1.3. Датчики измерения медико-биологических параметров

Основными типами электродов для снятия биопотенциалов, используемых в настоящее время является пластинчатые – металлические пластины из серебра, никеля или аналогичных металлов и сплавов, закрепляемые на теле пациента резиновыми жгутами; и электроды на присоске, у которого с кожей контактирует только кольцевой край электрода (используется для грудных отведений ЭКГ). Недостатком этих электродов является их ненадежное закрепление на теле пациента (сползание), что вызывает появление артефактов в виде блуждания нуля (опорной линии) при регистрации, например ЭКГ или при наблюдении за пациентом на экране монитора.

Для устранения этого недостатка иногда применяют "плавающие электроды", в которых отсутствует прямой контакт между металлом и кожей, а проводящим путем является слой специальной пасты или желе. Электрод крепится к коже с помощью двухстороннего клейкого кольца, прилипающего к корпусу и к коже (рис. 2).

Аналогичную конструкцию имеют одноразовые электроды. Некоторые конструкции одноразовых электродов можно использовать для непрерывного наблюдения за пациентом, т.к. они не вызывают раздражения кожи, возникающее в общем случае за счет электролитической среды в зоне контакта и липкого состава паст. Рассмотренные электроды могут использоваться для снятия ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ.

Рис. 2. Плавающий электрод

Для снятия ЭЭГ обычно применяют диски диаметром  7 мм или шарики. Для уменьшения артефактов, связанных с движением пациента иногда используют небольшие игольчатые электроды, которые вводятся под кожу.

Для снятия потенциалов с глубоко лежащих тканей (мозг, нерв, мышцы) используют длинные электроды. Одновременное изменение в участках, лежащих на различной глубине вдоль одной оси выполняется с помощью электродов с большим числом измерительных окончаний на различной глубине. Они состоят из пучка тонких проволочек, обрезанных на различных уровнях и изолированных друг от друга. Изготавливаются из меди или платины. Эти проволочки либо хирургически имплантируются, либо вводятся с помощью иглы для подкожного впрыскивания, которая потом извлекается, оставляя электрод в нужном месте.

При прямом методе измерения давления крови в требуемое место сердечно-сосудистой системы (ССС) вводится специальный преобразователь или катетер, представляющий собой тонкую гибкую трубку. В 1730 г. некто Хейлз ввел стеклянную трубку в артерию лошади и осуществил первое прямое измерение артериального давления. Позже к трубке Хейлза был присоединен ртутный манометр, а установив в него поплавок получили кимограф, позволяющий получить непрерывную запись давления крови.

Различают катетеры с размещением преобразователя на конце и катетеры, заполненные жидкостью (раствор глюкозы), с помощью которой давление передается к преобразователю, расположенному вне тела. Метод стал широко применяться с конца 40-х гг. ХХ в. Кроме измерения давления катетеры используются для взятия проб крови из сердца и для целенаправленного ввода лекарств в сердце или определенный сосуд.

Преобразователи давления крови можно разделить на резистивные, индуктивные и емкостные. Жидкость, передающая давление к преобразователю соприкасаемые с тонкой мембраной, изгиб которой пропорционален давлению. На мембране расположены тензорезисторы, соединенные по мостовой схеме (рис. 3).

Рис. 3. Мостовая схема с тензорезисторами

При изгибе диафрагмы проволочки (тензорезисторы) растягиваются и их сопротивление пропорционально увеличивается; уменьшение натяжения приводит к уменьшению их сопротивления. Когда преобразователь подключается к усилителю сигналов, то на мост подается возбуждающее напряжение. Если мост первоначально сбалансирован, т.е. сопротивление резисторов в ветвях R1 – R2 и R3 – R4 равны, то при указанных условиях изменения давления и сопротивления между выводами А и Б будет появляться напряжение, пропорциональное приложенному давлению.

В индуктивных преобразователях применяются линейные дифференциальные трансформаторы, представляющие собой катушку с сердечником. Перемещение магнитного сердечника изменяет индуктивность, которая преобразуется в изменение напряжения).

В емкостных преобразователях диафрагма соединена с подвижной пластиной переменного конденсатора, перемещение которой вызывает изменение емкости, преобразуемое в изменение регистрируемого напряжения.

Ряд важных показателей физиологических и биохимических процессов, протекающих в организме, могут быть получены при исследовании органов дыхания (измерение потока воздуха, концентрации газов, частоты дыхания и др.).

Измерение динамического давления в воздухоносных путях, в т.ч. при вспомогательной вентиляции легких, производится в основном датчиками диафрагменного типа, имеющими достаточно большой диаметр и позволяющими регистрировать давление порядка нескольких сантиметров водяного столба. Одной стороной датчик присоединяется к воздуховодным путям, а другая соединена с атмосферой или с другой точкой дыхательной системы. Движение диафрагмы воспринимается либо тензодатчиком, либо дифференциальным преобразователем (рис. 4).

Измерение скорости воздушного потока при вдохе и выдохе производится датчиками трех типов.

Рис. 4. Датчик диафрагменного типа

1. Устройства, основанные на изменении температуры чувствительного элемента датчика. В струю воздуха помещается нагретый провод или терморезистор. При увеличении скорости потока происходит конвекционное охлаждение, в результате которого понижается температура чувствительного элемента датчика и меняется его сопротивление. Так как охлаждение не зависит от направления воздушного потока, эти датчики применяются только в однонаправленных потоках.

2. Устройства, основанные на определении дифференциального давления, т.е. на изменении давления в воздушном потоке при наличии аэродинамического сопротивления этому протоку. Сопротивление R создается за счет размещения в корпусе капиллярных трубочек, разделения сечения корпуса на отдельные каналы или за счет использования экрана и проволочной сетки (рис. 5). Для определения дифференциального давления используются два отверстия, расположенные с каждой стороны сетки или трубочек.

Скорость воздушного потока определяется как

, (1)

где Р – падение давления на участие аэродинамического сопротивления.

Для устранения возможного накопления конденсированных паров содержащихся в выдыхаемом воздухе применяют нагрев резистивных элементов.

Рис. 5. Пневмотахометр с резистивным элементом в виде экрана (а) и капилярных трубочек или каналов (б):

1 – отверстия по периметру трубки; 2 – экран из проволочной сетки; 3 – плотно прилегающие каналы