6. Датчики медико-биологической информации.

Многие параметры живого организма (температура, давление, тоны сердца) нельзя снять с помощью электродов, так как им не соответствуют определённые биоэлектрические сигналы. В этом случае используются датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удоб­ный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.

В рамках медицинской электроники рассматриваются датчики преобразующие измеряемую величину в электрический сигнал, ко­торый может быть усилен, передан на расстояние и зарегистрирован.

Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток.

Приведем примеры генераторных датчиков:

a) Пьезоэлектрические – под действием силы переменного давления (пульс) на поверхности пьезокристалла возникает переменная пьезоэлектрическая ЭДС (прямой пьезоэлектрический эффект), которую усиливают и наблюдают на экране осциллографа (рис.5).

б ) Термоэлектрические – при закреплении одного спая термопары на ткани (рис.6) и поддержании второго при t₁ = const (t₁ ≠ t_T) в цепи возникает термо-ЭДС. Идущий по цепи ток фиксируется электроизмерительным прибором, шкалу которого можно проградуировать в градусах. Для термопары E = α(t_T – t₁). Удобство этого метода заключается в дистанционности и возможности измерения температуры небольших объектов, поскольку сам контакт металлов или полупроводников (явление термоэлектричества справедливо и для полупроводников) может быть сделан достаточно малых размеров.

в) Фотоэлектрические (фотоэлементы) – при попадании на поверхность вентильного фотоэлемента квантов света (рис.7), в нём генерируется фото-ЭДС (внутренний фотоэффект), которая может быть усилена и зарегистрирована электроизмерительным прибором. Зависимость силы фототока от освещённости (светового потока) позволяет использовать фотоэлектрические датчики в люксметрах.

г) Параметрические – это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой либо электрический параметр. Датчики этого типа бывают: емкостные (изменяется ёмкость), реостатные (изменяется омическое сопротивление), индуктивные (изменяется индуктивность).

В зависимости от вида энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.

Все датчики характеризуются функцией преобразования, представляющей зависимость выходной величины Y от входной – X, т.е. Y=f(X). Наибо­лее простым и удобным случаем является прямопропорциональная зависимость Y = kX. Она может, в зависимости от вида датчика, выражаться в Омах на миллиметр (Ом/мм), милливольтах на Кельвин (мВ/К), микроамперах на люмен (мкА/лм) и т.д.

Чувствительность датчика определяется величиной отношения изменения функции к изменению аргумента . Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной.

Все типы датчиков характеризуются некоторой инерционностью, т.е. запаздыванием изменения выходной величины по сравнению с входной. Дело в том, что физические процессы в датчике не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Такая особенность приводит к зависимости Z от скорости изменения входной величины.

Погрешности датчиков возникают преимущественно в результате их инерционности, непостоянства функции преобразования во времени, об­ратного воздействия датчика на биологическую систему, температур­ной зависимости функции преобразования и т.д.

Все указанные датчики являются однокоординатными, записывающими изменения одного параметра. В настоящее время имеются двухкоординат­ные датчик (самописцы), которые фиксируют два различных параметра биологической системы.