Реографические методики исследования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Обзор методик реографических исследований

1.1 Реокардиография

1.2 Реографические методики исследования

2. Биофизические основы реографии

2.1 Электрические свойства тканей организма

2.2 Основы методов реографии

2.3 Биоимпедансные характеристики живых тканей на переменном токе

2.4 Эквивалентные схемы замещения

2.5 Наложение электродов

2.6 Методы измерения импеданса

3. Разработка медико-технических требований для двуканального реографа

3.1 Аналоги приборов

4. Структурная схема для двуканального реографа

5. Принципиальная схема усилителя для двуканального реографа

5.1 Инструментальный усилитель

5.2 Пиковый детектор

5.3 Фильтр нижних частот

5.4 Аналого-цифровой преобразователь

6. Моделирование узлов усилителя в среде MicroCap

6.1 Фильтр нижних частот

7. Литература



1. Обзор методик реографических исследований

Изучение центрального и периферического кровообращения, изменения тонуса сосудов при нормальных и патологических состояниях организма имеет большое теоретическое и практическое значение, при физиологических исследованиях в диагностике заболеваний сердечнососудистой системы.

Бескровные методы исследования с использованием электроизмерительных средств в настоящее время находят применение в различных областях техники, физиологии и медицине. Примером бескровных методов при изучении кровообращения являются реография и реоплетизмография. В основе их лежит зависимость изменения электропроводности живой ткани от колебаний кровенаполнения сосудов. Рассмотрим некоторые методики реографических исследований.

1.1 Реокардиография

Это метод регистрации РГ сердца и околосердечной области. Для этого активный электрод накладывают на область верхушки сердца, а второй (большей площади) на область правой лопатки или на правое плечо.

РКГ позволяет определить фазы сердечного цикла. Для этой цели одновременно регистрируют ЭКГ, ФКГ, СФГ и др. и выявляют характерные точки, по которым могут быть определены начало и конец фаз кардиоцикла. Фазовый анализ тогда производится по следующим показателям (Рисунок 1): интервал от начала I тона ФКГ до начала крутого подъема РКГ -- фаза изометрического сокращения; интервал от начала подъема РКГ до начала II тона или инцизуры РКГ -- период изгнания; интервал от зубца Q до начала крутого подъема РКГ -- период напряжения. У здоровых людей в зависимости от сердечного ритма продолжительность фазы напряжения колеблется от 0,05 до 0,13 с, в среднем около 0,085 с, а длительность фазы изгнания 0,14--0,30 с

1 - ФКГ; 2 - РКГ в отведении верхушка сердца - правое плечо; 3 - фаза изометрического сокращения; 4 - период изгнания: I, II - тоны сердца, регистрация: реограф РГ2-01 и четырехканальный электрокардиограф «Элкар», V - 100 сс/с.

Рисунок 1 - Определение некоторых фаз сердечного цикла с помощью РКГ.

На Рисунке 2 РКГ здоровых людей в покое. Каждый цикл РКГ состоит из двух основных волн, вторая волна обычно меньше первой. Но наблюдается, что амплитуда второй волны может достигать высоты амплитуды первой и даже превышать ее. Продолжительность второй волны всегда больше продолжительности первой. Правильные повторяющиеся циклы, пригодные для фазового анализа, можно зарегистрировать только при задержке дыхания. Главное в происхождении волн РКГ - изменения кровенаполнения сердца и крупных сосудов грудной клетки. В меньшей степени сказываются движения и перемещения самого сердца.

При некоторых видах сердечнососудистой патологии форма РКГ изменяется: увеличивается крутизна и амплитуда систолической волны желудочков, число волн предсердий, изменяется фазовая структура сердечного цикла. Эти факторы затрудняют расшифровку РКГ и проведение фазового анализа. Поэтому для устранения трудностей был предложен метод прекардиальной реокардиографии, заключающийся в наложении электродов для снятия РКГ в околосердечной или предсердечной области [1].

1, 2, 3 - РКГ в отведении верхушка сердца - правое плечо; регистрация: реограф РГ1-01 и одноканальный электрокардиограф ЭКПСЧ-4; К - калибровочный сигнал 0,1 Ом; V - 50 мм/с

Рисунок 2 - РКГ здоровых людей.

Для записи прекардиальной РКГ применяются два электрода, один из них накладывают в области верхушки сердца, второй -- в четвертом межреберье слева от грудины (точка Боткиа-- Эрба). Обычно прекардиальная РКГ регистрируется при задержке дыхания.

Прекардиальная РКГ отражает изменения сопротивления самого сердца и на ней меньше сказывается влияние крупных сосудов и изменения положения сердца. При различных сердечно-сосудистых заболеваниях кривые РКГ приобретают характерные изменения по форме и по временным интервалам.

Одновременная регистрация прекардиальной РКГ, РГ аорты и РГ легочной артерии дает возможность раздельного исследования сократительной функции миокарда правого и левого желудочков и выявления асинхронизма в их деятельности в норме и патологии.

1.2 Реографические методики исследования

Реография конечностей.

Изучение кровообращения конечностей получило широкое распространение в практической медицине, потому что конечности являются доступным объектом исследования.

При анализе РГ конечностей существенное значение имеют амплитуда кривой, вычисляемая в омах по соотношению с калибровочным сигналом, форма кривой, длительность отдельных отрезков, их соотношения величина реографического индекса (РИ) и др. [1]

1 - РГ предплечья; 2 - РГ плеча; 3 - РГ среднего пальца руки; 4 - РГ бедра; 5 - РГ голени; К - калибровочный сигнал 0,05 Ом; все кривые записаны при V - 25 мм/с.

Рисунок 3 - РГ верхних и нижних конечностей здорового человека.

