Методы физиологических исследований

Индуктивные датчики. Преобразующее действие этих датчиков основано на свойстве катушки индуктивности изменять свое сопро-тивление. Этого можно достигнуть при введении в нее ферромагнитного сердечника или при изменении величины зазора в магнитном сердечнике, на котором находится катушка.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (более 5-10мм) используют индуктивные датчики с подвижным сердечником. Такой тип датчика использован в некоторых конструкциях баллистокардиографов. Для преобразования малых перемещений (менее 5мм) могут использоваться датчики с изменяющимся зазором магнитопровода. Индуктивные датчики могут быть выполнены в виде трансформатора или дифференциального трансформатора с двумя встречными обмотками. В последнем случае выходной сигнал будет более мощным. Индуктивные датчики высокочувствительны. Их инерционность зависит от Динамических свойств подвижных элементов датчика.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Любой тип датчика, преобразующего ту или иную функцию в электрический сигнал, должен быть включен в измерительную цепь. Наиболее широкое распространение получили следующие измерительные схемы: мостовая схема с питанием постоянным или переменным током, дифференциальная схема, а также колебательный контур, в которые включаются измерительные (регистрирующие) приборы. Чувствительность дифференциальных измерительных схем выше, чем мостовых.

Таким образом, электрические приборы, применяемые для измерения неэлектрических величин различных функций, состоят из датчика, измерительной схемы и измерителя, или регистратора. Часто выходной сигнал датчика, имея малую величину, не может быть зарегистрирован измерительной схемой, поэтому в нее вводят усили-тели постоянного или переменного тока.

Преобразование неэлектрических процессов в электрические представляет широкие возможности для их регистрации. Это объясняется не только чисто техническими преимуществами, но и точностью измерения регистрируемых величин, удобством сопоставления данных различных опытов и возможностью их обработки с помощью вычислительных машин. Важно, что этот метод позволяет в одних и тех же временных координатах вести синхронную запись электриче-ских и неэлектрических процессов, сопоставлять их, выявлять существующие между ними причинно-следственные отношения и т. д., т. е. дает новые возможности изучения физиологических процессов.

УСИЛИТЕЛИ

Электрическая активность биологических объектов и электриче-параметры многих датчиков, преобразующих неэлектрические процессы в электрические, характеризуются относительно малыми величинами: сила тока - милли- и микроамперами, напряжение - милли-микровольтами. Поэтому регистрировать их без предварительного усиления чрезвычайно трудно или вообще невозможно. Для усиления электрических сигналов малой величины используют усилители. Они необходимы для многих измерительных схем и конструируются с использованием электронных ламп или полупроводниковых приборов.

Кратко рассмотрим принцип работы триода и усилителя, сконструированного на основе этой лампы. Если в цепь накала триода (А) включить источник питания, то катод нагревается и испускает электроны, т. е. возникает электронная эмиссия катода (Б). При дополнительном включении источника постоянного тока между анодом и катодом электроны, испускаемые разогретым катодом, перемещаются к аноду, что вызывает появление тока определенной силы (В). Силой этого тока можно управлять, прикладывая напряжение к сетке триода. Если к сетке триода прикладывается положительный потенциал, то поток электронов от катода к аноду и ток, проходящий через лампу (анодный ток), увеличиваются (Г), при отрицательном потенциале на сетке поток электронов и ток уменьшаются (Ц).

Чтобы зафиксировать изменения тока, проходящего через триод, и преобразовать его в изменяющееся напряжение, в анодную цепь включают сопротивление Ra (E), величина которого существенно влияет на свойства усилительного каскада. Допустим, что на вход усилителя подается переменное напряжение VBX, равное 1 В. Оно вызывает изменение анодного тока на 0,001 А; причем сопротивление анодной цепи составляет 10 кОм, тогда перепад напряжений на этом сопротивлении будет равен 10 В. При увеличении одного сопротивления до 100 кОм и прочих равных условиях перепад напряжений составит 100В. Следовательно, в первом случае входное напряжение усиливается в 10, а во втором - в 100 раз, т.е. коэффициент усиления соответственно будет равен 10 и 100.

