Методы физиологических исследований

В электрофизических экспериментах наиболее часто используют неполяризующиеся электроды следующих типов: серебро - хлористое серебро, платина - хлористая платина и цинк - сернокислый цинк.

Серебряные электроды при соприкосновении с тканевой жид-костью, содержащей хлориды, быстро покрываются слоем хлористого серебра и после этого поляризуются с трудом. Однако для точных экспериментальных исследований серебряные электроды покрывают слоем хлористого серебра до их использования в эксперименте. Для этого серебряный электрод зачищают мелкой наждачной бумагой, тщательно обезжиривают, промывают дистиллированной водой и погружают в сосуд с 0,9% раствором NaCl или 0,1 н. НС1, в котором уже имеется угольный электрод.

К серебряному электроду подключают анод (+), а к угольному -катод (-) любого источника постоянного тока (батареи, аккумулятора, выпрямителя и т. п.) напряжением 2 - 6 В. Через электроды пропуска-ют ток плотностью от 0,1 до Ю А/м 2 до тех пор, пока электрод не покроется сплошным слоем хлористого серебра. Эту операцию рекомендуется проводить в темноте. Готовые хлорированные электроды хранят в растворе Рингера в темноте.

Неполяризующиеся платиновые электроды можно изготовить следующим образом. Платиновую проволоку промывают дистиллированной водой и опускают на несколько минут в концентрированную серную кислоту, а затем тщательно промывают в дистиллирован-ной воде, после чего два платиновых электрода опускают в сосуд с раствором хлористой платины. Один электрод подключают к аноду, другой - к катоду источника постоянного тока с напряжением в 2 В.

С помощью переключателя через них пропускают ток то в одном, то в другом направлении (4-6 раз по 15 с). Электрод, который будет использован в исследованиях, в последней операции по пропусканию тока должен быть соединен с анодом источника тока. Готовый электрод необходимо промыть и хранить в дистиллированной воде.

Неполяризующиеся электроды типа цинк - серно-кислый цинк представляют собой стеклянные трубки, заполненные раствором серно-кислого цинка 2, в который помещен амальгамированный цинковый стержень 3. Амальгамирование цинка получается путем его погружения на несколько минут сначала в 10% раствор серной кислоты, а затем - в ртуть. Нижний конец стеклянной трубки закрывают каолином 4, замешенным на растворе Рингера. Наружной части каолиновой пробки придают форму, удобную для контакта с объектом. Иногда пробку делают из гипса и вставляют в нее ватный фитиль или мягкую волосяную кисточку 5. Ионы цинка имеют большую диффузионную способность, поэтому эти электроды хранятся не более 1 сут.

Электроды для стимуляции и отведения применяются и в остром, и в хроническом экспериментах. В последнем случае за несколько дней до эксперимента их имплантируют (вживляют) в ткани объекта исследования. Это - вживленные электроды.

ДАТЧИКИ

Датчики - это устройства, преобразующие различные физические величины в электрический сигнал. Различают генераторные и пара-метрические датчики.

Генераторные датчики под тем или иным воздействием сами генерируют электрическое напряжение или ток. К ним можно от-нести следующие типы датчиков: пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные и фотоэлектрические.

Параметрические датчики под действием измеряемой функции изменяют какой-либо параметр электронной схемы и модулируют (по амплитуде или частоте) электрический сигнал этой схемы. Основные типы параметрических датчиков следующие: омические, емкостные и индуктивные.

Следует отметить, что такое деление датчиков условно, так как на основе термоэлектрического и фотоэлектрического эффектов созданы как генераторные, так и параметрические датчики. Например, фотодиоды и термопары служат для создания генераторных датчиков, а фото- и терморезисторы - параметрических.

Внедрение различных типов датчиков в физиологические и клинические исследования позволяет получать объективную информацию о многих функциях организма, например о сокращении мышц, смещении центра тяжести тела при перераспределении крови, давлении крови, кровенаполнении сосудов, степени насыщения крови кислородом и углекислым газом, о тонах и шумах сердца, температуре тела и многих других.

Пьезоэлектрические датчики. Создание этого типа датчиков основано на пьезоэлектрическом эффекте, который выражается в следующем: некоторые кристаллические диэлектрики (кварц, сегнетова соль, титанат бария) под действием механической деформации способны поляризоваться и генерировать электрический ток. Пьезоэлектрический датчик состоит из кристалла, на который путем напыления нанесены металлические контакты для отведения генерируемого датчиком электрического потенциала. При деформации пьезоэлектрического датчика с помощью механической системы можно регистрировать различного рода смещения, ускорения и вибрацию (например, пульс), а пьезоэлектрические микрофоны могут быть использованы для регистрации фоноэлектрокардиограммы.

Пьезоэлектрические датчики имеют некоторую емкость (100-2000 пф), поэтому они могут искажать сигналы с частотой ниже нескольких герц. Они практически безынерционны, что позволяет их использовать для исследования быстроменяющихся процессов.

Термоэлектрические датчики. Этот тип датчиков преобразует изменения температуры в электрический ток (термопара) или изменяет под влиянием температуры силу тока в электрической цепи (терморезисторы). Термоэлектрические датчики широко используют для измерения температур и определения различных параметров газовой среды - скорости потока, процентного содержания газов и т. д.

Термопара состоит из двух разнородных проводников, соединенных друг с другом. Для ее изготовления применяют различные материалы: платину, медь, железо, вольфрам, иридий, константен, хромель, копель и _др. В термопаре, состоящей из меди и константана, при разности температур ее соединений в 100°С возникает электродвижущая сила, равная примерно 4 мВ.