При патологии сосудов конечностей отмечаются изменения РГ: снижение амплитуды, уменьшение РИ, изменение формы, уменьшение или исчезновение дополнительных волн; удлинение интервалов и увеличение запаздывания волн РГ по отношению к ЭКГ и ФКГ.

Реоэнцефалография.

Реографическое исследование мозгового кровообращения привлекает большое внимание в связи с анатомическими особенностями расположения головного мозга. В сравнении с применяемыми методами изучения мозгового кровообращения только реография не требует нарушения целостности тканей, безопасна, не изменяет гемодинамику мозга, дает возможность повторных исследований.

РЭГ является суммарным отражением пульсовых изменений артериального и венозного кровенаполнения сосудов головного мозга и отражает состояние внутричерепных сосудов. Интрацеребральный (внутри головного мозга) компонент составляет не менее 80--90%. Доля внечерепного кровообращения в формировании РЭГ у здоровых людей составляет лишь 10--15% [2].

1 - лобно-мастоидальное; 2 - регулярные отведения; Р1 - биотемпоральное; Р2 - биокципитальное; Р3, Р4 - лобно-мастоидальное слева и справа; 3 - монополярное отведение - один электрод (измерительный) на надпереносье и два на мастоидах (токовые).

Рисунок 4 - Схема расположения электродов для различных отведений РЭГ.

Реография легких.

Реография легких - метод изучения колебаний кровенаполнения сосудов малого круга кровообращения. Эти изменения обусловлены кровообращением в полостях сердца, аорты, легочных артерий. Особенностью РГ легких то, что, помимо пульсовых колебаний кровенаполнения легочной артерии и других сосудов легкого, она отражает изменения кровенаполнения легких в зависимости от вдоха и выдоха.

Данный метод применяется для оценки гемодинамики малого круга кровообращения при различных типах легочной гипертензии, при бронхиальной астме для дифференциальной диагностики рака легкого.

Реография печени.

Из-за своего месторасположения исследования данного органа затруднительны. Применение реографии для этой цели устраняет некоторые сложности и дает возможность судить о многих функциональных и патологоанатомичееких изменений печени.

РГ - регорамма; ЭКГ - II отведение; К - калибровочный сигнал 0,1 Ом; 1 - систолическая волна; 2 - постсистолическая волна; V - 25 мм/с.

Рисунок 5 - РГ печени здорового человека.

Реография почки.

Метод реографии почки, отражающий ее гемодинамику, получил название реоренографии.

При анализе РГ почки необходимо учитывать особенности ее кровообращения.

Регистрация РГ почки в клинических условиях применяется для диагностики склероза сосудов, при нефроптозе, пиелонефрите, при почечной форме гипертонии и других заболеваниях.

Реография глаза.

Метод реографии глаза применяется для изучения внутриглазной гемодинамики в норме и патологии. Интерес к этому методу связан еще и с тем, что по состоянию кровообращения глаза можно судить о состоянии кровообращения мозга, т.к. сосуды глаза являются ветвями мозговых артерий и обе системы одинаково реагируют на внешние воздействия.

С помощью метода реографии выявлены особенности гемодинамики глаза при ревматических пороках сердца.

Реоодонтография.

В стоматологии появилась необходимость исследования кровообращения в десне и пародонте для диагностики и изучения патогенеза пародонтопатий, пульпитов, кариеса и др.

Изучение электрического импеданса пульпы зуба трудно в связи с высоким сопротивлением (около 1000 Ом) твердых тканей зуба (эмали, дентина), в толще которых расположена пульпа.



2. Биофизические основы реографии

2.1 Электрические свойства тканей организма

Живые ткани - сложная гетерогенная структура состоящая из слоев ячеек с различными диэлектрическими проницаемостями.

Известно, что ткани БО обладают способностью проводить постоянный и переменный электрический ток. Прохождение электрического тока через биологические материалы связано с наличием свободных заряженных частиц.

В состав живых тканей, кроме белковых частиц, входит большое количество солей (NaCl, К) и свободная вода. Следовательно, основной их проводящей средой является электролит. Живая ткань является проводником второго рода и ее электрические свойства обусловлены ионным составом и наличием высокомолекулярных соединений. При этом также различные среды и ткани живого организма имеют разную электропроводность.

Как известно, электропроводность (g) -- величина, обратная сопротивлению проводника:

(1)

где: r -- величина, характеризующая электрическое сопротивление.

При исследованиях тканей биологических объектов обычно определяют не электропроводность, а сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника выражается формулой:

(2)

где с -- удельное сопротивление; l -- длина проводника; S -- сечение проводника.

Исследования характеристик БО, проводимые на постоянном токе, показали, что удельное сопротивление живых тканей измеряется величинами до 105 Ом*см, что относило их к группе полупроводников.

Таблица 1 - Удельное сопротивление биотканей.

Биологическая ткань	Удельное сопротивление, Ом*м при частоте 50 кГц
Спинномозговая жидкость Кровь Нервно-мышечная ткань Лёгкие без воздуха Мозг (серое вещество) Скелетные мышцы Печень Кожа Мозг (белое вещество) Лёгкие при выдохе Жировая ткань Лёгкие при вдохе Костная ткань	0,65 1,5 1,6 2,0 2,8 3,0 4,0 5,5 6,8 7,0 15 23 150

Известно, что при прохождении постоянного тока через живые ткани сила тока (I0) не остается постоянной во времени, a после наложения потенциала начинает непрерывно падать, пока не установится на более низком постоянном уровне (It). Это объясняется, что при прохождении тока через биосистему возникает встречная электродвижущая сила (ЭДС) и обусловливает появление в тканях биологической системы поляризационной емкости, величина которой может быть вычислена, по формуле:

(3)

где Ср -- поляризационная емкость; R -- сопротивление; I -- сила тока; I0 -- начальная сила тока; It -- конечное значение силы тока, причем изменение силы тока происходит не по прямой линии, а имеет нелинейный характер. Это свидетельствует о нелинейности сопротивления биологической ткани. Тогда закон Ома для биологического объекта следует записать:

(4)

где V -- разность потенциалов; P(t) -- ЭДС поляризации как функция времени.