В тех случаях, когда один усилительный каскад не дает нужного усиления, используют усилители с несколькими каскадами. Связь между каскадами в усилителях переменного тока осуществляется через разделительные конденсаторы C1 и С2, с помощью которых переменная составляющая анодного напряжения от предшествующего каскада передается на вход следующего. В усилителях постоянного тока разделительных конденсаторов нет. Коэффициент усиления всего усилителя зависит от коэффициента усиления отдельных каскадов, их количества и определяется произведением коэффициентов усиления всех каскадов усилителя.

Усилители выполняют роль промежуточного звена между объектом исследования (а также электродами, датчиками) и регистратора-ми, т. е. представляют собой канал связи. Они не должны искажать характер исследуемого процесса. Поэтому, прежде чем обращаться к техническим характеристикам усилителя, необходимо знать электри-ческие свойства сигнала (биопотенциала) живого объекта или датчика, а также учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала

Достаточно полную характеристику сигнала дает формула, опр деляющая объем сигнала: V = TFH, где V - объем сигнала (биопотенциала), Т - его длительность, F - ширина частотного спектра сигнала Н - превышение амплитуды сигнала над шумом. Канал связи также можно охарактеризовать тремя величинами: Тк - время, в течение которого канал выполняет свои функции, FK - полоса частот, которую канал способен пропустить, и Нк - полоса уровней, зависящая от допустимых пределов нагрузок, т. е. минимальная чувствительность и предельная амплитуда сигнала, подаваемого на вход усилителя Произведение этих величин называют емкостью канала: VK = Гк * FK * Як

Передача сигнала по каналу связи (через усилитель) возможна лишь в том случае, когда основные характеристики сигнала не выхо-дят за соответствующие границы характеристик канала связи. Если же параметры сигнала превышают характеристики канала связи, то передача сигнала по этому каналу без потери информации невозможна.

Некоторые влияния усилителя на амплитудно-временные харак-теристики сигнала иллюстрирует рис. 12.

Верхний и нижний потенциалы на каждом рисунке регистриро-вались одновременно от одного электрода с помощью двух одинаковых усилителей, у которых были заданы разные постоянные времени входа. Параметры вызванных потенциалов и характеристики усили-телей представлены в виде таблицы, геометрические эквиваленты этих же потенциалов - на рис. 13.

Несмотря на то, что в каждом кадре регистрировался один и тот же потенциал, амплитудно-временные характеристики полученных записей заметно отличаются друг от друга, что определяется только параметрами усилителей. Усилитель, с помощью которого регистри-ровались нижние записи, имел параметры, превышающие характе-ристики сигнала, поэтому вызванные потенциалы записаны без искажений. Усилитель, с помощью которого регистрировались верх-ние записи, имел разные параметры, но во всех случаях не превышающие характеристики сигнала, поэтому вызванные потенциалы искажены (потеря информации).

Значение внутреннего сопротивления источника сигнала, завися-щего не только от свойств объекта исследования, но и от свойств выходных цепей (например, размеров, формы и сопротивления электродов, коммутирующих проводов и Т. п.), можно показать на следующем примере. Если внутреннее сопротивление источника сигнала больше или равно входному сопротивлению усилителя, то сигнал вообще не будет регистрироваться или его амплитуда будет значительно уменьшена. Поэтому иногда возникает необходимость значительно увеличить входное сопротивление усилителя. В этих случаях используют усилители с катодным повторителем, а в транзисторных схемах - с эмиттерным повторителем, выполненным на полевых транзисторах.

В физиологических лабораториях наиболее часто применяют два типа усилителей: усилители переменного тока и усилители постоян-ного тока.

