Устройства усиления напряжения, тока, мощности элект­рических колебаний за счет энергии постороннего источника называются усилителем колебаний.

Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или полупроводнковый (транзистор). Не вдаваясь в подробности работы усилителя, рассмотрим общие принципы усилителя на­пря­жения.

1.Колебания входного напряжения на сетке лампы создают пропорциональные колебания анодного тока (в случае использо­вания транзи­стора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).

2. Изменяющийся анодный ток создает на нагру­зочном со­противлении R пульсирующее напря­жение, состоящее из посто­янной и пере­менной составляющей.

3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с помощью разделительного конден­сатора, и является усиленным выходным напря­жением.

Из рассмотренного видно, что принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзи­сторного усилителей иден­тичны. Главным пара­метром усилителя является коэффициент усиле­ния. Он показывает во сколько раз ампли­туда выходного напряже­ния больше амплитуды входного напряжения.

k = Umвых/Umвх

Приведенные схемы усилителей являются одно­каскадными. Для регистрации электриче­ских сигналов одного каскада, как правило, бывает не­достаточно. Поэтому используют усилители, со­стоящие из нескольких каскадов, которые под­ключаются пос­ледовательно друг с другом. Ко­эффициент усиления многокас­кадного усилителя равен произведению коэффи­циентов усиле­ния всех каскадов.

K = k1*k2*k3

При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения со­ответствовала форме входного напряжения, го­ворят, чтобы усилитель не искажал усиливае­мый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в уси­лителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разра­ботчиками усилителей, соглас­но представ­ленной информации о параметрах усиливаемых сиг­на­лов. Частотные искажения связаны с так назы­ваемой полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется ча­стотная ха­рактеристика — это зависимость коэффици­ента усиле­ния от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частот­ная харак­теристика представлена в графической форме.

 

Полоса частот от v, до v2, в пределах которой ко­эффициент усиления практи­чески не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не явля­ются гармониче­скими, однако их можно разложить на сумму гар­моник, различающихся по часто­те и ампли­туде. Если все частоты гармоник входят в полосу про­пускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоничес­кая составляющая выходит за пределы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаются по гармони­ческому спектру, то усилители для одного сиг­нала, например ЭКГ, не мо­гут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др. Для того, чтобы использовать усилители для усиления элект­рических потенциалов, возни­кающих в организме человека и жи­вотных, необ­ходимо четко представлять себе биоэлек­триче­скую активность органов человека и их характе­ристики.

Биоэлектрическая активность характеризуется следующими параметрами:

1. Диапазон амплитуд электрических колебаний составляет от единиц мкВ до единиц мВ.

2. Диапазон частот охватывает область частот от долей Гц до 10 кГц.

3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто актив­ным и составляет порядка тысяч и де­сятков тысяч Ом.

Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особен­ностями:

а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, производится при одновременной за­писи нескольких сигналов.

б) при регистрации объект находится в поле дей­ствия различ­ного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.

Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с од­ной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистриру­ющие устрой­ства, с другой стороны, заставляют конструиро­вать усилители с большим коэффициентом уси­ления (до нескольких миллионов раз). Малые входные напряжения приводят к тому, что в уси­лите­лях приходится считаться с собствен­ными шумами входных каска­дов, а из-за боль­шого ко­эффициента усиления со склонностью та­ких усилителей к самовозбуждению. Необхо­димость пропускания очень низких частот усложняет пи­тание усилителя от одного общего источника пи­тания. Это де­лает усилитель очень чувствитель­ным к медленным изменени­ям напряжения ис­точников питания, а работу усилителя не­устой­чивой. В связи с большим сопротивлением ткани входное сопротив­ление усилителя должно быть большим. Одновремен­ная регистрация несколь­ких процессов на одном объекте приводит к тому, что входы усилителей оказываются со­еди­ненными между собой через сопротивление тка­ней. Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и входные элементы усилителей и сами усилители.

Входные каскады усилителей должны удов­летворять следую­щим требованиям:

1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.

2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усили­теля должно быть большим.

3. Каскад должен быть защищен от механиче­ских колебаний.

4. Схема каскада должна давать возможность производить ре­гистрацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.

В таблице перечислены основные параметры электрогра­фических сигналов.

 

Устройства отображения и регистрации ме­дицинской инфор­мации (УОРМИ) позво­ляют получать в графической или иной форме харак­теристики параметров контролируемого объекта. Устройства отображения осуществляют времен­ное представ­ление информации, а устрой­ства ре­гистрации позволяют длитель­ное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа.

Класси­фикация УОРМИ

.

