В последние десятилетия для регистрации физиологических процессов стали применять датчики, преобразующие неэлектрические процессы в электрические.
По принципу работы эти датчики подразделяются на генераторные и параметрические. Генераторные датчики генерируют напряжение или ток под воздействием измеряемого сигнала (пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические). Параметрические датчики изменяют собственные параметры под воздействием измеряемого сигнала (емкостные, реостатные, индуктивные и т. д.). Получаемые в результате преобразования эквивалентные электрические сигналы удобно усиливать, измерять и регистрировать. Разработка соответствующих датчиков позволила изучать такие функциональные показатели, как сокращение мышцы, изменение центра тяжести тела в связи с перераспределением крови, давление крови и степень ее насыщения кислородом, кровенаполнение сосудов, тоны и шумы сердца, температуру и т. д. (рис. 4).
Чаще всего датчики подразделяются по виду преобразуемой энергии: механоэлектрические, фотоэлектрические, термоэлектрические и т. д.
Рис. 4. Принцип устройства некоторых датчиков и включения их в электрические схемы.
Механоэлектрические датчики преобразуют-механические явления (давление, смещение, пульсацию и т. д.) в электрические сигналы. В пьезоэлектрических
датчиках механическая деформация специального кристалла (титанат бария, сегнетова соль и др.) преобразуется в электрические потенциалы, пропорциональные степени деформации.
Тензометрические датчики преобразуют механические деформации в электрические процессЕя путем изменения сопротивления многовитковой спирали, намотанной на эластичной основе. Датчик работает при включении его в диагональ моста для измерения постоянного тока.
Индуктивные датчики преобразуют механические явления в электрические путем изменения индуктивности катушки с незамкнутой магнитной цепью в магнитном поле.
Емкостные датчики преобразуют механические явления в электрические за счет смещения одной из пластин конденсатора относительно другой. Изменения емкости конденсатора могут быть точно измерены и зарегистрированы.
Механотроны (ламповый триод с подвижным анодом) преобразуют механические смещения в электрические за счет изменения межэлектродного расстояния, и, следовательно, анодного тока лампы.
Фотоэлектрические датчики преобразуют воздействия световой энергии в электрические процессы. Существует 3 типа фотоэлектрических датчиков: с внешним фотоэффектом, с запирающим слоем (фотодиоды) и внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом — вакуумные приборы, содержащие катод, покрытый слоем металла (цезий, сурьма), обладающего способностью испускать электроны под воздействием света, и анод. При включении фотоэлемента в цепь постоянного тока и воздействии светом на катод за счет эмиссии электронов возникает электрический ток.
Фотоэлементы с запирающим слоем представляют собой фотодиоды. При освещении фотодиода кванты света вызывают эмиссию электронов из слоя полупроводника. Электроны проходят через запирающий слой и заряжают один электрод отрицательно, другой электрод приобретает положительный заряд. Фототок фотодиода существенно увеличивается при его включении в цепь постоянного тока.
Фоторезисторы изменяют сопротивление под влиянием светового потока. Для измерения сопротивления
их включают в одну из диагоналей измерительного моста постоянного тока.
Термоэлектрические датчики: термопары и терморезисторы. Применяются в электротермометрах для определения скорости потока крови, газа, газового состава среды и т. д.
Термопара — датчик, состоящий из соединенных друг с другом двух проводников разных металлов (медь — константан, платина — иридий и т. д.). Если места соединений проводников находятся в разных температурных условиях, то возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Термопара включается в одно плечо измерительного моста.
Терморезисторы — полупроводниковые приборы, изменяющие сопротивление при температурном воздействии. Включаются в диагональ измерительного моста постоянного тока.
Электродинамические датчики (микрофоны) преобразуют акустические явления в электрические. Используются в фонокардиографах. Принцип действия основан на возникновении электродвижущей силы в катушке проводника при его перемещении в постоянном магнитном поле.
Усилители. Регистрация небольших электрических токов, возникающих при жизнедеятельности живых тканей, и в соответствующих датчиках требует применения усилительной аппаратуры. Основными требованиями к биологическим усилителям являются: высокий коэффициент усиления, линейность характеристик, большое входное сопротивление, малая постоянная времени, высокая помехозащищенность, низкий уровень собственных шумов. В ряде приборов необходимо использовать усилители постоянного тока.
Конечным звеном технической системы преобразования исследуемых физиологических параметров является устройство отображения. Среди устройств отображения в медицине получили распространение регистрирующие приборы — регистраторы, которые можно разделить на аналоговые, дискретные и комбинированные.
Регистраторы предназначены для преобразования электрических сигналов от датчиков и усилителей в доступные нашим органам чувств процессы. Чаще всего электрические сигналы преобразуются в форму,
удобную для восприятия зрительным анализатором, реже — слуховым.
Наиболее распространенной формой регистраторов являются приборы, осуществляющие запись физиологических данных на бумаге. Обычно это универсальные устройства, которые могут быть использованы для регистрации различных процессов. Они имеют собственные усилители (аттеньюаторы), калибраторы времени и усиления, устройства для протягивания бумаги и записи на ней, содержат несколько каналов записи (1 —16).
Конструктивные особенности регистраторов определяются принципом построения выходного регистрирующего устройства. Наибольшее распространение в медицинском приборостроении получили выходные устройства, основанные на использовании трех основных физических принципов: электромагнитной индукции, отклонения потоков электронов в электрическом поле и намагничивания ферромагнитных материалов под влиянием магнитного поля.