Усилители переменного тока. Усилители этого типа состоят из нескольких усилительных каскадов, соединенных между собой с помощью разделительных конденсаторов. Такие приборы используют для усиления переменных составляющих сигнала благодаря их способности пропускать частоты от 0,1 Гц до 10-15 кГц. Они, как правило, имеют большой коэффициент усиления и могут усиливать входной сигнал в миллионы раз, что позволяет отчетливо регистри-ровать сигналы с исходной амплитудой в несколько микровольт. Усиление и полоса пропускания частот обычно регулируются. В качестве примеров усилителей отечественного производства можно назвать УБП-1-03, УБФ-4-03. Эти устройства применяют для усиления биопотенциалов мозга и сердца, а также сигналов, генерируемых различными датчиками; по выходным характеристикам они легко согласуются с большинством отечественных регистраторов.

Усилители постоянного тока. Эти усилители не имеют разделительных конденсаторов. Между отдельными каскадами у них существует гальваническая связь, поэтому нижняя граница пропускаемых частот доходит до нуля. Следовательно, данный тип усилителей может усиливать сколь угодно медленные колебания. По сравнению с усилителями переменного тока эти усилители имеют значительно меньший коэффициент усиления. Например, УБП-1-0,2 имеет коэффициент усиления по переменному току 2,5-1 06, а по постоянному - 8 · 103. jto связано с тем, что у усилителя постоянного тока с увеличением коэффициента усиления уменьшается стабильность работы, появляется дрейф нуля. Поэтому они применяются для усиления сигналов, величина которых превышает 1 мВ (например, мембранный потенциал нейронов, мышечных и нервных волокон и т. п.).

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ (РЕГИСТРАТОРЫ) ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Регистраторы необходимы для трансформации электрических потенциалов, которые поступают к ним от отводящих электродов или датчиков (чаще после необходимого усиления), в процессы, воспринимаемые нашими органами чувств. Регистраторы могут преобразовывать и отображать исследуемый процесс или функцию в различных формах, например, в отклонении стрелки измерительного прибора, цифровой индикации, отклонении луча на экране осциллографа, графической регистрации на бумаге, фотографической или магнитной ленте, а также в виде световых или звуковых сигналов и пр.

В большинстве типов регистраторов основными элементами являются: преобразователь энергии колебаний электрических потен-циалов в механические (гальванометр, вибратор), инструмент записи (перо с чернилами, струя чернил, пишущий стержень, электронный луч и др.) и механизм развертки процесса во времени (лентопротяж-ный механизм, электронная развертка). Кроме того, современные регистраторы могут содержать ряд вспомогательных блоков и систем, например коммутаторы, усилители, калибраторы усиления и времени, оптические системы для фотографирования и др.

В медицинской регистрирующей аппаратуре наиболее широко используются три вида преобразователей, создаваемых на основе трех различных принципов трансформации энергии колебаний элект-рических потенциалов.

1. Использование силы, действующей на проводник с током или ферромагнетик в магнитном поле. На основе этого принципа конструируют различные системы гальванометров, вибраторов, которые применяются в шлейфных и чернильно-пишущих осциллографах (регистраторах).

2. Использование отклонения потока электронов (электронного луча) в электрическом и электромагнитном поле. Этот принцип реализуют с помощью электронно-лучевых трубок, которые являются основной частью электронных (катодных) осциллографов.

3. Использование свойства ферромагнитных материалов намагничиваться под влиянием магнитного поля и сохранять это состояние. На этом принципе конструируют различные типы магнитофонов и магнитографов.

Гальванометры и вибраторы. Эти приборы имеют одинаковый принцип действия, но отличаются по конструктивному исполнению, в связи с чем значительно разнятся друг от друга по чувствительности, инерционности и способности воспроизводить сигналы различной частоты. Существуют гальванометры и вибраторы магнитоэлектрической и электромагнитной системы.

В гальванометрах (вибраторах) магнитоэлектрической системы преобразование электрических сигналов в механический эффект достигается за счет движения проводника (по которому течет электрический ток) в постоянном магнитном поле. Проводник электрического тока может быть выполнен в виде тонкой струны, петли или многовитковой рамки. Многовитковую рамку используют для конструирования магнитоэлектрических вибраторов.

