Попечителев Е.П. Кореневский Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: Теория и проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

ганизма. Последняя связь осуществляется нервной системой, кровообра-

щением, функционированием желез внутренней секреции. Кожа и слизи-

стые покровы активно участвуют в водном, белковом, углеводном, жиро-

вом, витаминном обменах. Поэтому, изучая их оптические характеристи-

ки, особенно в разных. спектральных диапазонах, можно получить

важные для диагностики состояния организма показатели, характеризую-

щие обмен веществ и другие процессы жизнедеятельности.

Особенности взаимодействия кожи и слизистых оболочек с оптиче-

скими излучениями определяются структурой и свойствами этих объек-

тов. Их структура достаточно сложная [6], содержит много образований,

влияющих на оптические свойства. Например, анатомически в коже вы-

деляют три слоя: верхний или наружный (эпидермис), собственно кожу

(дерму) и подкожную жировую клетчатку (гиподерму), каждый из кото-

рых в свою очередь имеет сложное строение. Не останавливаясь подроб-

но на описании структуры кожных и слизистых покровов, отметим лишь

некоторые особенности, определяющие их оптические свойства.

В верхних слоях кожи — эпидермисе — содержится ряд веществ с

особыми оптическими свойствами: пигмент меланин отличается силь-

ным поглощением ультрафиолетовой части спектра, белковое вещество

элеидин сильно преломляет лучистый поток, да и остальные клетки и

лимфа, содержащаяся в межклеточных щелях, не нейтральны к потоку

лучистой энергии. Дерма содержит наибольшее количество разнообраз-

ных клеточных элементов (фибробласты, лимфоциты, пигментные клет-

ки — меланофаги и др.), здесь же расположены корни волос, железы,

мышцы, нервы и нервные окончания. Гипотерма (подкожная клетчатка)

также разнообразна по клеточному содержанию: толстые пучки коллаге-

новых и эластических волокон, скопления- крупных жировых клеток,

кожная фасция, состоящая из плотной соединительной ткани, и т. п. Зна-

чительное влияние на оптические свойства оказывают кровеносная и

лимфатическая системы, пронизывающие слои кожи. Причем кровенос-

ная система состоит из нескольких сетей кровеносных сосудов, а лимфа-

тическая — образует поверхностную и глубинную сети. В покровах со-

держатся также сальные и потовые железы, содержащие разнообразные

вещества (высшие и низшие жирные кислоты, липоиды, белковые про-

дукты, фосфаты, хлориды и другие, в том числе и мало изученные экст-

рактивные вещества), различные виды рецепторов. Расположение всех

этих образований неравномерно по покровам.

Такое сложное строение из образований, имеющих разные оптиче-

ские свойства, позволяет сделать вывод о весьма сложном характере

взаимодействия этих структур с лучистым потоком. Поэтому оценить те-

оретически механизм взаимодействия практически не представляется

возможным.

то же время можно предположить, что в результате много-

кратного рассеяния и поглощения лучистого потока распространение из-

лучения будет подчиняться закону Бугера—Ламберта—Бэра (4.1).

)то

предположение подкреплено и экспериментальными исследования-

ми [6].

4.3.2. Практические методы

клинической фотометрии

Рассмотрим некоторые методы прижизненных исследований, нашед-

ших распространение в клинико-физиологической практике.

Во многих приложениях диагностический интерес в клинической

практике представляют не сами оптические свойства биологических тка-

ней, а изменения этих свойств при изменениях уровня кровенаполнения

сосудов, в том числе пульсовых колебаний. По этим показателям опреде-

ляются параметры, описывающие состояние сердечно-сосудистой систе-

мы, процессы периферического кровообращения, сосудистые реакции на

разного рода воздействия внешними и внутренними факторами и т. п.

11ри

этом желательно, чтобы измерения можно было бы проводить на лю-

бых участках кожного покрова и слизистой оболочки. Для этих целей раз-

работан ряд фотометрических методов.

Фотоплетизмография — метод регистрации изменений объема части

гела (чаще всего конечностей), вызываемых пульсовыми, дыхательными

или другими процессами. Это один из самых распространенных методов

фотометрических исследований, работающий в проходящем лучистом

потоке. С его помощью регистрируются изменения коэффициента пропу-

скания исследуемой части тела в результате изменения кровенаполнения

сосудов, при этом можно определить ряд параметров кровообращения, в

гом числе и периферического: величину и частоту объемного пульса, то-

нус сосудов, давление крови и т. п.

Менее распространенным, но весьма эффективным методом исследо-

вания кожных и слизистых покровов является нефелометрия. Нефело-

метрия — метод исследования уровня кровенаполнения сосудов, в основ-

ном кожи и подкожных тканей, основанный на регистрации рассеянного

тканью лучистого потока Метод позволяет проводить диагностические

исследования различных дерматитов — кожных заболеваний, контроли-

ровать физиологические процессы в подкожных тканях, оценивать ток-

сические реакции, проявляющиеся на изменении периферического и по-

верхностного кровообращения и т. д.

В качестве примера на рис. 4.5 приведены результаты регистрации

пространственного распределения объемного пульса (фотопрограмма

объемного пульса) на лице человека. Поскольку индивидуальные особен-

ности каждого пациента влияют на величину пульсовых колебаний, что

а)

б)

' с,

150

100

t > к

7 5 3 О 1 3' 5' 7'

Рис. 4.5. Места локализации (а) и фототелеграмма объемного пульса (б) для

здоровой и больной кожи

затрудняет сопоставительный анализ данных, при обработке результатов

использовались относительные значения осцилляции объемного пульса.