Использование принципа электромагнитной индукции реализовано в виде различных систем гальваномет-р о в, применяемых как самостоятельно, так и в виде выходных устройств стрелочных, шлейфных и черии-лопишущих регистраторов. Существуют магнитоэлектрические и электромагнитные гальванометры. При использовании магнитоэлектрических систем механическое движение получают за счет изменения положения проводника, по которому проходит регистрируемый ток, в постоянном магнитном поле. Конструктивно гальванометры этого типа отличаются способом выполнения проводника — в виде струны, петли, много-витковой рамки (зеркальные гальванометры, стрелочные индикаторы).
В электромагнитных гальванометрах проводник, по которому проходит регистрируемый ток, располагается непосредственно на полюсах постоянного магнита в виде многовитковых катушек. Постоянное магнитное поле изменяет конфигурацию под влиянием переменного поля, возникающего при прохождении тока через катушки, и создает вращающий момент на якоре, помещенном между полюсами магнита. Этот тип гальванометров нашел широкое применение в регистраторах с непосредственно видимой записью, различающихся по способу создания самой записи: чернилопишущие, струйные, тепловые, копировальные и др.
Наибольшее распространение получили чернило-пишущие перьевые регистраторы, в которых якорь электромагнитного гальванометра передает движение на перо, соединенное с резервуаром чернил. Перо записывает исследуемый процесс на движущейся бумаге. В некоторых приборах чернила заменены копировальной бумагой, движущейся синхронно с обычной. Движение писчика по копировальной ленте оставляет след на обычной бумаге. Таким образом получают запись на электрокардиографах, электроэнцефалографах и специальных регистраторах.
В последние годы все шире применяется тепловой способ записи, при котором на якоре гальванометра устанавливают специальное перо, нагреваемое электрическим током. Нагретое перо оставляет след на специальной термочувствительной бумаге. Этот способ нашел применение в переносных и стационарных электрокардиографах. Описанные регистраторы дают запись с максимальной частотой до 150 Гц.
В ряде конструкций регистраторов на якоре гальванометра помещают капилляр, имеющий диаметр в несколько микрометров. Через капилляр под высоким давлением подаются чернила, и запись осуществляется с помощью тонкой струи чернил. Подобного типа регистраторы применяют в электромиографах, полиграфах, кардиографах; они имеют более высокий предел регистрируемых частот — до 500 Гц.
К недостаткам регистраторов, использующих перьевую запись, помимо сравнительно низкой частоты регистрируемых процессов, следует отнести радиальные искажения, обусловленные дугообразным движением кончика пера, а также небольшую скорость движения бумаги — до 150 мм/с.
Для качественной регистрации быстрых процессов (таких как потенциалы нервных проводников и др.) требуется более высокая скорость развертки.
К безинерционным регистраторам, позволяющим наблюдать биологические процессы в широком диапазоне частот, относятся регистраторы, использующие принцип отклонения потока электронов в электрическом поле — электронн о-л учевые осциллографы. Принцип работы такого осциллографа хорошо известен. В последние десятилетия достигнут существенный прогресс в конструировании осциллографов: появились многолучевые, широкодиапазонные по скорости развертки
приборы. Применение элементов цифровой вычислительной техники позволило создать средства отображения (дисплеи), способные запоминать и воспроизводить неограниченное время регистрируемый процесс в различных формах представления информации, осуществлять элементарные операции сложения или вычитания двух или нескольких процессов с индикацией результата на экране и т. д. Запись изображения с экрана дисплея осуществляется фотографированием или выводом электрического эквивалента изображения в медленном темпе на регистраторы с видимой записью.
Принцип намагничивания ферромагнитных материалов в магнитном поле реализован в магниторегистра-торах. Магнитная запись биологических процессов удобна как для хранения, так и для дальнейшей обработки. Существующие магниторегистраторы биологических процессов основаны на использовании двух основных принципов преобразования биологических сигналов: частотной модуляции и цифрового преобразования. В приборах с частотной модуляцией специальный генератор создает высокую частоту (15—18 кГц). Работа генератора управляется медленным биологическим электрическим процессом. В результате на магнитной ленте фиксируется сигнал, частота которого пропорциональна амплитуде биологического процесса. При воспроизведении осуществляется обратное преобразование сигнала. Такое преобразование позволяет регистрировать биологические процессы в диапазоне от 0 до 10 кГц.
Магниторегистраторы с цифровым преобразованием непрерывный (аналоговый) сигнал переводят в дискретный (цифровой) двоичный код, который и записывается в виде набора импульсов на магнитную ленту. При воспроизведении осуществляется обратное цифроаналоговое преобразование. Полоса регистрируемых частот в этом случае ограничена возможностями входного аналогоцифро-вого преобразователя и в современных приборах достигает 50—100 кГц, что значительно превышает потребности биологического эксперимента.
Цифровая запись помимо широкого диапазона регистрируемых частот позволяет существенно повысить качество, помехозащищенность записи, осуществлять регистрацию нескольких процессов (до 16) на 1—2 дорожки магнитофона за счет введения устройств электронной коммутации каналов при записи — воспроизведении сигналов.
Ряд биологических процессов может быть зарегистрирован непосредственно на бытовых магнитофонах, динамический диапазон которых находится в пределах 40— 20 00 Гц. Вместе с тем следует помнить, что при этом может быть потеряна или искажена запись медленных составляющих сложного биоэлектрического процесса.
Воспроизведение биоэлектрических процессов с магни-торегистратора в дальнейшем может быть осуществлено с помощью адекватных устройств отображения.