Возникновение ЭДС - способность живых клеток накапливать заряды при прохождении через них тока, т.е. связано с емкостными, диэлектрическими свойствами биологических объектов, обусловленными явлениями поляризации [3]. Высокая поляризационная емкость -- свойство живых неповрежденных клеток. В зависимости от способности к поляризации удельное сопротивление тканей колеблется в различных пределах.

Таблица 2 - Диэлектрическая проницаемость биотканей.

Для избежание поляризации предложили использовать переменный ток. Это обусловило в дальнейшем применение переменного тока во многих косвенных способах исследования различных процессов.



2.2 Биоимпедансные исследования, положенные в основу методов реографии

В основе метода реографии лежит измерение полного сопротивления (импеданс) живых тканей и его изменений при колебании кровенаполнения органов. Метод измерения импеданса и его изменений в биологических системах позволяет изучать структуру живого вещества и протекающие в нем физиологические процессы.

Переменный ток высокой частоты легко преодолевает сопротивление кожного эпидермиса и относительно хорошо проводится глубоко расположенными тканями.

Использование переменного тока широкого диапазона частот послужило началом нового подхода к биоимпедансным методам исследования и к оценке явлений в живых тканях организма при пропускании через них тока различных частот.

С. Н. Ржевкин и Н. Н. Малов (1929, 1932) установили, что величина омического сопротивления и емкости живых тканей меняется в зависимости от функционального состояния организма. При этом изменения сопротивления и емкости наблюдались при патологических явлениях в тканях и органах. Следовательно, изменения кровенаполнения органов обусловливают изменение электрических характеристик живой ткани. По электропроводности различных тканей, органов, участков биологических объектов можно судить об их функциональном состоянии.

2.3 Биоимпедансные характеристики живых тканей на переменном токе

Вещества, из которых состоят ткани организма, являются диамагнетиками, т. е. почти немагнитны, в них самоиндукция не проявляется. Вот почему полное сопротивление живой ткани переменному току определяется векторной суммой активного и емкостного сопротивлений:

Z=R -- iXc (5)

где i = v -- 1, т. е. мнимая единица; Xc--реактивность.

Модуль полного сопротивления определяется геометрической суммой обеих компонент:

(6)

Рисунок 6 - Векторная диаграмма комплексного сопротивления.

При пропускании переменного тока через живую ткань в ней возникают поляризационные явления, складывающиеся из внутритканевой поляризации и поляризационных явлений на границе электрод -- ткань, которые при отмирании ткани исчезают.

Электрическое сопротивление БО зависит от частоты переменного тока. На низких частотах поляризационные явления характеризуются большим значением поляризационной емкости и активного сопротивления. Для биологических систем характерна большая величина сдвига фаз ф° (до 65°). Это показывает, что доля емкостного сопротивления в биологических объектах велика. Соответствующий угол сдвига фаз:

(7)

Живые ткани не однородны по структуре и величине импеданса. Соответственно этому удельное сопротивление различных тканей и органов также неодинаково.

Из работ многих авторов известно, что при патологических процессах в тканях также происходит и изменение их электрических свойств. Так, например, при воспалениях в первых стадиях процесса наблюдается увеличение сопротивления тканей. При действиях повреждающих факторов или при отмирании ткани - уменьшение сопротивления и емкости на низких частотах. На высоких частотах поляризация границ раздела очень мала и высокочастотное сопротивление существенно не изменяется.

Б. Н. Тарусов для оценки жизнеспособности ткани предложил использовать коэффициент поляризации К, характеризующий величину дисперсии, который вычисляется

(8)

сопротивления RH объекта, измеренного на низких частотах (около 104 Гц), к сопротивлению Rв на высоких частотах (106--107 Гц).

Таким образом, измерение электрических параметров тканей организма может служить не только для оценки кровенаполнения органов, но и для диагностики воспалительных процессов и действиях повреждающих факторов.

2.4 Эквивалентные схемы замещения

Электрическая модель биологического объекта может быть представлена в виде различных комбинаций емкостей и сопротивлений в виде различных эквивалентных схем. Следовательно, эквивалентная электрическая схема участка тканей живого организма, находящихся между наложенными на поверхность тела электродами, может быть составлена из резисторов и конденсаторов. Наиболее простыми являются эквивалентные схемы с последовательным и параллельным соединением R- и С-элементов [3].

Приведенные варианты эквивалентных схем отражают неоднородность структуры и электрических характеристик различных участков тела и их непостоянство при гемодинамических сдвигах, а также зависимость от частоты зондирующего тока. Для более глубоких слоев ткани и внутренних органов эквивалентная схема включает в себя более сложное сочетание как последовательных, так и параллельных соединений емкостных и резистивных компонент.

В практической работе по проведению биоимпедансных исследований обычно прибегают к использованию упрощенных эквивалентных схем с параллельной или последовательной схемой замещения сопротивления и емкости, пренебрегая незначительным влиянием каких-либо элементов.

а - для поверхностных слоев кожи; б - для мышечных тканей (включая жир, кровь и т.д.); в - для более глубоких слоев тела и внутренних органов; г - для внутричерепной области.

Рисунок 7 - Примеры эквивалентных схем живых тканей (по Рубинштейну).



2.5 Наложение электродов

Исследуемые области биообъекта делятся на центральные, периферические, вспомогательные.