В качестве опорной точки выбрана область максимальной пульсации; для

93 % всех записей такой областью была область кончика носа (нулевая

-локализация на рис. 4.5, а). Результаты отображаются в виде графика

(рис. 4.5, б), позволяющего сопоставить пульсации в разных точках. Гра-

фики позволяют проводить

диагностику состояния кожного покрова по

контролю за интенсивностью пульса

симметрией

его

распределения.

Метод нефелографии оказался эффективным при диагностике раз-

личных дерматитов (заболеваний кожи), при осуществлении рефлексоте-

рапии, проведении ряда функциональных нагрузок и оценке реакции на

них организма и т. п. [6].

Широкое применение в клинической практике получил метод фото-

оксигемометрии, позволяющий исследовать насыщение крови кислоро-

дом. Этот параметр является одним из важнейших для изучения кисло-

родно-обменных процессов.

При соединении кислорода с гемоглобином, содержащимся в эритро-

цитах, происходит реакция слабого ионного взаимодействия, продуктом

которого является оксигемоглобин, который легко диссоциирует на мем-

бранных структурах

тканей.

Количество кислорода, связанного с кровью

после 100 %-ного насыщения гемоглобином, называется кислородной

емкостью крови. В клинической практике определяется степень насыще-

ния (у) артериальной крови кислородом, представляющая собой отноше-

ние содержания кислорода

(В)

ее

кислородной емкости

(В

По сущест-

ву это отношение соответствует отношению количества окисленного к

общему количеству гемоглобина. Кроме этой формы в крови присутству-

ют неокисленный восстановленный гемоглобин, метгемоглобин

—г

ней-

100

фапизованная форма гемоглоби

на, не способная к связи с кисло-

родом, а также карбоксигемогло-

бин, связанный с карбоксильной

группой.

Разные формы (дереваты) ге-

моглобина различаются по спект-

ральным характеристикам погло-

щения (или отражения) лучистой

жергии. Разработаны методики,

использующие одну, две, четыре

более рабочих длин волн в зави-

симости от того, наличие каких

дериватов гемоглобина необхо-

димо измерить. «Двухволновые» методики обеспечивают проведение од-

ного измерения в одной из изобестических точек гемоглобина (чаще все-

го около 805 нм), в которой поглощение (отражение) окисленной и вос-

становленной форм одинаково, а другого—в

точке

максимальной разни-

цы между поглощением (отражением) гемоглобина и оксигемоглобина

(рис. 4.6). Благодаря этому точность определения степени оксигенации

гемоглобина

помощью «двухцветных» методик

выше,

чем

случае «од-

ноцветных». При регистрации прошедшего через кровь излучения испо-

льзуется соотношение

В„р

= а - br(X)i,

где

b—постоянные коэффициенты;

т(Х)

Фпрф-гУФщАО—относи-

тельный коэффициент пропускания; Onp(^i), Фпр(Х

) — интенсивности

пропущенных кровью потоков на длинах волн и Х

Для рассеянного кровью излучения степень насыщения определяется

с помощью другого соотношения

= а' - Ь'р(Х)[

где р(Х)|

= ФоХХ

)/Фо/Х]) — относительный коэффициент отражения;

ФотО-О и

Ф<п(Х

)

— интенсивности отраженных кровью потоков на дли-

нах волн и Х

«Четырехцветные» методики позволяют определять наряду со степе-

нью насыщения гемоглобина кислородом концентрации мета- и карбок-

сигемоглобина.

Несмотря на широкие диагностические возможности фотометриче-

ских методов, техническое обеспечение исследований живого организма

разработано

еще

недостаточно. Совершенствование существующих и со-

101

Рис. 4.6. Спектр поглощения

гемоглобина и оксигемоглобина

здание новых методик, так необходимых для клинической практики, а

также разработка новых дешевых приборов с высокими эксплуатацион-

ными характеристиками возможны только при условии эффективного ис-

пользования новейших научно-технических достижений и в первую оче-

редь оптоэлектроники и ее элементной базы, микроэлектроники и воло-

конно-оптической техники. Можно указать несколько перспективных на-

правлений развития фотометрической техники для клинико-физиоло-

гических исследований.

1. Разработка упрощенных, недорогих и узкоспециализированных

приборов для выполнения отдельных видов анализа. Это направление

представлено большой группой гемоглобинометров, оксиметров, сахари-

метров, билирубиноскиров, коагулометров и др. При разработке таких

приборов спектральный и динамический диапазон, чувствительность,

точность и производительность выбираются с учетом специфики соот-

ветствующего исследования.

2. Разработка упрощенных многоцелевых приборов, рассчитанных на

небольшое количество исследований или на работу

узком спектральном

диапазоне.

3. Разработка спектральных анализаторов, отличающихся сложными

оптическими системами (включающих различные монохроматоры, приз-

мы, дифракционные решетки, поляризаторы и другое оптическое обору-

дование), широким выбором источников излучения в разных областях

спектра, высококачественными системами регистрации информации.

4. Разработка общеаналитических приборов высокого класса на моду-

льном принципе, позволяющих с помощью основного (базового) прибора

различных вспомогательных блоков проводить самые различные иссле-

дования и регистрировать конечный результат как в графической, так

цифровой формах. Такие приборы могут быть многоканальными, то есть

дают возможность проводить одновременно анализ нескольких проб, и

многопрограммными, позволяющими осуществлять одновременно не-

сколько анализов на одной пробе.