В гальванометрах (вибраторах) электромагнитной системы магнитное поле, в которое помещается ферромагнетик 8, создается за счет постоянного магнита 1 и специальной обмотки 4. Эта обмотка при прохождении через нее электрического тока создает электромагнитное поле, свойства которого определяются направлением силой тока, проходящего через обмотку. При взаимодействии эти, полей создается вращающий момент, под влиянием которого перемещается ферромагнитный якорь.

Использование различных систем, способных отображать перемещение подвижных элементов гальванометров (вибраторов), позволяет конструировать различные типы регистраторов, например, струнный гальванометр, зеркальный гальванометр, шлейфный осциллограф, регистраторы с непосредственно видимой записью (чернильно-перьёвой, струйной, копировальной, тепловой, печатной и др.).

Струнный гальванометр. В этих приборах направление перемещения струны в сильном магнитном поле определяется на-правлением приложенного к ней тока, а величина перемещения определяется силой тока, проходящего через нее. Колебания струны с помощью оптической системы можно проецировать на экран, а для записи - на движущуюся фотографическую бумагу или пленку.

Струнные гальванометры сравнительно малоинерционны; их совершенные модели способны воспроизводить сигналы с частотой до 1000 Гц. Их чувствительность зависит от величины магнитного поля и свойств струны (упругости и диаметра). Чем тоньше струна (2-5 мкм) и чем сильнее магнитное поле, тем выше чувствительность струнного гальванометра. Многие струнные гальванометры имеют такую чувстви-тельность, что могут использоваться без усилителей. Раньше их применяли для регистрации электрокардиограммы и мембранных потенциалов клеток.

Зеркальный гальванометр. Если на петле или многовитковой рамке укрепить маленькое легкое зеркальце 6, то при пропускании тока оно будет перемещаться вместе с петлей или рамкой (направление движения на рис. 14 показано стрелкой). На зеркальце с помощью осветителя направляется луч света, а отраженный луч (зайчик) проецируется на полупрозрачный экран, по шкале которого судят о направлении и величине отклонения отраженного луча. При этом зеркальные гальванометры могут использоваться как самостоятельные регистрирующие приборы.

В настоящее время зеркальные гальванометры применяют в качестве выходных устройств в так называемых шлейфных осциллографах.

Для регистрации исследуемого прогресса и наблюдения за ним в шлейфных осциллографах используется особая оптическая система. От лампы осветителя 1 луч света через линзу 2 и диафрагму 3 с помощью зеркала 4 направляется на зеркальце галь-ванометра 5 и линзой 6 делится на два пучка. Один пучок света линзой 7 фокусируется на поверхности движущейся фотобумаги (фотопленки), которая протягивается лентопротяжным механизмом 8. Второй пучок с помощью цилиндрической линзы - призмы 9 направляется на вращающийся многогранный зеркальный барабан 10 и, отражаясь от него, падает на матовый экран 11. За счет вращения зеркального барабана исследуемый процесс развертывается на экране и служит для визуального наблюдения.

Сочетание струнных и зеркальных гальванометров с оптическими системами позволяет производить регистрацию исследуемых процессов с применением фотографического метода или метода ультрафиолетовой записи. Последний позволяет получать видимую запись спустя несколько секунд после экспозиции без проявления.

Регистраторы с непосредственно видимой записью. В регистраторах этого типа преобразователями электрических сигналов являются магнитоэлектрические (рамочные) или электромагнитные вибраторы, на подвижные элементы которых вместо зеркальца укрепляют различные инструменты записи.