Центральные регионы: аортальная область, в которой находится аорта и основные магистральные сосуды, выходящие из левого желудочка сердца, обеспечивающего региональный и органный кровоток периферии, т.е. большой круг кровообращения. Второй регион - центральный (или трансторакальный), где расположено сердце и лёгкие, т.е. он включает и большой и малый круг кровообращения. В него входит и аортальная область.

Периферические регионы. Это торс человека, который состоит из трансторакального и абдоминального региона, в котором находятся многие жизненно-важные органы. [4]

При наложении электродов желательно создать равномерную плотность тока в активной зоне измерения.

Центральный (торакальный) регион - CR.

Рисунок 8 - Чувствительность и три линии равного уровня для центрального региона - CR, т.е. для большого и малого круга кровообращения.

Локализация центрального региона - CR, включающего большой и малый круг кровообращения, производится следующим образом.

Это виртуальное отведение, также формируется методом суперпозиции нескольких ранее полученных отведений, записывается:

CR = EP - ES - AR (9)

Из региона голова и торс - EP, вычитается область головы - ES и затем область абдоминального региона - AR.

Активной зоной измерения является область грудной клетки, от шеи до уровня мечевидного отростка, куда входит всё сердце и, практически, все лёгкие, т.е. и большой и малый круг кровообращения.

На Рисунок 8. показаны: поверхность чувствительности и линии равной чувствительности (? 80, 15 и 5 %) , составляющие ? 100 % активной зоны измерения. Видно, что чувствительность начинает себя проявлять чуть ниже уровня мечевидного отростка.

Аортальный регион - BR .

Анализ, методом комбинаторики, показал, возможность сформировать АЗИ для новой области грудной клетки, в которой расположено сердце и сосредоточены все магистральные сосуды, включая незначительную часть верхушек лёгких и коронарные сосуды. [4]

Регион BR назван аортальным регионом - он практически включает в себя только большой круг кровообращения.

На Рисунке 9 показано расположение сосудов в грудной клетке человека и выделена активная зона измерения. Заметим, что она расположена выше подмышечного уровня. Это обусловлено тем, что силовые линии не уходят вниз грудной клетки, т.к. ток вводится через руки (подмышечные впадины).



Рисунок 9 - Расположение сосудов в грудной клетке человека и распределение чувствительности в аортальном регионе.

На Рисунке 9 область измерения кровотока, которую при поверхностном наложении электродов, невозможно получить.

После измерения импеданса в отведении - RL, это виртуальное отведение, также формируется методом суперпозиции ранее полученных АЗИ отведений, для правой руки - RS, для левой руки - LS и суммарного отведения - RL, по суперпозициционному соотношению, записывается:

BR = RL - RS - LS (10)

Таблица 3 - Основные реографические отведения всех регионов тела человека.

№	Отведение	Ток.эл.	Изм.эл.	Коммутация
1	RS - правая рука	RE	RF	RS = RE / RN
2	LS - левая рука	LE	LF	LS = LE / LF
3	FP - левая нога	FN	FL	FP = FN / FL
4	NP - правая нога	NF	NR	NP = NF / NR
5	ES - голова	ER	EL	ES = ER / EL
6	AR - абдоминальный	RN	LF	AR = RN / LF
7	CR - центральный	-	-	CR = EP - ES - AR
8	BR - аортальный	-	-	BR = RL - RS - LS
-	EP (вспомогательный)	EN	EF	EP = EN - EF
-	TR (вспомогательный)	-	-	TR = EP - ES
-	RL (дополнительный)	-	-	RL = RL - RL



2.7 Методы измерения импеданса

Биполярный метод.

При измерении импеданса биполярным методом на объект измерения накладывают 2 электрода, между которыми пропускают ток - I обычно постоянной величины и измеряют величину электрического напряжения - U, которое пропорционально величине измеряемого сопротивления - Z.

Рисунок 10 - Биполярное и тетраполярное подключение.

На Рисунке 10 показаны схемы подключения генераторной и измерительной цепей при биполярном (БМ) и тетраполярном (ТМ) методах измерения.

Можно заключить, что биполярный метод для расчёта непригоден из-за больших погрешностей измерения импеданса БО.

Тетраполярный метод.

При измерении импеданса ТМ, т.е. 4-электродным методом, на объект измерения накладывают с 4 электрода - два токовых (+I и -I) и два потенциальных (+U и -U).

При измерении импеданса БО тетраполярным методом в приэлектродной области может быть создана однородная плотность тока, при условии оптимального выбора параметров электродной системы. При этом практически полностью исключено явление поляризации электродов.

Активная зона измерения импеданса распределена в более глубинных областях БО. В области измерительных электродов практически исключено влияние артефактных токовых электродов.

Тетраполярный метод для расчёта объёмных показателей гемодинамики вполне пригоден, т.к. импеданс может быть измерен с высокой точностью (до 1 %) при условии соблюдения метрологических требований к измерительной и генераторной цепи прибора. [4]

электрический ток реограф усилитель



3. Разработка медико-технических требований для двуканального реографа

1 Наименование и область применения изделия.

1.1 Наименование и обозначение изделия (полное и сокращенное)

Прибор - 2-канальный реограф для диагностики.

1.2 Область применения

Общая терапия, военная медицина, травматология, биология.

4 Цель и назначения разработки

4.1 Основная цель разработки и ожидаемый медицинский, технический, экономический или социальный эффект при использовании изделия

Целью разработки является создание конструкторской и рабочей документации на макет реографической системы.

4.2 Непосредственно функциональное назначение изделия в лечебно-диагностическом процессе, область использования (применения) в соответствии с методикой хирургических вмешательств, измерений (с указанием измеряемых величин)

Прибор предназначен для измерения кровообращения в прекардиальной области.

Прибор предназначен для эксплуатации в терапевтических отделениях медицинских учреждений.