Аналоговыерегистрирующие и отображающие устройства применяются для представления ин­формации об изменении одно­го или несколь­ких параметров, которые желательно контролиро­вать непрерывно (например, при регистрации ЭКГ). Действие аналоговых УОРМИ основано на об­щем принципе действие по­стоянного магнитного поля на проводник с током. Проволочную рамку помещают между полюсами постоянно­го маг­нита.

 

На клеммы рамки подается переменное напря­жение от устройства усиления, по форме соот­ветствую­щее изменению регистрируемого пара­метра организма челове­ка. В рамке возни­кает ток, пропорциональный приложенному напря­жению. В левой и правой части рамки токи про­тивопо­ложно направлены. Возникает пара сил, которые поворачивают рамку вокруг оси. Угол поворота пропорционален приложенно­му на­пряжению. Приборы, основанные на этом прин­ципе, называются приборами электромаг­нитной системы. В показывающих (стрелоч­ных) при­борах рамка соединена со стрелкой, которая по­ворачива­ется вместе с рамкой и указы­вает на шкале величину регист­рируемого параметра. Шкала прибора проградуирована в единицах из­мерения регистри­руемого параметра. В светолу­чевых регистраторах на рамку наклеивают лег­кое зеркальце. На зеркальце посыла­ется луч света. Отраженный луч вычерчи­вает на движу­щейся фо­топленке или фотобумаге график изме­нения во времени регист­рируемой величины. Этот вид регистраторов имеет наи­меньшую из аналоговых инерционность и используется для регистрации быстроменяю­щихся параметров. В самописцах рамка соеди­няется со специальным пером, ко­торое вычерчи­вает на движущейся бу­маге развернутую диа­грам­му контролируемой величины.

- в перьевых самописцах перо представляет стержень, запол­ненный чернилами (можно ис­пользовать стержень авторучки);

- в струйных самописцах перо не касается бу­маги, чернила выбрасываются под давлением из специального отверстия.

- при тепловой и электрохимической регистра­ции пером служит заостренный металлический стержень. В этих видах записи используется спе­циальное покрытие бумаги, которое разлага­ется и меняет цвет по следу, в тепловых в резуль­тате трения пера о бу­магу, в электрохимических под действием напряжения, приложен­ного между пером и бумагой.

В дискретных УОРМИ измеряемый параметр регистрируется в буквенном или цифровом виде не непрерывно, а через опреде­ленные проме­жутки времени. В цифропечатающих устройст­вах буквы или цифры отобра­жаются на обычной бумаге. При последовательной печати печа­тание каждого знака требует одного механического пе­ремещения литеры. При параллельной печати при однократном механичес­ком перемещении может печататься слово, строка, абзац, лист, что значительно сокращает время печати.

Цифровые индикаторы отображают цифры, буквы, знаки на экране.

- оптические регистраторы отображают инфор­мацию на обычном стекле путем просвечивания через трафарет (в совре­менных приборах прак­тически не используются);

- газоразрядные индикаторы основаны на прин­ципе свече­ния разряженных газов вокруг про­водника, на который подается достаточно высо­кое постоянное напряжение. Проводником явля­ется обычная проволока, изогнутая по форме бу­квы или цифры;

- наиболее часто в современных регистраторах используется люминесцентная индикация. Экран такого индикатора представля­ет совокупность кристалликов, которые меняют цвет или контрас­тность, если на них подается постоянное напря­жение. Совокуп­ность таких контрастных кри­сталликов и создает изображение бук­вы или цифры.

В комбинированных УОРМИ информация может отображать­ся как непрерывно, так и дис­кретно. Электронно - лучевая трубка использу­ется для отображения информации в электрон­ных осцилографах и видеоприемниках. Принцип действия их достаточно хорошо известен. Ос­новным до­стоинством этих регист­раторов явля­ется их малая инерционность, они способны ре­гистрировать самые быстро меняю­щиеся про­цессы. Принцип магнитной записи основан на том, что записываю­щая головка создает пере­менное магнитное поле пропорцио­наль­ное вели­чине регистрируемого сигнала. Магнитное поле соответ­ственно меняет состоя­ние магнитного порошка на магнитной ленте или диске. Магнит­ная запись это единственное УОРМИ, ко­торое не требует преобразования регистрируемой инфор­мации для дальнейшей передачи и обработки информации на ЭВМ. В современных диагнос­тических системах исполь­зуются в комплексе все виды рассмот­ренных электронных устройств, начиная от УСМИ и кончая СОМИ. Примером может служить УЗИ, компьютерная томогра­фия, видеомониторинго­вые системы.