Агаханян Електронні пристрої в медичних приладах 2010
ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ Укаїни
НАЦІОНАЛЬНИЙ ДОСЛІДНИЙ ЯДЕРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «МІФІ»
Т. М. Агаханян В. Г. Микитаєв
ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ У МЕДИЧНИХ ПРИЛАДАХ
видання, виправлене та доповнене
УДК 621.38 ББК 32.852 А23
Агаханян Т.М., Микитаєв В.Г. Електронні пристрої в меді-
цинських приладах: Навчальний посібник. М.: НІЯУ МІФІ, 2010. - 480 с.
У посібнику розглянуто електронні підсилювачі, джерела живлення, стабілізатори та електронні пристрої на інтегральних компараторах напруг, наведено описи тригерів та тригерних систем, а також схем, що застосовуються для нелінійного перетворення сигналів: обмежувачів амплітуди, формувачів коротких імпульсів, підсилювачів-розширювачів. Розглянуто релаксаційні пристрої на інтегральних мікросхемах, формувачі та генератори напруги та струму, у тому числі великі інтегральні системи та мікропроцесори.
У частині 3 посібника подано апаратурні структури комп'ютерних систем медичної діагностики.
Посібник призначений для студентів спеціалізації "Комп'ютерні медичні системи", які вивчають курс "Основи електроніки". Воно також може бути цікавим для працівників, які займаються експлуатацією електронних приладів медичної діагностики.
Рецензент техн. наук, професор В. С. Першенков.
Рекомендовано редрадою НДЯУ МІФІ як навчальний посібник.
В даний час у медичній діагностиці широко застосовуються електронні пристрої різного призначення. До таких пристроїв належать електрокардіографи, енцефалографи, томографи і т.д. Розшифрування електрокардіограм, енцефалограм та інших інформаційних засобів є одним із найбільш трудомістких та відповідальних процесівдіагностики, що також реалізується електронними засобами, що забезпечують швидку та достовірну переробку великих обсягів інформації.
Саме тому все більшого застосування отримують системи автоматичної медичної діагностики та інформаційні системи на основі комп'ютерів, що використовуються для збирання, перетворення, передачі та автоматизованої обробки великих обсягів інформації в процесі дослідження хворого, діагностики його поточного стану тощо.
Використання різних засобів та методів аналізу, що реалізуються електронними пристроями, дозволяє суттєво розширити межі медичного дослідження та помітно зменшити ймовірність помилки при діагностиці. Наочним прикладом є застосування спектрального аналізу для встановлення динамічного ряду RR електрокардіограми, що дозволяє досить точно встановити діагноз хворого. Все більшого поширення набуває спектральний аналіз біопотенціалів головного мозку у практиці електроенцефалографії, що дозволяє отримати інформацію про діяльність головного мозку та встановити патологічні порушення.
Сучасні електронні пристрої, що застосовуються в медицині, є складними комплексами, які складаються з датчиків, а іноді і системи датчиків, електронних підсилювачів, функціональних перетворювачів, реєструючих, обчислювальних і керуючих пристроїв, пристроїв пам'яті, попередньої обробки та відображення інформації.
Датчики призначені для реєстрації електричних сигналів, пов'язаних із діяльністю мозку, серця та м'язів людського організму.
Вони реєструють різні види енергії (теплову, світлову, механічну) та перетворюють її на електричну енергію. Електронні підсилювачі, які розглядаються у першому розділі посібника, підсилюютьелектричні сигнали, що надходять із датчиків.
Функціональні перетворювачі перетворюють реєстровані сигнали для того, щоб забезпечити їх обробку наступними вузлами апаратури для встановлення ознак або характеристик, що несуть діагностичну інформацію. При цьому перетворенню підлягають такі інформаційні ознаки сигналів, реєстрованих датчиками, як амплітуда, фаза, частота їхнього прямування, число і тривалість імпульсів та ін.
Перетворення аналогових сигналів на цифровий код для подальшої обробки комп'ютером реалізують за допомогою перетворювачів - так званих АЦП.
Мета частини 1 цього посібника – дати короткий опис основних вузлів електронних пристроїв, які застосовуються в медицині для діагностики та лікування, а також рекомендації щодо забезпечення точності та надійності роботи електронної апаратури.
У частині 2 розділ «Цифрові пристрої» доповниться описом тригерів і тригерних систем, регістрів, лічильників, АЛУ, напівпровідникових пристроїв і мікропроцесорів.