4.3 Возможности разрабатываемого изделия, расширяющие целевое назначение и обеспечивающие преимущества по сравнению с существующими аналогами

Устройство надежнее аналогов.

6 Медицинские требования

6.1 Требования к выполнению изделием функциональных задач в лечебно-диагностическом процессе

Изделие должно обеспечивать правильную корректировку сигнала.

6.2 Физический, медико-биологический, биохимический и т. д. эффекты или явления, на которых основан принцип действия изделия

Реография основана на воздействии высокочастотным током на различные области организма с целью их диагностики. Высокочастотный ток подается токовыми электродами. Результат снимается измерительными электродами.

6.3 Количество рабочих мест, число обслуживаемых пациентов

Количество рабочих мест - 1 (врач).

Количество обслуживаемых одновременно пациентов - 1.

6.4 Требования к средствам установки, контроля и регулирования режимов работы

Информация о включении прибора и переходу в выбранный режим работы отображается посредством звуковой и световой индикации. Громкость звуковой индикации, кроме аварийного режима, регулируется.

Изменение режимов работы осуществляется нажатием на соответствующие кнопки.

Включение генератора высокой частоты кнопочное.

6.5 Требования к способам и средствам отображения и регистрации медико-биологической информации

Данное изделие не должно включать в свой состав средств отображения и регистрации медико-биологической информации.

6.6 Требования к порядку взаимодействия между персоналом (медицинским, инженерно-техническим) и пациентом в процессе применения изделия

Управление работой прибора может осуществляться непосредственно врачом.

6.7 Требования об отсутствии отрицательных побочных эффектов в результате применения разрабатываемого изделия

При работе прибора не должно происходить поражения пациента высокочастотным либо низкочастотным током. Для этого необходимо соблюдать методику воздействия и технику безопасности, описанные в руководстве по эксплуатации прибора. Там же рассмотрены причины поражения и способы их предотвращения. Зондирующий ток не должен превышать 2мА.

6.8 Специальные медицинские требования, определяемые назначением и принципом действия изделия

Не предъявляется.

7 Технические требования

7.1 Состав изделия

7.1.1 Основные составные части изделия

1. реографический блок на стойке (работает с компьютером через последовательный порт);

2. комплект электродов, отводящих кабелей и креплений для выбранных методик (РВГ, РКГ, РЭГ, РПГ и т.д., ЭКГ);

7.1.2 Эксплуатационные документы

1. инструкция по эксплуатации

7.2 Показатели назначения

7.2.1 Технические параметры

7.2.1.1 Форма выходного сигнала ИТ - синусоидальная;

7.2.1.2 Амплитуда выходного тока, не более 2 мА;

7.2.1.3 Относительная нестабильность амплитуды выходного тока, не более 0.1%

7.2.1.4 Частота выходного тока 50 кГц;

7.2.1.5 Относительная нестабильность частоты выходного тока, не более 1%;

7.2.1.6 Диапазон измерения модуля базового импеданса на рабочей частоте 1…100 Ом;

7.2.1.7 Относительная погрешность измерения переменного импеданса, не более 0.1%;

7.2.1.8 Полоса пропускания измерительного преобразователя импеданса, не менее 45 Гц;

7.2.1.9 Неравномерность в полосе пропускания измерительного преобразователя импеданса, не более 3 дБ.

7.2.3 Характеристики энергопитания

7.2.3.1 Прибор должен работать от сети переменного тока частотой 50Гц с номинальным напряжением 220В при отклонении напряжения сети от номинального значения на ±10%. При этом отклонение выходной мощности не должно превышать ±20% от первоначального значения.

7.2.3.2 Приборы, предназначенные для экспорта, должны работать от сети переменного тока частотой 50 Гц или 60 Гц.

7.2.3.3 Мощность, потребляемая аппаратом от сети, не должна превышать 700 В.

7.2.4 Временные характеристики

7.2.4.1 Требуемое время непрерывной работы

Аппарат должен обеспечивать работу в течение 1ч при номинальной выходной мощности в любом из режимов в повторно-кратковременном цикле работы: включение высокочастотного генератора - 10 с, пауза - 30 с.

7.2.4.2 Характеристики рабочего цикла

Отклонение выходной мощности от первоначального значения не должно превышать 20%.

7.2.4.3 Время готовности (подготовки) к работе

Время установления рабочего режима с момента включения аппарата должно быть не более 5с.

7.3 Условия эксплуатации (использования, транспортирования и хранения)

7.3.1 Требования устойчивости разрабатываемого изделия к воздействующим факторам внешней среды

7.3.1.1 Требования устойчивости к климатическим и механическим воздействиям при эксплуатации по стандартам на виды изделия

7.3.1.1.1 Прибор при эксплуатации должен быть устойчив к воздействию климатических факторов по ГОСТ Р 50444 и ГОСТ 15150 для видов климатического исполнения УХЛ 4.2.

7.3.1.1.2 Прибор при эксплуатации должен быть устойчив к механическим воздействиям по ГОСТ Р 50444 для изделий группы 2

7.3.1.3 Требования устойчивости изделия и (или) его составных частей к стерилизации или дезинфекции.

7.3.1.3.1 Активные электроды должны быть устойчивы к предстерилизационной очистке ручным способом в соответствии с ОСТ 42-21-2 и стерилизации в соответствии ОСТ 42-21-2 и МУ287-113.

7.3.1.3.2 Наружные поверхности прибора и принадлежностей должны быть устойчивы к дезинфекции по ОСТ 42-21-2 и МУ287-113 3% раствором перекиси водорода по ГОСТ 177 с добавлением 0,5% моющего средства типа «Лотос», «Астра» по ГОСТ 25644.

7.3.1.4 Требования устойчивости к климатическим при транспортировании и механическим воздействиям

7.3.1.4.1 Прибор в транспортной упаковке должен быть устойчив к воздействию климатических факторов по ГОСТ 15150 для условий хранения 5.