5. Разработка автоматических комплексных анализаторов, включаю-

щих оптические блоки в качестве внешних (интерфейсных) устройств,

которые сопрягаются с ПЭВМ для комплексной обработки всей исследо-

вательской информации.

Глава 5

СТРУКТУРА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ

И ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

5.1. ЦЕЛЕВЫЕ ФУНКЦИИ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ

И ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ

МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

При разработке обобщенной структурной схемы любого метода ис-

следования, прибора, аппарата, информационно-измерительной или

управляющей системы следует исходить из ее назначения — целевых

функций. Четкое определение таких функций позволяет получить пред-

ставление о том, какие преобразования с исходными данными — сигна-

лами, поступающими от объекта исследования или управления, необхо-

димо выполнить в соответствующем техническом средстве, чтобы удов-

летворить заданным целевым функциям с требуемым качеством.

Физическая форма исходных сигналов определяется видом «порож-

дающего» поля [2], то есть того физического,

поля,

с помощью которого

осуществляется непосредственное взаимодействие с объектом исследо-

вания или управления. В качестве порождающих могут использоваться

>лектрические, магнитные, электромагнитные, оптические, тепловые и

другие виды энергии. В параметрах этих полей должна содержаться вся

информация, которая связана

объектом исследования (управления). Од-

нако основной формой представления информации в технических сред-

ствах является электрический сигнал, поэтому устройства сопряжения

технических средств с объектами исследования (или управления) дол-

жны содержать специальные преобразователи либо параметров порожда-

ющих полей в электрический сигнал (для информационно-измеритель-

ных систем), либо электрических сигналов в параметры порождающих

полей (для управляющих систем). Последнее преобразование характер-

но, например, для терапевтических аппаратов, которые предназначены

103

для направленного управления состоянием организма человека путем

воздействий на него физическими (то есть порождающими) полями с за-

данными параметрами. Информация о параметрах воздействий как раз и

передается с помощью электрических управляющих сигналов, в соответ-

ствии с которыми затем формируются воздействующие физические поля.

Содержательное значение параметров электрических сигналов, свя-

занных с устройствами сопряжения и с объектами исследования, может

быть разнообразным в зависимости от назначения технического средст-

ва.

этих позиций аппаратура физиологических исследований, к которой

относится электрофизиологическая

фотометрическая медицинская тех-

ника, предназначена для получения диагностической информации о со-

стоянии организма в целом или отдельных ее физиологических систем и

органов. Для такой аппаратуры в качестве устройств сопряжения с биоло-

гическим объектом используются различные измерительные преобразо-

ватели, позволяющие преобразовать параметры порождающего поля в

электрический сигнал. Порождающие поля несут информацию о физио-

логических процессах, связанных

различными проявлениями жизнедея-

тельности. Следовательно, эта же информация содержится и в парамет-

рах электрических сигналов. Таким образом, последующий анализ пара-

метров сигналов должен предоставить возможность получения этой ин-

формации в удобном для восприятия человека виде — графике,

цифровом эквиваленте, изображении и т. д.

Для электрофизиологической аппаратуры такими устройствами со-

пряжения

биологическим объектом служат электроды, так как порожда-

ющим полем является электрическое поле, и остается только зафиксиро-

вать его интенсивность в виде электрического сигнала. В фотометриче-

ских системах для преобразования параметров оптического излучения в

электрический сигнал используются более сложные устройства сопряже-

ния — оптико-электрические измерительные преобразователи (ОЭИП).

При этом оптические свойства объекта исследования могут передаваться

не одним, а несколькими одновременно регистрируемыми сигналами в

зависимости от фотометрической сложности ОЭИП.

Однако процессом формирования электрических сигналов как экви-

валентов параметров некоторого порождающего поля не заканчивается

процедура получения диагностической информации. Необходима даль-

нейшая обработка сигналов с тем, чтобы содержащаяся в них информа-

ция стала доступной для пользователя при ее предъявлении на устройст-

вах отображения. Такая обработка осуществляется в специальных элект-

ронных блоках, совокупность и последовательность включения которых

определяет структуру специальных технических средств — средств обра-

ботки сигналов. Совокупность устройств сопряжения с биообъектом, об-

работки сигналов и отображения информации определяет полную струк-

104

ру соответствующего технического средства диагностического назна-

и'НИЯ.

Алгоритм анализа сигналов, реализованный в устройстве обработки,

выражается в виде некоторого оператора преобразований Q, отражающе-

• «>

последовательность различных операций над сигналами, выполнение

которых гарантирует получение диагностической информации в задан-

ном

виде.

При этом при проектировании соответствующего технического

средства необходимо учитывать, что для разных методов физиологиче-

ских исследований способы извлечения информации из электрического

сигнала (а

для

некоторых диагностических

задач,

не только относящихся

к фотометрическим, информация может содержаться в нескольких одно-

временно регистрируемых сигналах), а также способы ее представления

могут быть различными, что находит отражение в структуре устройств

обработки.