У частині 3 посібника представлені апаратурні структури комп'ютерних систем медичної діагностики, призначені для створення баз даних у пам'яті комп'ютера для зберігання та використання медичних архівів у висококваліфікованих лікувальних закладах, наведено опис основних електронних пристроїв медичної діагностики: електрокардіографів, енцефалографів і томографів.
Частина 1. ЕЛЕМЕНТИ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРІЙ
1. ЕЛЕКТРОННІ ПІДСИЛЮВАЧІ
1.1. Характеристики електронних підсилювачів
Електронні підсилювачі (ЕУ) призначені для посилення потужності електричних сигналів різної форми та амплітуди. Іноді поряд з посиленням потужності ЕУ виконують інші функції, наприклад, селекцію сигналів по частотномуспектру або за амплітудою.
ЕУ розбиваються на два великі класи: лінійні та нелінійні. Перші призначені посилення сигналів без помітних спотворень їх форми, другі – навпаки. При цьому нелінійні ЕУ, поряд з посиленням, як правило, виробляють формування сигналів за амплітудою або тривалістю.
Мал. 1.1. Структурна схема ЕУ з джерелом сигналу, що посилюється U д на вході і навантаженням Z н на виході
На рис. 1.1 представлено структурну схему ЕУ. До вхідних затискачів підсилювача підключають джерело (датчик) сигналів, що посилюються, який характеризується внутрішнім імпедансом (зі-
опір) Z д і напругою холостого ходу U д . Іноді ока-
називається доцільним представляти датчик еквівалентним ви-
точником струму короткого замикання I д.к.з = U д , який підклю-
чается до затискачів паралельно разом із Z д .
До вихідних затискачів підсилювача підключається навантаження Z н , яка характеризується (крім опору Z н ) вихідним на-
напругою U вих або струмом I н = I вих.
Для характеристики ЭУ застосовуються такі параметри.
1. Вхідний імпеданс Z вх = U вх, який визначається отно-
ням вхідної напруги U вх до вхідного струму I вх підсилювача.
Цим параметром визначається взаємодія ЕУ із джерелом сигналів. Зазвичай Z вх представляється вхідним опором R вх і вхідний паразитної ємністю З вх. У високочастотних ЕУ позначаються також паразитні індуктивності.
2. Вихідний імпеданс Z вих = U хх, який визначається від-
вихідної напруги при холостому ході
до вихідного струму при короткому замиканні (Z н = 0)
на виході I вих.кз. Цей параметр дозволяє встановити взаємодії.
ність ЕУ з навантаженням,представленої Z н.
Підсилювальні властивості ЕУ характеризують різні коефіцієнти посилення:
▪ коефіцієнт посилення за напругою K і = U вих;
▪ коефіцієнт посилення по струму K i = I вих;
▪ крутість характеристики вихідного струму S сх = I вих;
▪ передавальний імпеданс Z тр = U вих (останній час більше
поширений термін «трансімпеданс»);
▪ коефіцієнт посилення за потужністю K р = U вих I вих.
При посиленні та перетворенні сигналів дуже важливою є точність відтворення форми вхідного сигналу, яка визначається рівнем спотворень, що вносяться аналоговим пристроєм. До таких пристроїв належать і ЕУ.
У аналогових пристроях розрізняють нелінійні та лінійні спотворення.
Нелінійні спотворення обумовлені наявністю нелінійних елементів у схемі (наприклад, транзисторів) пов'язані з величиною амплітуди сигналу. Ці спотворення зменшують до допустимого рівня відповідним вибором елементів (транзисторів) та їх режиму роботи.
При синусоїдальному вхідному сигналі U
нейные спотворення виявляються у цьому, що вихідний сигнал U вих ,
крім сигналу з частотою f д = ω 2 π д містить гармоніки з часто-
тією, кратною f д . При цьому нелінійні спотворення прийнято характеризувати коефіцієнтом нелінійних спотворень При посиленні сигналів складної форми нелінійних спотворень на виході ЕУ з'являються гармоніки, що не містяться у вхідному сигналі.
У лінійних ЕУ, призначених для точних та прецизійних вимірювань амплітуди сигналів, нелінійні спотворення не повинні перевищувати одиниць, а іноді й сотих часток відсотка. Тому їх зменшують відповідним підбором підсилювальних елементів та режиму роботи, інших елементів схеми, а також застосуванням негативнихзворотних зв'язків.