7.3.1.4.2 Прибор в транспортной упаковке должен быть устойчив к механическим воздействиям по ГОСТ Р 50444 и сохранять свою работоспособность.

7.3.2 Виды транспортных средств, необходимость крепления при транспортировании и зашиты от ударов при погрузке и выгрузке

7.3.2.1 Для транспортирования коробки с приборами должны быть уложены в дощатый ящик по ГОСТ 5959. Масса ящика (брутто) должна быть не более 100кг.

7.3.2.2 Транспортирование прибора в упаковке изготовителя может производиться всеми видами крытого транспорта, кроме не отапливаемых отсеков самолетов и морского транспорта, в соответствии с ГОСТ Р 50444 и правилами перевозки грузов, действующими на каждом виде транспорта.

7.3.2.3 Условия транспортирования прибора вида климатического исполнения УХЛ 4.2 - по условиям хранения 5 ГОСТ 15150.

7.3.2.4 При транспортировании и хранении на стеллажах упакованные приборы должны быть уложены не более чем в два ряда.

7.3.3 Требования к медицинскому и техническому персоналу

К эксплуатации прибора может быть допущен медицинский персонал, имеющий опыт работы с регорафом и после изучения порядка подготовки к работе и работы с прибором, изложенных в руководстве по эксплуатации.

7.3.4 Требования к периодичности и видам контроля технического состояния, обслуживания

Контроль технического состояния проводится перед каждым началом работы. По критериям, изложенным в руководстве по эксплуатации, оценивается исправность прибора и электродов.

Техническое обслуживание производится не менее 4 раз в год, начиная с даты введения в эксплуатацию. Техническое обслуживание осуществляет фирма-изготовитель.

7.4 Требования безопасности по стандартам на виды изделий

7.4.1 Требования к уровням шума, радиации, излучении и т. д.

По электромагнитной совместимости аппарат должен соответствовать ГОСТ Р 50267.0.2, а в части уровня радиопомех - ГОСТ Р 51318.11-99.

7.4.3 Требования безопасности при монтаже, использовании, техническом обслуживании и ремонте

7.4.3.1 Монтаж электрической части должен проводиться по РДТ 25-106.

7.4.3.2 Сетевая розетка для подключения прибора должна иметь заземляющий контакт.

7.4.3.3 Не допускается применение самодельных переходников и удлинителей сетевого кабеля.

7.4.3.4 Подключение к электрической сети должно осуществляться через защиту от коротких замыканий (автоматические выключатели, предохранители), находящуюся вне операционных помещений. Защита должна состоять из предохранителей или автоматических выключателей и устанавливаться в оба сетевых провода.

7.4.3.5 Запрещается использовать в качестве предохранителей вставки не рассчитанные на ток 4.0А или самодельные плавкие вставки.

7.4.3.6 Запрещается эксплуатировать прибор со снятыми верхней или нижней крышками или задней стенкой.

7.4.3.7 Запрещается проведение проверок работоспособности и ремонтных работ с прибором, имеющим контакт с пациентом.

7.4.4 Требования к электробезопасности (для изделий имеющих физический или электрический контакт с пациентом во ГОСТ Р 50267.0)

По безопасности аппарат должны соответствовать ГОСТ Р 50267.0, ГОСТ Р 50267.2 и выполняться по классу защиты I тип CF.

7.5 Требования к надежности

7.5.1 Класс изделия и (или) его составных частей в зависимости от последствий отказов по ГОСТ Р 50444.

В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации прибор относится к группе В по ГОСТ Р 50444 и РД 50 -707.

7.5.2 Показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости изделия и (или) его составных частей (каналов, блоков и т, п.) по РД 50-707

7.5.2.1 Средняя наработка на отказ не менее 650ч при условии проведения регламентных работ в объеме и периодичностью, предусмотренными в технической документации. Критериями отказа являются несоответствия п.п. 7.2.1.2 - 7.2.1.9.

7.5.2.2 Средний срок службы аппарата до списания должен быть не менее 5 лет. Критерием предельного состояния является изменение характеристик по п.п. 7.2.1.2 - 7.2.1.9 и невозможность или экономическая нецелесообразность восстановления работоспособности аппарата.

7.5.2.3 По ремонтопригодности аппарат должен соответствовать РД 50-707. Конструкция должна обеспечивать быструю разборку и сборку и легкий доступ к наиболее отказоопасным деталям и сборочным единицам. В конструкции должна быть предусмотрена возможность проверки промежуточных характеристик, необходимых для поиска неисправностей. Среднее время восстановления должно быть не более 4 ч.

7.6 Требования к конструктивному устройству

7.6.1 Габаритные размеры, масса (объем) изделия

Габаритные размеры аппарата - не более (500х400х200)мм.

Масса аппарата без запасных частей и принадлежностей должна быть не более 9 кг, а в полном комплекте поставки - не более 14 кг.

7.6.3 Требования к материалам, полуфабрикатам и комплектующим изделиям

7.6.3.1 Шероховатость рабочей части электродов должна быть не более 0,32мкм по ГОСТ 2789.

7.6.3.2 Поверхностное импеданс рабочей поверхности пассивного электрода должно быть не менее 0,5 Ом/см2. Площадь рабочей поверхности пассивного электрода должна быть не менее 10-2 м2.

7.6.4 Требования к покрытиям и средствам защиты от коррозии

7.6.4.1 Металлические и неметаллические неорганические покрытия должны соответствовать ГОСТ 9.303 для группы условий эксплуатации I.

7.6.4.2 Лакокрасочные покрытия аппаратов - по ГОСТ 9.032 для группы условий эксплуатации УХЛ 4 по ГОСТ 9.104. Наружные поверхности аппаратов должны иметь покрытия не ниже III класса по ГОСТ 9.032.