Определим целевые функции рассматриваемых видов медицинской

чсхники. Целевой функцией для электрофизиологической аппаратуры

следует считать получение либо отображений процессов, проявляющих-

ся в изменении электрических параметров — пассивных электрических

свойств или уровней биопотенциалов, либо числовых значений некото-

рых электрических свойств биотканей, однозначно связанных с протека-

ющими в биообъекте процессами. Условно эту функцию можно записать

н виде следующей условной схемы:

{П}

U , (5-1)

(ЭС}

{ФПЖ

>и

{

ФП

}

з(ЭП

}

{МБП} J

де {ФПЖ} — физиологические процессы, характеризующие жизнедея-

тельность организма

связанные

работой сердца, мозга, мышц

других

органов; {МБП}—медико-биологические показатели, характеризующие

п и процессы;

{ФП}

— физические процессы

параметры порождающих

физических полей, отражающие процессы жизнедеятельности; {ЭП} —

шектрические проявления этих процессов (они составляют только часть

всех возможных проявлений, поэтому стоит знак з);

{П}

— регистриру-

емые процессы (например, биопотенциалы, изменения электрического

сопротивления во времени, изменения функциональной емкости и т. п.);

{ЭС

— числовые значения электрических свойств биотканей (амплиту-

да потенциала, значения сопротивления, диэлектрической проницаемо-

сти и др.);

(Зэф

— оператор преобразования для электрофизиологическо-

го прибора; символ «э» отражает то, что эта информация представляется

форме электрических сигналов, а значок «Т4- » — взаимосвязь между

разными множествами.

105

Естественно, что электрические проявления жизнедеятельности отра-

жают процессы только в одном из возможных порождающих полей, поэ-

тому они не могут

быть

единственными для оценки состояния организма.

В то же время, как показано в части 1, электрофизиологические методы

позволяют получать надежные результаты и в ряде случаев являются не-

заменимыми.

Структура технических средств обработки сигналов для электрофи-

зиологического прибора определяется оператором преобразования С?эф

При разработке обобщенной структуры необходимо учитывать, что в об-

щем случае этот оператор может включать несколько этапов преобразо-

вания, среди которых:

— отведение биопотенциалов с помощью электродов;

— предварительное усиление полезного сигнала, подавление помех;

— фильтрация электрических сигналов с целью повышения помехо-

защищенности средств съема сигналов;

— первичная обработка сигналов для дальнейшего отображения

процессов на графических регистраторах или измерения (оценки) вели-

чины параметров;

— вторичная обработка (например, определение спектральных со-

ставляющих) с целью обобщения результатов исследований и их интерп-

ретации;

— отображение полученных результатов с помощью графических

регистраторов или цифровых индикаторов.

Аналогично можно сформулировать целевую функцию и выявить

основные этапы преобразования сигналов для фотометрического при-

бора.

При использовании фотометрических методов физиологические про-

цессы и медико-биологические показатели оцениваются посредством ре-

гистрации и измерения параметров потоков электромагнитных излуче-

ний оптического диапазона спектра после их взаимодействия с объектом

исследования. Как было показано в части 1, параметры потоков преобра-

зуются в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобра-

зователей, содержащих чувствительные к лучистому потоку элементы.

Однако результат измерений зависит не только от характеристик этих

элементов, но определяется интенсивностью и спектральным составом

исходного излучения от источника, параметрами оптического тракта,

геометрией потока излучения и другими факторами. Поэтому специфи-

ческим для фотометрических приборов следует считать оптико-электри-

ческие измерительные преобразователи (ОЭИП), в состав которых дол-

жен включаться и объект исследования. ОЭИП формирует первичные из-

мерительные

сигналы,

обработка которых позволяет получить оценки ис-

106

следуемых оптических свойств в виде фотометрических параметров или

медицинских показателей.

Таким образом, целевую функцию медицинского фотометра можно

определить как преобразование оптических свойств объекта в совокуп-

ность эквивалентных выходных параметров, представляемых в форме

электрических сигналов, что отражает следующая запись:

{ФМП}

{ФПЖ}] . _ ^ Q

{МП}

{МБП}

|->{ФП}з{ОС}-

U , (5-2)

где

введены новые обозначения:

{ОС}

—множество оптических свойств,

характеризующих жизнедеятельность биологического объекта; {ФМП}

—

множество фотометрических параметров, описывающих эти свойства;

{МП}

— множество медицинских показателей, которые определяются

через фотометрические параметры; Q<[

„—оператор преобразования фо-

тометра; э—электрическая форма представления параметров

показате-

лей.

Структура измерительной части фотометрической системы опреде-

ляется оператором преобразования

Q<|>

Ml(

Однако выделять эту часть отде-

льно в виде самостоятельного узла нецелесообразно, так как известны та-

кие структуры ОЭИП, которые позволяют на выходе блока ФЭП полу-

чать электрические сигналы, параметры которых пропорциональны фо-

тометрическим параметрам объекта исследования [6]. Таким образом,

при разработке обобщенной структуры фотометра необходимо учиты-

вать все этапы преобразования —

от

формирования исходного потока лу-

чистой энергии до получения оценки фотометрического параметра. К

этим этапам относятся:

— формирование исходного потока излучения источника;

— воздействие исходного потока на объект;

— преобразование оптических свойств объекта в параметры нового

потока излучения, поступающего от объекта исследования—потока объ-

екта;

— преобразование параметров потока объекта в электрические сиг-

налы;

— определение фотометрических параметров потока объекта;

— расчет (при необходимости) медицинских показателей по фото-

метрическим параметрам;

— отображение выходных параметров или показателей. Полученные

определения целевых функций позволяют построить обобщенные схемы

соответствующих технических средств, необходимых для выполнения

данных видов исследований.

