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.