси, через которое проходит стеклянный капилляр, скрепленный с магнитом. Если через катушку электромагнита пропустить ток, то созданное им переменное магнитное поле при взаимодействии с полем постоянного магнита заставляет последний вращаться. Чернила под давлением проходят через капилляр.

Малая масса подвижной системы струйного гальванометра и высокая плотность разбрызгивания чернил позволяют вести регистрацию процессов с частотой до 500 колебаний в секунду.

Недостатки. Особые требования к чернилам, обладающим высокой однородностью состава. При струйной записи, как и при чернильной, запись производится не в прямоугольных координатах, а по дуге. Это приводит к нелинейным искажениям. При этом наблюдаются ошибки как при измерении амплитуды, так и времени.

Для избегания ошибок обычно наносят на ленту-носитель соответствующим образом искаженную координатную сетку или же применяют другие, так называемые спрямленные виды записи.

К этим видам относится тепловая запись - метод регистрации, осуществляемый путем снятия слоя вещества со специальной ленты-носителя. Запись осуществляется с помощью электромагнитного регистратора, у которого на конце штифта помещена проволока с участком АБ, нагреваемым электрическим током.

Электрохимическая запись основана на процессе образования красящих веществ на поверхности бумаги при прохождении через нее электрического тока. Пишущий электрод перемещается по бумаге, увлажненной соответствующим химическим веществом. Под бумагой располагается второй электрод. В месте контакта двух электродов образуется красящее вещество. С помощью электрохимической записи возможно делать запись в полутоновом и цветном изображениях.