107

5.2. ОБОБЩЕННЫЕ СХЕМЫ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ

И ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ различных методов выполнения электрофизиологических (в

широком смысле) и фотометрических исследований показывает, что, не-

смотря на их разнообразие по мётодическим приемам подготовки объек-

та, анализируемым процессам, характеристикам регистрируемых сигна-

лов и другим факторам, технические средства, необходимые для их вы-

полнения, с точки зрения разработчика соответствующей электронной

аппаратуры могут рассматриваться с общих позиций проектирования.

Для выявления этих позиций целесообразно рассмотреть обобщенные

схемы проведения соответствующих экспериментов.

Электрофизиологические исследования. Как следует из анализа

методов электрофизиологических исследований, для любого из них ха-

рактерной является некоторая «система отведений» (СО). Она позволяет

подключить биологический объект к техническому средству через систе-

му.

электродов (СЭ), привязанную, как правило, к определенным анато-

мическим точкам на теле человека

используемую для получения элект-

рических сигналов {U}j, несущих информацию об исследуемых процес-

сах в биологическом объекте (БО) (рис. 5.1).

При этом способ получения информативного сигнала для разных

групп электрофизиологических методов различен; различна

роль элект-

родов в этом процессе. Так, при регистрации биопотенциалов электроды

накладываются наточки тела, где электрическая активность максимальна

или имеет особенности, регистрация которых позволяет осуществлять

диагностику, поэтому они как бы «снимают» сигнал с биологического

объекта, то есть являются измерительными (некоторые из них могут быть

индифферентными). При импедансных и электроемкостных исследова-

ниях с помощью измерительных электродов исследуемый участок тела

включается в электрическую схему. Но при этих исследованиях электро-

ды могут использоваться и в качестве подводящих внешнее поле к биоло-

гическому объекту — токовые электроды (см. § 2.3).

При регистрации биопотенциалов измерительные электроды под-

ключаются к устройствам первичной обработки (УПО), содержащим

усилительную часть (УЧ) электрофизиологического прибора или комп-

лекса, основные проблемы проектирования которой связаны с разработ-

кой так называемых усилителей биопотенциалов (УБП). Схемотехниче-

ское решение этого узла зависит от характеристик регистрируемого сиг-

нала, места наложения электрода

его взаимовлияния с другими электро-

дами «отведения». Именно в обеспечении необходимого контакта

биологического объекта с электродом, который является входным эле-

108

ЧД

в)

Рис. 5.1. Обобщенные схемы электрофизйологических

экспериментов

ментом усилителя, связаны многие технические проблемы проектирова-

ния входных цепей усилительных узлов этого вида медицинской аппара-

гуры.

Например, для регистрации биопотенциалов сердца (электрокарди-

ография) характерно использование дифференциальных каскадов усиле-

ния с большим входным сопротивлением, во многих случаях

целесообразна гальваническая развязка в усилительной части, есть спе-

цифические требования к полосе частот, помехоустойчивости и т. п. До-

• жжение высокого входного сопротивления и высокой помехоустойчи-

вости УБП является основным требованием к усилительным узлам и для

чругих методов регистрации биопотенциалов (электроэнцефалографии,

•лектромиографии, электроокулографии и т. д) (рис. 5.1, а).

109

Аналогичная задача ставится перед усилительными узлами устройств

первичной обработки, предназначенных для обеспечения импедансных

методов исследования (рис. 5.1, б). В ряде случаев для этой группы тех-

нических средств между измерительными электродами (ИЭ) и усилите-

льным узлом дополнительно включаются измерительные преобразовате-

ли электрического параметра (ИПЭП), осуществляющие преобразование

некоторого электрического параметра (ЭП) объекта исследования, свя-

занного с происходящими в нем физиологическими процессами (напри-

мер, активного сопротивления, полного импеданса, электрического заря-

да диэлектрической проницаемости и т. п.) в параметры электрического

сигнала Lbn (чаще всего такое преобразование осуществляется в ампли-

туду сигнала), который подвергается дальнейшей обработке. Тип преоб-

разователя определяется техническими приемами реализации соответст-

вующего метода. Варианты таких преобразователей будут рассмотрены

далее. И для этих методов требования высокого входного сопротивления

и высокой помехоустойчивости усилительных узлов остаются главными.

За

усилительной частью часто следует частотный детектор

(ЧД),

позволя-

ющий выделить модулирующий сигнал, в параметрах которого и содер-

жится диагностическая информация. Для регистрации или анализа пара-

метров этого сигнала его тоже необходимо усиливать с помощью вторич-

ного усилителя сигнала (ВУс). Другая пара электродов — токовые элект-

роды (ТЭ) — подключается к источнику электрического напряжения

(ИН) заданного частотного диапазона. Для ТЭ нет необходимости в спе-

циальных электронных узлах, обеспечивающих

их

соединение с ИН.

Для группы методов электроемкостной регистрации электроды сами

образуют преобразователь (рис. 5.1, в) — измерительный преобразова-

тель электрического параметра генераторного типа (ИПЭП-ГТ). Измери-

тельные электроды

таком преобразователе используются как обкладки

конденсатора Сп, включенного в колебательный контур (КК), который

сам включен в генератор (Г) высокочастотного сигнала. Но и в этом слу-

чае сигнал с колебательного контура

UKK

должен быть усилен до соответ-

ствующего уровня с помощью полосовых усилителей (ПУ), имеющих за-

данную полосу пропускания для обеспечения высокой помехоустойчиво-

сти. Затем в структуру прибора обычно включается частотный детектор

(ЧД), после чего снова подключается усилитель — вторичный усилитель

сигнала (ВУС).