3.1 Аналоги приборов

Учитывая эти требования, в пример можно привести такие приборы:



Компьютерный реограф RHEOTEST 4

Технические характеристики

Таблица 4 - Характеристики реографа.

Количество реографических каналов	4
Количество электрокардиографических каналов	1
Диапазон измеряемого базового импеданса, Ом	10 - 500
Диапазон измерения динамической составляющей импеданса, Ом	0,01 - 0,5
Относительная погрешность измерений базового импеданса, %	±10
Относительная погрешность измерений интервалов времени, %	±2
Верхняя граничная частота полосы пропускания (по уровню -3дБ), Гц, не менее	30
Значения частот зондирующего тока, кГц	16,32,64,128
Величина зондирующего тока, мА, не более	2,5

Особенности данного реографа в том, что одновременно регистрируются качественная объемная и дифференциальная реограмма по 4 каналам и ЭКГ по одному отведению. Цифровая фильтрация проходит не дожидаясь конца получения данных.

В режиме анализа возможно:

? Просмотр записанной ленты.

? Автоматическое выделение реокомплексов, расстановка меток и расчет амплитудно-временных параметров реокомплекса с возможностью ручной коррекции меток по выбранному каналу - Окно «Лупа».

? Вывод всех каналов реокомплекса. Построение таблицы амплитудно-временных параметров реокомплекса. Автоматическое описание реокомплекса по заданной методике - Окно «Комплекс».

? Автоматическая классификация реокомплексов.

? Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР).

Рео-Спектр-2 4-канальный многофункциональный реограф

Технические характеристики

Таблица 5 - Характеристики реографа.

Количество реографических каналов:	4
Диапазон измерения базового сопротивления	10 ч 500 Ом
Диапазон измерения базового размаха сигнала объемной реограммы (переменной составляющей сопротивления)	0.025 ч 4 Ом
Относительная погрешность измерений базового импеданса, %	±10
Относительная погрешность измерений интервалов времени, %	±2
Верхняя граничная частота полосы пропускания (по уровню -3дБ), Гц, не менее	30
Значения частот зондирующего тока, кГц	16,32,64,128
Величина зондирующего тока, мА, не более	2,5

Особенности: 4 канала с временным разделением и задаваемой частотой измерительного такта позволяют регистрировать реограммы без взаимовлияния каналов благодаря специальным методам обработки.

Рео-Спектр-3 6-канальный многофункциональный реограф

Технические характеристики



Таблица 6 - Характеристики реографа.

Количество реографических каналов	6
Количество электрокардиографических каналов	1
Диапазон измеряемого базового импеданса, Ом	10 - 500
Диапазон измерения базового размаха сигнала объемной реограммы (переменной составляющей сопротивления)	0.025 ч 4 Ом
Относительная погрешность измерений базового импеданса, %	±10
Относительная погрешность измерений интервалов времени, %	±2
Верхняя граничная частота полосы пропускания (по уровню -3дБ), Гц, не менее	30
Значения частот зондирующего тока, кГц	16,32,64,128
Величина зондирующего тока, мА, не более	2,5

Особенности: 6 канала с временным разделением и задаваемой частотой измерительного такта позволяют регистрировать реограммы без взаимовлияния каналов благодаря специальным методам обработки.

[5]



4. Структурная схема для двуканального реографа.

ЗГ - задающий генератор (задает форму сигнала; на основе аналоговых схем (LC-структуры)); ИТ - источник тока с большим сопротивлением на высокой частоте; ТР - трансформатор (увеличивает электробезопасность, связь с БО; искажает сигналы емкостной формы; для гармонического сигнала изменяет амплитуду); ПД - пиковый детектор; ТЭ - токовые электроды; ИЭ - измерительные электроды; БГР - блок гальванической развязки; МК - микроконтроллер (преобразователь кода); БО - биообъект; ИУ - инструментальный усилитель (выделяет дифференциальный сигнал и ослабляет синфазный); ФНЧ - фильтр низких частот (аналоговый 1 или 2 рода); АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер; ИП - источник питания

Блок, включающий в себя ЗГ, ИТ и ТР, возбуждает колебания заданной частоты, которые токовыми электродами подаются на БО. Так же к БО подключены измерительные электроды. Сигнал с ИЭ поступает на ИУ, который подавляет синфазную составляющую и пропускает дифференциальную составляющую сигнала. ПД необходим для того, чтобы получить огибающую сигнала. После этого сигнал поступает на ФНЧ, который будет подавлять частоты сигнала выше заданной полосы пропускания. Затем сигнал попадает на АЦП, который переводит аналоговый сигнал в цифровой. Далее цифровой сигнал поступает на МК, который преобразует сигнал в код. МК подается на ПК, но для защиты прибора - сигнал на ПК будет подавать только после его прохождения через БГР.



5. Принципиальная схема усилителя для двуканального реографа

5.1 Инструментальный усилитель

Основные критерии выбора: малое смещение входного тока, большой коэффициент усиления, коэффициент ослабления синфазного сигнала

Таблица 7 - ИУ.

Модель	Uпит, В	Усиле- ние	Ток см, пА	Вх. ток, нА	КОСС, дБ	Скор. нараст., В/мкс	Ток потр., мкА
INA129	+/-2,25... +/-18	1...1000	10	20	110 (K=10)	4	700
INA141	+/-2,25... +/-18	1...1000	20	2А	106 (K=100)	4	750
AD8228	±4,6 ...±36	1...10000	0.05	100	100	-	1
AD8290	+/-2,6... +/-5,5	1...1000	0,2	180	110	-	1,8

Проанализировав технические характеристики всех моделей и сравнив их стоимость, выбираем AD8228.