Терморезисторы - это полупроводниковые резисторы, способные уменьшать свое сопротивление по мере повышения температуры. Существуют резисторы, сопротивление которых с повышением температу-ры увеличивается, их называют позисторами. Терморезисторы выпускают в самом разнообразном конструктивном оформлении. Терморезисторы следует включать в цепи измерительного моста постоянного тока. Их широко используют для создания электротермометров.

Фотоэлектрические датчики, или фотоэлементы. Этот тип датчиков представляет собой устройства, которые изменяют свои параметры под действием света. Различают три типа фотоэлементов: 1)с внешним фотоэффектом, 2) с запирающим слоем (фотодиоды), 3) с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумные или наполненные газом баллоны. В баллоне расположе-ны два электрода: катод, покрытый слоем металла (цезий, сурьма), способного под действием света испускать электроны (внешний фотоэффект), и анод. Фотоэлементы этого типа требуют дополнительного пита-ния для создания внутри элемента электрического поля; их включают в сеть постоянного тока. Под действием света катод испускает электроны, которые устремляются к аноду. Возникающий таким путем ток служит показателем интенсивности светового потока. Газонаполненные фотоэлементы более чувствительны, так как фототек в них усиливается за счет ионизации электронами наполняющего газа. Однако по сравне-нию с вакуумными фотоэлементами они более инерционны.

Фотоэлементы с запирающим слоем используют в ряде медицинских приборов (например, в пульсотахометрах, оксигемометрах и др.). Фотоэлемент этого типа представляет собой железную или стальную пластинку 1, на которую нанесен слой полупроводника 2. Поверхность полупроводникового слоя покрыта тонкой металлической пленкой 4. Одним из электродов является пластинка, другим - металлическая пленка на полупроводнике 5. Для надежности кон-такта пленка по периметру уплотнена более толстым слоем металла 3. При изготовлении фотодиода запирающий слой формируется или между полупроводником и пластиной, или между полупроводником и пленкой.

При освещении фотодиода кванты света выбивают из полупроводника электроны, которые проходят через запирающий слой и заряжают отрицательно один электрод; сам полупроводник и другой электрод приобретают положительный заряд. Следовательно, фотодиод при его освещении становится генератором электрической энергии, величина которой зависит от интенсивности светового потока. Фототек у фотодиодов можно значительно увеличить, если к электродам фотодиода приложить напряжение от внешнего источника постоянного тока.

Фоторезисторы обладают свойством менять свое активное сопро-тивление под влиянием светового потока. Они имеют высокую чувствительность в широком диапазоне излучения от инфракрасного до рентгеновского. Их чувствительность зависит от величины напряжения измерительной схемы. Фоторезисторы включают в цепь измерительного моста, который питается от источника постоянного тока. Изменение сопротивления фоторезистора под действием света нарушает балансировку моста, что приводит к изменению величины тока, текущего через измерительную диагональ моста.

Фотодиоды менее чувствительны, чем фоторезисторы, но и менее инерционны. Внешний вид датчика с фотоэлементом, используемого для пульсотахометрии.

Индукционные датчики. Этот тип датчиков применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений, например вибрации. Электродвижущая сила в индукционных датчиках возни-кает пропорционально скорости перемещения проводника в магнитном поле перпендикулярно направлению магнитных силовых линий или при перемещении магнитного поля относительно проводника.

Омические датчики. Эти датчики способны изменять свое сопротивление при линейных и угловых перемещениях, а также при деформации и вибрации.

Существуют различные типы омических датчиков. В реостатных и потенииометрических омических датчиках изменение их сопротивления достигается за счет перемещения подвижного контакта, который имеет механическую связь с объектом преоб-разуемого перемещения. Чувствительность этих датчиков сравнительно невелика и составляет 3-5 В/мм. Точность преобразования может быть довольно высокой (до 0,5%) и зависит от стабильности питающего напряжения, точности изготовления сопротивления датчика, его атурной стабильности и других факторов. Эти датчики имеют простую конструкцию, малые габариты и массу, могут быть включены в цепь постоянного и переменного токов. Однако наличие подвижного контакта ограничивает срок службы этих датчиков.

В проволочных омических датчиках (тензодатчиках) подвижный акт отсутствует (рис. 8, Г). Под влиянием внешних сил эти датчики меняют свое сопротивление за счет изменения длины, сечения и удельного сопротивления металлической проволоки. Точность преобразования составляет 1 - 2%. Тензодатчики имеют малые габариты, массу инерциальность и удобны для исследования малых перемещений.

Кроме обычных проволочных датчиков в последние годы нахо-дят широкое применение полупроводниковые датчики (например, гедисторы), у которых тензочувствительность в 100 раз выше, чем у проволочных.

Емкостные датчики. Принцип действия этих датчиков основан на том что преобразуемые физиологические показатели (давление, изменение объема органа) влияют на определенные параметры датчика (диэлектрическую проницаемость, площадь обкладок, расстояние между обкладками) и тем самым изменяют его емкость. Эти датчики имеют высокую чувствительность и малоинерционных Использование дифференциальных емкостных датчиков позволяет повышать их чувствительность и помехоустойчивость. Этот тип датчиков нашел широкое применение в электрофизиологической и диагностической аппаратуре. Они используются, например, в измерителях кровяного давления, плетизмографах, сфигмографах и других приборах, которые предназначены для преобразования неэлектрических величин, отражающих физиологические функции, в пропорциональные электрические величины. Реальная конструкция емкостного датчика приведена на рис. 2, Г и 7, Г, а на рис. 81 показана схема установки для регистрации моторики желудка с помощью емкостного датчика.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5