Важной составляющей рассмотренных усилительных узлов являются

узлы фильтрации сигналов (ФС), которые позволяют поднять отношение

сигнал/шум и тем самым повысить помехоустойчивость систем съема

сигналов.

Дальнейшая структура технических средств электрофизиологиче-

ских исследований — выходные устройства (ВУ) — может быть весьма

110

ВУ

{U}, ФМП|МП

ОС

^ БФЭП» -»|упо

ОЭИП

Рис. 5.2. Обобщенная схема фотометрических измерений

разнообразной в зависимости от назначения проектируемого средства.

Она может включать графический регистратор сигналов (ГРС) на ка-

кой-либо носитель информации (бумага, пленка и др.), устройства выде-

ления (или вычисления) требуемого информативного параметра (устрой-

ства вторичной обработки УВО) с последующим отображением резуль-

тата измерения на устройствах отображения (УО), интерфейс для связи с

какими-либо внешними техническими средствами (ВТС) (накопители

информации, компьютеры и др.) и

т.

п. Алгоритмы, по которым работают

разные ВУ, определяются формой исходных сигналов и типом регистри-

руемых параметров.

Фотометрические исследования. В отличие от электрофизиологи-

ческих исследований для проведения фотометрических измерений в со-

ответствии с целевой функцией (5.2) в структуру соответствующих тех-

нических средств необходимо включать узлы, обеспечивающие форми-

рование внешних по отношению к объекту потоков лучистой энергии

заданной интенсивности, спектрального состава, геометрии, поля-

ризации и т. п. (рис. 5.2).

Потоки

{Я,}*

формируются с помощью ряда узлов — источника излу-

чения (ИИ), задающего интенсивность потоков, и оптических систем

(ОС|) (оптических фильтров, зеркал, диафрагм и.т. п.), определяющих

спектральный состав, геометрию и направленность каждого потока. Па-

раметрами источника излучения управляет схема управления (СУ), кото-

рая поддерживает стабильными энергетические характеристики всех по-

токов. Эти потоки подводятся к объекту через внешнюю среду (ВС) рас-

пространения излучения, поэтому важно учитывать параметры этой сре-

ды, а также наличие в ней неконтролируемых внешних источников (ВИ)

лучистой энергии. После взаимодействия потоков с объектом форми-

руются новые потоки излучения {Х}'

, параметры которых уже несут ин-

формацию об оптических свойствах этого объекта. Потоки {X}' преобра-

зуются в электрические сигналы {U}j в блоке фотоэлектрических преоб-

разователей (БФЭП), включающем один или несколько (по числу пото-

111

ков) преобразователей. Оптическая система ОСг позволяет направить

потоки излучения {А.}' на чувствительные элементы ФЭП, а также скор-

ректировать отличия в спектральных характеристиках чувствительности

разных ФЭП от расчетных. Далее в обобщенную структуру включены

блоки первичной обработки сигналов {U}j, предназначенные для усиле-

ния и фильтрации сигналов (УС и ФС) и расчета (УПО) фотометрических

параметров (ФМП) или медицинских показателей (МП). Дальнейшая

структура фотометрических систем (внешние устройства ВУ) ничем не

отличается от структуры электрофизиологических систем и может содер-

жать

устройствах вторичной обработки (в зависимости от потребностей

пользователя) графические регистраторы изменений выходного парамет-

ра во времени, индикаторы значений этих параметров или интерфейсы

для связи с внешними по отношению к фотометру устройствами.

Структуры реальных технических систем для электрофизиологиче-

скйх и фотометрических исследований могут отличаться от приведен-

ных; некоторые блоки могут отсутствовать, а другие представлять собой

весьма сложные устройства. Однако в их структурах практически всегда

содержатся измерительный преобразователь (УБП, ИПЭП или ОЭИП),

который обеспечивает сопряжение технических средств с биологическим

объектом, устройство первичной обработки электрических сигналов

(УПО), устройство вторичной обработки (УВО) и интерфейс

(.И)

для под-

ключения к внешним по отношению к измерительным узлам системам.

Все блоки, связанные с формированием первичных измерительных сиг-

налов

{U}j

и их обработкой, являются специфическими для рассматрива-

емых методов исследований, а остальные узлы — общие с другими вида-

ми измерительной техники.

Глава 6

УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ

АППАРАТУРЫ С ОРГАНИЗМОМ

6.1. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Основным элементом сопряжения электрофизиологической аппара-

туры с организмом человека является электрод. От его свойств зависят

надежность и достоверность регистрируемых процессов, точность изме-

рения диагностических показателей, наличие

или

отсутствие патологиче-

ских явлений в области контакта с биотканью. Поэтому большое значе-

ние имеет правильный выбор типа

конструкции электрода

учетом осо-

бенностей того или иного метода электрофизиологических исследова-

ний. Однако теоретический расчет конструкции любого электрода

(расчет формы и размеров, выбор способа обработки поверхности и т. п.)

связан с преодолением значительных математических трудностей, так

как для описания процесса измерения интенсивности поля на поверхно-

сти сложной формы, которую имеет

тело

человека, или какого-либо элек-

трического свойства биоткани необходимо использовать аппарат теории

электромагнитного или электрического поля.