Коэффициент усиления регулируется ножками 2 и 3. Ku=10, если оставить ножки в покое, и Ku=100, если их закоротить. Приведено в Datasheet на AD8228.

5.2 Пиковый детектор

Пиковый детектор предназначен для измерения максимального значения сигнала за некоторый отрезок времени.

Существует 2 режима работы: слежение и режим хранения. В режиме слежения входной сигнал больше ранее запомненного пикового значения, и выходное напряжение детектора соответствует входному до тех пор, пока входное напряжение не начнет снижаться. В этот момент устройство переходит в режим хранения, в котором будет оставаться до тех пор, пока входное напряжение вновь не превысит ранее достигнутого уровня.

В данной схеме использован ОУ типа 741. Тогда конденсатор емкостью 1 мкФ будет иметь утечку заряда 0,08 В/с. (Iсм/С) а скорость изменения напряжения на выходе - 0,02 В/мкс (Iвых/С). Это значительно меньше, чем скорость нарастания ОУ 0,5 В/мкс (она ограничена максимальным входным током 20 мА, который заряжает конденсатор). Если емкость уменьшить, то скорость возрастет. Исходя из этого, входной усилитель мощности и выходной повторитель следует выбрать типа LF355 (Iсм=30 пА, Iвых=20 мА) и конденсатор С=0,01 мкФ. Тогда утечка будет 0,006 В/с, скорость нарастания 2 В/мкс.

5.3 Фильтр нижних частот

ФНЧ Чебышева

Частота среза Гц

Определим коэффициенты фильтра

Рассчитаем добротность и построим АЧХ и ФЧХ

1 звено

2 звено

3 звено

(11)

(12)

(13)

(15)

(14)

(16)



Рисунок 11 - АЧХ и ФЧХ 1-3 звеньев.



Рисунок 12 - АЧХ и ФЧХ всего фильтра.

Расчет элементов фильтра

(17)

(18)

(19)

Значение емкости С1 и С2 зададим минимальное 0.22 мкФ.

Рисунок 13 - Схема ФНЧ с МОС второго порядка.



5.4 Аналого-цифровой преобразователь

Максимально возможный коэффициент усиления аналоговой части:

Кmax = 5В/0.4В ? 12.5

Тогда, если принять величину младшего разряда оцифровки равной ДU=0.5 мкВ, разрешающая способность АЦП Radc будет определяться из условия: Radc < Kmax•ДU

Таким образом:

Radc = 10В/2n < 12.5•0.5 мкВ (20)

10В/2n < 6.25 мкВ (21)

где n - разрядность АЦП.

Определим минимальную величину n из условия выше:

nmin = 21

Так как разрядность АЦП должна быть четным числом, выбираем n=22.

Тогда разрешающая способность АЦП:

Radc = 10В/222 ? 2.4 мкВ (22)

Выберем модель АЦП, удовлетворяющую следующим условиям:

1. Диапазон входных значений от -5 до +5 В.

2. Разрядность: не менее 22 бит.

3. Частота дискретизации (для сигма-дельта АЦП): не менее 5 кГц



Таблица 8 - АЦП.

AD1555 24-битный, малошумящий, высокопроизводительный сигма-дельта АЦП

Таблица 9 - Основные параметры.

Разрешение,бит	24
Частота выборок (макс.),kSPS	16
Каналов,шт	2
Интерфейс	3-Wire Serial
VIN,В	от -2.25 до 2.25
VREF	Ext.
THD,дБ	-120
Напряжение питания: AVDD,В	от 4.75 до 5.25
ICC,мА	8
PD,Вт	0.077
TA,°C	от -55 до 85
Корпус	PLCC-28 MQFP-44

[9]



6. Моделирование узлов усилителя в среде MicroCap

6.1 Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот (ФНЧ) -- один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

Реализация фильтров нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, акустические барьеры, механические системы и т. д.

Идеальный фильтр нижних частот

Идеальный фильтр нижних частот (sinc-фильтр) полностью подавляет все частоты входного сигнала выше частоты среза и пропускает без изменений все частоты ниже частоты среза. Переходной зоны между частотами полосы подавления и полосы пропускания не существует. Идеальный фильтр нижних частот может быть реализован лишь теоретически с помощью умножения входного сигнала на прямоугольную функциюв частотной области, или, что даёт тот же эффект, свёртки сигнала во временной области с sinc-функцией.

Однако такой фильтр практически нереализуем для большинства сигналов, так как sinc-функция имеет ненулевые значения для всех моментов времени вплоть до бесконечности. Его можно использовать только для уже записанных цифровых сигналов либо для идеально периодических сигналов.

Реальные фильтры для приложений реального времени могут лишь приближаться к идеальному фильтру.



Рисунок 14 - Фильтр нижних частот Чебышева.

Рисунок 15- Частотный анализ.



7. Литература

1. Полищук В.И., Терехова Л.Г., Техника и методика реографии и реоплетизмографии// Москва, «Медицина», 1983. С.172.

2. Ярулин Х.Х., Клиническая реоэнцефалография// Москва, «Медицина», 1983. С.259.

3. Губанов Н.И., Утепбергов А.А.Ю Медицинская биофизика// Москва, «Медицина», 1978. С.336.

4. Цветков А.А., Биоимпедансные методы контроля системной гемодинамики// Москва, «Слово», 2010. С.329.

5. Мир диагностики. - URL: http://www.zelmedservice.ru

6. Analog devices - URL: http://www.analog.com

7. Texas instruments - URL:http://www.ti.com

8. Научная библиотека избранных естественно-научных изданий. Научная библиотека РФ - URL: http://www.alnam.ru

9. Рынок микроэлектроники - URL: http://www.cotalog/gow/ru

Размещено на Allbest.ru