Импедансометрическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра систем сбора и обработки данных

Контрольная работа по дисциплине: «Системы сбора и обработки данных»

Тема: «Импедансометрическая система»

Факультет: АВТ

Группа: АО-11

Студент: Бекетов П.О.

Преподаватель:

Полубинский В.Л.

Новосибирск 2015

При прохождении через ткани переменного тока, происходит падение этого напряжения. Величиной, определяющей соотношение между напряжением и силой переменного тока, является импеданс - полное электрическое сопротивление цепи переменному току. Известно,что импеданс представляет собой совокупность активного, емкостного и индуктивного сопротивлений:

Но в организме нет таких систем, которые были бы подобны катушке индуктивности, поэтому индуктивность его, а, следовательно, и индуктивное сопротивление ХL равны нулю. Импеданс живой ткани слагается из двух компонентов: активного (омического) сопротивления, обусловленного электролитным составом тканей и наличием высокомолекулярных комплексов (ионная проводимость), и емкостного (поляризационного) сопротивления, обусловленного явлениями поляризации - образованием в момент прохождения тока двойных электрических слоев на границах различных тканевых структур и клеточных мембран. Это придает тканям диэлектрические свойства. Высокая поляризационная емкость - характерное свойство живых, неповрежденных клеток.

Т.к. емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте тока и емкости, то математическое выражение импеданса может быть представлено так:

Если увеличивать частоту переменного тока, то можно добиться снижения величины емкостной составляющей, т. е. уменьшить явление поляризации, которое мешает реографическим исследованиям. В результате величина импеданса будет определяться только активным сопротивлением. Активное сопротивление состоит из постоянной и переменной составляющих. Первая обусловлена общим кровенаполнением и непосредственно проводимостьюя самого эпидермиса, вторая вызвана колебаниями кровенаполнения во время сердечного цикла. Регистрация переменной величины электрического сопротивления дает косвенное представление об объемных изменениях сосудов в течение сердечного цикла и, следовательно, позволяет судить о кровоснабжении исследуемого участка тела.

На опыте величина импеданса может быть определена по измерениям амплитудных (или эффективных) значений напряжения Uo и силы тока Io

Фазовый сдвиг ? определяет отношение реактивной и активной составляющих импеданса

Значения угла сдвига фаз, полученные при частоте 1 кГц для различных биологических объектов, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Угол сдвига фаз (в градусах) для различных видов тканей:

Составную (комплексную) величину Z принято изображать в виде векторной диаграммы, на которой ось абсцисс - величина активного сопротивления, ось ординат - величина реактивного сопротивления. [А.М. Тихомиров. Импеданс биологических тканей и его применение в медицине. Методическое пособие. РГМУ 2006 год]

Рис.1.- Векторная диаграмма: R - активное сопротивление; X - реактивное сопротивление.

Медико-технические требования. Биологические ткани, в том числе ткани тела человека, способны проводить электрический ток. Основными носителями заряда в них являются ионы. Наибольшей удельной электропроводимостью (g), то есть наименьшим удельным сопротивлением (r), обладают ярко выраженные электролиты - спинномозговая жидкость и кровь. Жировая, костная ткани, а также сухая кожа, имеют очень малую. Рассмотрим схему измерения сопротивления органа или участка тела O.

Рис. 2 - Схема измерения сопротивления

I - сила тока протекающая через участок О, измеряемая миллиамперметром тА; U - напряжение между электродами Э-Э, измеряемое вольтметром V, то R=U/I. Сопротивление R должно изменяться в такт с сердечными сокращениями, поскольку во время них происходят изменения кровенаполнения органа. Однако практически эти изменения так малы (десятые доли Ом и меньше), что не могут быть надежно зарегистрированы на фоне большого общего сопротивления участка О (обусловленного большим сопротивлением кожи, межтканевых границ раздела, переходным сопротивлением кожа- электрод и др.). Кроме того, истинное сопротивление участка тела на постоянном токе вообще трудно зарегистрировать из-за возникающей поляризации тканей и появления дополнительных зарядов на электродах. По этим причинам в медицинской реографии не используется постоянный ток, а вместо него применяется переменный ток большой частоты (порядка 100 кГц).

При подаче на электроды Э-Э переменного напряжения

U =U₀sinщt

в цепи исследуемого объекта О протекает переменный ток, изменяющийся по закону

I=I₀sin(щt-ц₀),

щ=2рх - циклическая частота; х - частота переменного тока; ц₀ - сдвиг по фазе между током и напряжением.