то же время в ходе прове-

дения электрофизиологических исследований накоплен большой опыт по

разработке конструкций электродов для различных применений, пользу-

ясь которым можно предложить некоторые рекомендации по использова-

нию известных конструкций.

Все накожнце (устанавливаемые на поверхность тела) электроды

можно разделить на две группы — проводящие, то есть имеющие гальва-

ническую связь с объектом, и непроводящие, не обладающие такой свя-

зью. В группе проводящих электродов основными (но не единственны-

ми) являются металлические электроды, причем тип металла играет важ-

ную роль в определении эксплуатационных характеристик электрода.

Другим фактором, от которого зависят приэлектродные процессы и на-

113

дежность результатов исследований, следует считать токопроводящую

жидкость (электролит), помещаемую в кожно-электродное пространство.

Только совместный анализ характеристик системы «кожа—электро-

лит—электрод» позволяет получить ясное представление о возможно-

стях пары электрод—жидкость.

Как показывает анализ приэлектродных процессов (см. главу 3), наи-

более приемлемыми для биоэлектрических исследований являются обра-

тимые электроды, например хлорсеребряный электрод и паста, содержа-

щая хлорное серебро AgCl, либо цинковый электрод и паста, содержащая

сернистый цинк

ZnSO,».

Однако цинковые электроды вредны для здоро-

вья, а хлорсеребряные электроды — дороги. Кроме того, при работе с

Ag-AgCl электродами необходимо учитывать следующее:

—электроды Ag-AgCl должны работать

режиме малых токов (допу-

стимые плотности тока не больше

мкА/см

), где сохраняются свойства

обратимости электродов;

—для нормальной работы электроды нуждаются в ионах О, которых

в биообъектах достаточно;

— если электроды работают на поверхности кожи, необходимо при-

менять смачивающий раствор или пасту, содержащие ионы СГ;

— хлористое серебро разлагается на свету, поэтому электроды

Ag-AgCl хранят

в темноте;

их защищают от попадания прямого света;

— хлористое серебро механически непрочно и вступает в реакцию с

парами фосфора, находящимися в воздухе;

— соединительные провода не должны находиться в контакте с элек-

тролитом, чтобы не вступить с ним в реакцию.

В то же время хлорсеребряные электроды обладают важными досто-

инствами, заставляющими отдавать им предпочтение при выполнении

сложных диагностических задач. Обратимость Ag-AgCl электродов по-

сле их стабилизации обеспечивает малые шумы и теоретически нулевой

потенциал поляризации. Они вырабатывают стабильные электродные по-

тенциалы, не превышающие 0,8 В. Собственные электродные потенциа-

лы двух электродов под влиянием внешней температуры меняются нео-

динаково во времени, что приводит к дрейфу нулевой изолинии исследу-

емого процесса. Однако величина дрейфа незначительна, что позволяет

регистрировать большую часть спектра биологических процессов.

Появление для регистрации биопотенциалов емкостных электродов

позволило уменьшить влияние артефактов, вызываемых движением па-

циента, и снизить помехи от контактных и поляризационных потенциа-

лов благодаря отсутствию электрохимических реакций в зоне ко-

жа—электролит—электрод. Однако эти электроды непригодны для реги-

страции инфранизкочастотной области спектра биопотенциалов (ниже

0,1 Гц) из-за больших значений их импеданса в этой области. Резистив-

114

но-емкостные и резистивные электроды (т.н. «плохопроводящие» элект-

роды) отличаются от чисто емкостных наличием меньшей или большей

проводимости в диэлектрике. Они способны передавать инфранизкоча-

стотную часть спектра, но часть полезного сигнала при этом теряется на

активной части импеданса электрода.

К общим недостаткам непроводящих или плохопроводящих электро-

дов по сравнению с проводящими следует отнести:

— необходимость буферных электродных усилителей, примыкаю-

щих непосредственно к электродам для снижения сетевых и электроста-

тических помех;

— наличие нескольких проводов — сигнального, питания и заземле-

ния корпуса электрода;

— пригодность только для биполярного включения, так как при мо-

нополярном отведении создаются помехи

цепи нулевого электрода.

Реально наибольшее применение в электрофизиологических иссле-

дованиях нашли на сегодня металлические накожные электроды, несмот-

ря на их недостатки как электродов первой группы по электрическим

свойствам. Обычно эти электроды вырубаются

из

листового металла (не-

ржавеющая сталь, латунь, платина

и др.), а

затем

им

придается соответст-

вующая форма. Электрод не всегда плоский, он выгибается в соответст-

вии с профилем участка тела, на который накладывается. При изготовле-

нии таких электродов применяется и пленочная технология, когда слой

металла толщиной несколько мкм напыляется в вакууме на гибкую

пластмассовую подложку, а затем весь электрод подвергается специаль-

ной обработке, которая укрепляет верхний слой. Такие электроды очень

гигиеничны, легко стерилизуются; по этой технологии можно сделать и

дешевые одноразовые электроды.

Рассмотрим подробнее типовые конструкции электродов, применяе-

мые для электрофизиологических методов, которые связаны с регистра-

цией биопотенциалов — электрокардиографии, электроэнцефалографии,

шектромиографии w др.