Лінійні спотворення зумовлені інерційністю транзисторів та дією реактивних елементів, у тому числі паразитних ємностей та індуктивностей. Вони пов'язані зі швидкістю зміни сигналу у часі. Амплітуда сигналу визначає величину лінійних спотворень, тобто. як би мала не була амплітуда, лінійні спотворення не зникають, якщо швидкість зміни сигналу в часі більша або менша від певної величини. Саме по-
цьому коефіцієнти посилення за напругою і струмом, або коефіцієнти перетворення аналогових пристроїв є комплексними величинами, що обумовлено залежністю цих коефіцієнтів від швидкості зміни сигналу в часі.
Лінійні спотворення в ЕУ можна оцінити, знаючи спотворення синусоїдального сигналу, оскільки сигнал будь-якої форми можна розкласти на гармонійні складові, користуючись рядами Фур'є (для періодичних сигналів) або інтегралом Фур'є (для неперіодичних сигналів).
Годограф вектора комплексного коефіцієнта посилення, тобто. крива, що описується кінцем K і при зміні
частоти f від 0 до ∞ називається характеристикою .
На практиці замість цієї характеристики зазвичай використовують
характеристику (АЧХ), що визначається залежністю модуля М (f) коефіцієнта K і від частоти f (рис.
1.2 а), і фазочастотну характеристику (ФЧХ), представляю-
ну залежність фази ϕ ( f ) від частоти (рис. 1.2, б ).
Для короткої характеристики частотних спотворень вказуються окремі параметри: граничні частоти, смуга пропускання, нерівномірність АЧХ чи відхилення ФЧХ від лінійності тощо.
1. Гранична частота визначається як частота, на якій модуль M (f) зменшується до певного значення (наприклад, на
3 дБ, тобто. у 2 рази, або до рівнямаксимальної нерівномірності у смузі пропускання). Розрізняють нижню f і верхню f в граничні частоти. Різниця частот f п = f в f н називається смугою пропускання ЕУ.
2. При аналізі схем розрізняють область нижчих f ≤ f с1 середніх
f c1 ≤ f ≤ f c2 і вищих f ≥ f с2 частот (див. рис. 1.2, а).
3. Нерівномірність АЧХ в смузі пропускання характеризують відносним відхиленням АЧХ в областях нижчих і вищих частот від величини в області середніх частот (див. ε н і ε на рис.1.2, а ).
Мал. 1.2. (а) та фазочастотна (б) характеристики ЕУ
Для оцінки лінійних спотворень, що виникають під час передачі імпульсних сигналів, зручно користуватися перехідною характеристикою ЭУ. Перехідна характеристика – це реакція підсилювача на ідеальний перепад (ступінь) напруги чи струму. Цю характеристику розбивають на три області:
• область малих часів відповідає області найвищих частот АЧХ. Тривалість цієї області визначається часом встановлення вихідного імпульсу після різкої зміни амплітуди вхідного сигналу;
• область середніх часів відповідає області середніх частот АЧХ. Вона настає після області малих часів і закінчується.
чується з настанням області великих часів. У цій галузі зміни вихідного сигналу дуже малі, тому перехідна характеристика має вигляд плоскої вершини;
• область великих часів – аналог області нижчих частот, коли відбувається помітний спад плоскої вершини до згасання вихідного імпульсу.
p align="justify"> При формуванні фронту в області малих часів спотворення сигналів, які з'являються при їх посиленні або перетворенні, характеризуються наступними параметрами (рис. 1.3):
• часом затримки t зд , що визначається як час,минуле від моменту подачі вхідного сигналу до досягнення вихідним сигналом певного рівня його встановленого значення (найчастіше рівня 0,1 від амплітуди вихідного сигналу);
• часом наростання фронту t н , що визначається як час, протягом якого вихідний імпульс наростає від рівня, що відповідає часу затримки, до деякого рівня, близького до амплітуди вихідного імпульсу. Найчастіше рівні, визна-
ділять t н вибираються 0,1 і 0,9 від амплітуди вихідного імпульсу;
• відносною величиною викиду ε , що є відношенням перевищення вихідного сигналу над його значенням до останнього.
Мал. 1.3. Перехідна характеристика ЕУ
у ділянці малих часів – реакція на ідеальний перепад напруги амплітудою U д т