Рис. 3 - Подача на электроды переменного напряжения

Величина

Z = U₀/I₀

называется, полным сопротивлением или импедансом объекта и зависит как от свойств самого объекта (электрического сопротивления R, емкости С и индуктивности L объекта), так и от частоты переменного тока.

В тканях тела человека структур, обладающих индуктивными свойствами, не обнаружено. Однако клеточные мембраны, а также границы раздела между различными тканями в определенном смысле подобны конденсаторам (при прохождении тока в них возникает двойной электрический слой зарядов), поэтому любой участок тела обладает более или менее значительной емкостью С.

Так как емкостное сопротивление R_c уменьшается при увеличении частоты переменного тока х по закону

R_c = 1/2рхС = 1/щС,

то можно ожидать, что и полное сопротивление (импеданс) участка тела также будет убывать с частотой.

Действительно, характерная зависимость импеданса живой ткани Z от частоты переменного тока f имеет вид, представленный на рис. 4.

Рис.4 - Зависимость импеданса живой ткани

При малых частотах f (до 10⁴ Гц) импеданс велик и примерно равен активному сопротивлению R ткани для постоянного тока. При больших частотах Z уменьшается, достигая f ~ 10⁸ Гц некоторого минимального значения R'.

Такая зависимость импеданса от частоты может быть приближенно моделирована электрической схемой, представленной на рис. 5.

Рис.5 - Модель электрической схемы отражающей зависимость импеданса от частоты

В медицинской реографии используются частоты переменного тока порядка 100 кГц. При столь больших частотах общий импеданс исследуемого органа или участка тела уменьшается и значительно большей степени зависит от кровенаполнения органа. Поэтому относительные изменения импеданса во время сердечных сокращений становятся большими, и их регистрация значительно облегчается. Причем эти изменения практически определяются лишь изменением активной составляющей R полного импеданса исследуемого органа, так как емкостная составляющая на используемых частотах при изменении кровенаполнения изменяется совершенно незначительно. [Медицинская энциклопедия. Реография]

Разработка устройства импедансометрической системы:

Рис. 6 Функциональная схема

Электроды. Существенную роль в получении высококачественных реограмм играют электроды. В настоящее время в клинике используют электроды из латуни, покрытые серебром, свинцовые или оловянные различных размеров, прямоугольной, круглой формы, в виде лент. Кожу в местах наложения электродов протирают спиртом или эфиром. Для лучшего контакта и уменьшения сопротивления предварительно смазывают кожу электродной пастой или используют прокладки, смоченные физиологическим раствором. Электроды накладывают на прокладки и фиксируют резиновыми бинтами.

Заключение

В ходе проделанной работы была разработана схема, на основе которой возможна реализация импедансометрического устройства.

Литература

1. С.А. Голь, В.Г. Кряков, Н.С. Харламова. Реография. Принципы конструирования аппаратуры [Текст]. - Рязань: РГРТУ, 2008. 48 с.

2. Утямышев Р.И. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения: Пер. с англ./ Л. Кромвелл, М. Ардитти и др. [Текст] - М.: Радио и связь, 1981. - 344 с.

3. Медицинская энциклопедия. Реография. [Электронный ресурс] - URL: http://www.medical-enc.ru/16/rheography.shtml (дата обращения 03.01.2015)

4. Мониторинг. Методы исследования. Реография. [Электронный ресурс] - URL: http://www.symona.ru/school/monitoring-methods/monitoring-methods_20.html (дата обращения 03.01.2015)

5. Маята В.С. Диагностическая и терапевтическая техника. М.: Медицина, 1969

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в 2-х томах.

7. ООО «ИД Скимен» Журнал «Схемотехника». Научно - технический журнал. 2005г. №6

8. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, 1987г., с. 330.

9. А.Н. Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики, 1982г., с. 265.

10. А.М. Тихомиров. Импеданс биологических тканей и его применение в медицине. Методическое пособие. РГМУ 2006 год. [Электронная версия] - URL: http://pf.rsmu.ru/fileadmin/rsmu/img/pf/cmibf/uchebnay_rabota/lecture/impedans.pdf

11. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Филист С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий: Монография [Текст] / Курская городская типография. Курск, 1999. 537 с.

12. Р.В. Хемминг. Цифровые фильтры [Текст]. М.: Сов. Радио, 1980, 224 с.

13. «Автоматизированная система регистрации и анализа полиреографической информации» К.В. Гавриков. И.Б. Исупов. И.В. Томарева

14. Соколова И.В., Яруллин Х.Х., Максименко И.М. и др. Анализ структуры реоэнцефалограммы как биосигнала пульсового кровенаполнения // Журн. невропатол. и психиатр.- 1977.- Т. 77, 9.- С.1314-1321.

Размещено на Allbest.ru