Чернильно-перьевые регистраторы. Этот тип устройств широко используют при регистрации физиологических функций. В них перо 5 укреплено на рамке или ферромагнитном якоре 2, которые находятся в поле магнита 1. Перо соединено эластичной трубкой 4 с резервуаром для чернил 3. Исследуемый процесс записывается на бумажной ленте 6. Чернильно-перьевые регистраторы удобны в эксплуатации и вполне пригодны для решения многих задач. Их успешно используют в электроэнцефалографах, электрокардиографах, электрогастрографах и других приборах. Однако чернильно-перьевые регистраторы имеют ряд существенных недостатков. Они инерционны и не позволяют регистрировать электрические колебания с частотой, превышающей 150 Гц. В связи с этим они непригодны, например, для регистрации быстрых процессов, таких как биотоки нервов и нервных клеток и т. п. Кроме того, чернильно-перьевая регистрация (без специальной коррекции) вносит в исследуемый процесс радиальные искажения, обусловленные дугообразным движением пера на бумаге.

Струйный метод регистрации. Этот метод основан на пропускании через капилляр (диаметром 5-8 мкм), укрепленный на вибраторе, струи чернил под давлением 20 кг/см2: чернила, попадая на движущуюся бумажную ленту, оставляют след в виде кривой исследуемого процесса.

Струйный метод регистрации высокочувствителен и малоинерционен. Он позволяет совмещать удобство видимой записи с возможностью регистрации электрических сигналов в широком частотной диапазоне (от 0 до 1500 Гц). Однако эти регистраторы требуют применения особых чернил, обладающих весьма высоким качеством (однородность состава).

Во всех регистраторах с непосредственно видимой записью скорость движения носителя записи (бумаги) определяется механической разверткой и не превышает 200 мм/с, в то время как для развертывания быстропротекающих процессов требуются большие скорости записи, что достигается с помощью электронной развертки в катодных осциллографах.

Электронные (катодные) осциллографы. Это - универсальные регистрирующие приборы. Они практически безынерционны и за счет наличия усилителей имеют высокую чувствительность. Эти приборы позволяют исследовать и регистрировать как медленные, так и быстрые колебания электрических потенциалов с амплитудой до 1 мкВ и менее. Выходным регистрирующим устройством катодного осциллографа является электронно-лучевая трубка с электростатическим или электромагнитным отклонением электронного луча.

Принцип действия электронно-лучевой трубки заключается во взаимодействии потока электронов, испускаемого катодом и сфокусированного системой электронных линз, с электростатическим или электромагнитным полем отклоняющих электродов.

Электронно-лучевая трубка состоит из стеклянного баллона, внутри которого в высоком вакууме находятся источник электронов и системы электродов (направляющие, фокусирующие и отклоняющие), управляющие электронным лучом.

Источником электронов является катод 2, подогреваемый нитью накала 1. Отрицательно заряженные электроны через управляющую сетку 3 притягиваются системой положительно заряженных анодов 4, 5 и 6. При этом из электронов формируется электронный луч, кото-рый проходит между вертикальными 7 и горизонтальными 8 откло-няющими пластинами и направляется на экран 9, покрытый люминофором (веществом, обладающим способностью светиться при взаимо-действии с электронами). Управляющая сетка 3 имеет по отношению к катоду отрицательный потенциал, величина которого регулируется потенциометром 10. При изменении (с помощью потенциометра) потенциала сетки изменяется плотность потока электронов в электронном луче, а следовательно, яркость свечения луча на экране. Фокусирование электронного луча осуществляется потенциометром 10, т. е. за счет изменения положительного потенциала на втором аноде 5.

Горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины управ-ляют движением электрического луча соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, для чего на них подаются потенциалы с усилителей горизонтального (б, х1 и х2) и вертикального (а, у1 и у2) отклонения луча. Если на горизонтальные отклоняющие пластины подавать пилообразное напряжение, то луч осциллографа будет перемещаться в горизонтальной плоскости слева направо. Изменяя режим работы генератора пилообразного напряжения, можно регулировать скорость развертки, т. е. скорость прохождения луча по экрану осциллографа. Это необходимо потому, что исследуемые процессы (сигналы) имеют разные частотно-временные параметры.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6