Превращение электрокардиографического метода в один из ведущих

для мониторных систем палат интенсивной терапии, повышение роли

этого метода для оценки общего состояния человека

различных услови-

ях его жизнедеятельности, простота и доступность метода при высокой

диагностической ценности результатов исследований привели к тому,

что резко ужесточились требования к электрокардиографическим элект-

родам. При этом на первое место вышли требования высокой стабильно-

сти параметров электродной системы во времени и минимизация помех

внутреннего и внешнего происхождения. Выполнение этих требований

твисит прежде всего от величины и стабильности переходного сопро-

тивления участка контакта электрода с биообъектом.

115

R.kOm

К)'

10'

К)"

кг—

12 16 S,CM

а)

7. „

,Ом/см

ZH=ZO6»/S

(ОМ/см

)

-Д

—\

^ 1

Существует несколько путей

снижения переходного сопро-

тивления:

— механическая обработка

кожи с целью снижения сопро-

тивления эпидермиса (верхнего

ороговевшего слоя кожи);

— применение токопроводя-

щих паст, состав и свойства ко-

торых способствуют стабилиза-

ции характеристик электродов;

— увеличение площади

электродов.

Последний способ неприго-

ден, так как при увеличении раз-

мера электрода становятся су-

щественными другие источники

погрешностей регистрации био-

потенциалов (см. гл. 3). Для ил-

люстрации других способов на

рис. 6.1, а приведены зависимо-

сти активной части переходного

сопротивления накожного элек-

трода от площади электрода при

различных методах обработки

кожи (на примере электрокарди-

ографических электродов): без обработки (1); с обработкой (2); с обработ-

кой кожи и при применений пасты (3). Рис. 6.1, б иллюстрирует влияние

свойств токопроводящей среды на нормированную величину Z

при раз-

личной площади электрода: для воды (1); физиологического раствора (2)

и специальной пасты (3).

При этом Z„ = Z

o6ll

/S, где

Zo6

— модуль комплексного сопротивле-

ния, S — площадь электрода. Хорошо видно, что применение обработки

кожи и специальных паст позволяет значительно снизить переходное со-

противление. Это обстоятельство привело, например, к разработке метал-

лических электродов с абразивной поверхностью (при их установке пу-

тем вращения электрода можно разрушить верхний слой кожи) и токо-

проводящих паст, обеспечивающих хороший контакт электрода с кожей

и защищающей ее от токсических реакций. Например, известны данные

по измерению сопротивлений кожи

на

постоянном

токе в зоне

биологиче-

ски активных точек (БАТ) различными электродами: от прибора типа

ПЭП-1; от прибора «Дерматометр»; жидкостными хлорсеребряными не-

116

0 40 80 120 160 S.CM»

б)

•• Рис. 6.1. Зависимости переходного

сопротивления накожного электрода от

площади электрода при различных методах

обработки кожи: активной части

переходного сопротивления (а) и свойств

токопроводящей среды (б)

поляризующимися электродами. Активный электрод помещается в зону

1»Л"Г, индифферентный — на поверхность ладони руки. Данные измере-

ния получены на токах 1,5 и 10 мкА. Для электродов от прибора типа

IПП-1 получены колебания величины активного сопротивления БАТ со-

ставляют 700—1000 кОм, для электродов от прибора «Дерматометр» —

Ю0—600 кОм, для неполяризующихся жидкостных хлорсеребряиых

•хиоктродов — 100—500 кОм [15].

Переходное сопротивление зависит также и от взаимного расположе-

ния электродов для разных пациентов. Например, специальные исследо--

нания показывают, что при расположении пары электродов прямоуголь-

ной формы площадью 5,85 см

на большой грудной мышце активное со-

противление составляет около 20 кОм, но при расположении их на пря-

мой мышце бедра—около 50 кОм (при токе 1,13 м А на частотах до 100

кГц) [18].

Все эти данные показывают, что при выборе электродов необходимо

читывать большое число факторов, существенно влияющих на точность

н надежность получаемых результатов.

Существенно различные конструктивные требования предъявляются

к электродам в зависимости от длительности, места

целей регистрации

)КГ.

Так, при массовых обследованиях важно снизить затраты и продол-

жительность процедуры подготовки электродов

наложения их на анато-

мические точки в соответствии с системой отведений. Электроды дол-

жны

легко

быстро накладываться,

быть

дешевыми, но надежными.

Для отведения ЭКГ от конечностей применяют (рис. 6.2, а): пластин-

чатые

электроды (обычно посеребренная латунь); электроды с прищепка-

ми или браслетами, ленточные эластичные электроды на гибкой непрово-

дящей основе (поролон, резина

др.)

токосъемной поверхностью из фо-

•Н.ГИ различных материалов или из нержавеющей стали и серебряных по-

рошков. Для грудных отведений используются электроды-присоски с

«окосьемной частью из серебра, латуни или нержавеющей стали, элект-

родные пояса, электроды одноразового пользования. Электроды-присос-

ки различаются материалом токосъемной части (латунь, сталь, серебро),

сс конструкцией (пластинка, сетка, диск), формой (груша, колокол)

(рис. 6.2, б) и материалом баллончика, с помощью которого обеспечива-

ется надежный контакт с телом (резина, пластмасса), а также методом

«ведения электропроводящей пасты (пастой заполняется электрод или

она вводится отдельно непосредственно на поверхность

кожи).

Основны-

ми недостатками этих электродов являются быстрая потеря герметично-

сти и плохая фиксация на коже с волосяным покровом.

Электродные пояса представляют собой конструкции в виде эластич-

ных лент,

скрепленных между собой

учетом расположения электродов в

117