Система отбора и преобразования неэлектрических процессов

Для отбора неэлектрофизиологических параметров используют датчики, работающие на самых различных принципах. Специфика этих датчиков — в основном в их конструкции, и обусловливается она характером регистрируемого параметра и особенностями исследуемой биологической структуры. Мы не будем подробно рассматривать многообразие исследуемых физиологических функций и соответствующих датчиков, кратко охарактеризуем лишь те датчики физиологических процессов, которые наиболее часто регистрируются в эксперименте с помощью БТМС.

Датчики дыхания.

Для регистрации параметров дыхания используются датчики самых различных типов: реостатно-потенциометрические, контактные, магниторезистивные, термодатчики и др.

Наиболее просты, но конструкции и в эксплуатации реостатно-потенциометрические датчики, представляющие собой переменное сопротивление, включаемое в измерительную схему, обычно мостового типа (рис. 3.3). Достоинство мостовой схемы в том, что она позволяет относительно просто компенсировать погрешности, вызванные температурной нестабильностью. В качестве переменных сопротивлений в датчиках этого типа иногда используется угольный порошок, помещаемый в резиновую трубку. При растяжении трубки изменятся ее длина /, см, и сечение, что в соответствии с формулой.

где р — удельное сопротивление заполнителя трубки, Ом • см; S — площадь внутреннего поперечного сечения трубки, см², приводит к изменению сопротивления датчика R.

Вместо угольного порошка трубка может быть заполнена электролитом или ртутью. При этом между относительным изменением сопротивления датчика и относительным удлинением стараются иметь линейную зависимость.

Однако электролитические датчики во избежание разложения электролита и поляризации электродов можно использовать только при питании переменной ЭДС. Ртутные же датчики не нашли широкого применения из-за токсичности наполнителя. Недостатками реостатно-потенциометрических датчиков с углепорошковым наполнителем являются нелинейность характеристики, малая помехоустойчивость по отношению к динамическим нагрузкам, нестабильность показателей.

Потенциометрические датчики нашли применение в основном для регистрации частоты дыхания (ЧД). Для этой же цели могут использоваться двухи многопредельные контактные датчики, замыкающие тот или иной участок электрической цепи. Конструкция контактных датчиков может быть самой различной. В частности, их можно использовать для получения выходного сигнала в дискретной форме. Например, подобный датчик использован для регистрации моментов окончания вдоха и выдоха животного на втором искусственном спутнике Земли [2].

Для регисграции вдоха и выдоха, продолжительности отдельных циклов дыхания используют также различные магниторезистивные датчики МРД. Общий принцип построения МРД состоит в том, что механическое перемещение чувствительного элемента при вдохе и выдохе вызывает изменение магнитного потока, пронизывающего магниторезистор, что приводит к изменению его сопротивления. Основным преимуществом МРД является возможность бесконтактного регулирования сопротивления.

Для регистрации различных параметров, в том числе дыхания, широко применяются емкостные датчики, обладающие высокой чувствительностью, малыми габаритами и простой конструкцией. Емкость конденсатора, как известно, зависит от площади обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды. Все эти параметры используются при конструировании емкостных датчиков. Емкостные датчики включаются по генераторной, мостовой или дифференциальной схеме.

В качестве примера на рис. 3.4 приведена схема регистрации ЧД путем измерения давления в пневмограмме, которое преобразовывается в изменение емкости конденсатора С, включенного в схему мультивибратора Г, Т₂. На выходе мультивибратора снимается сигнал, модулированный по частоте. Емкостной датчик представляет собой катушку, покрытую кремниевой смолой. Перепады давления при дыхании заставляют расширяться и сжиматься катушку, что приводит к изменению ее емкости (С = 25…50 пФ). Необходимая поднесущая частота устанавливается резистором R_x.

Рис. ЗА

Емкостной датчик может использоваться для регистрации не только частоты, но и глубины дыхания. Погрешность подобных датчиков определяется в основном влиянием температуры и влажности.

Для измерения параметров дыхания широко применяются термодатчики, представляющие собой полупроводниковые терморезисторы, включаемые в ту или иную электрическую схему. Температурная характеристика терморезистора определяется уравнением.

где b — постоянные коэффициенты, зависящие от типа терморезистора. Изменение абсолютного значения сопротивления терморсзистора как функция температуры характеризуется температурным коэффициентом.

У существующих терморезисторов, а = 0,03…0,06.

На рис. 3.5 изображена схема термодатчика, использованная для регистрации ЧД птиц [185]. Терморезистор (R_T= 10 кОм, постоянная времени т = 2 с) крепится в маске, одеваемой на голову птицы, и располагается в дыхательном воздушном потоке. Температура терморезистора зависит от интенсивности его теплообмена с окружающей средой. Разница между температурой вдыхаемого и выдыхаемого воздуха изменяет сопротивление резистора и частоту генератора поднссущсй частоты Г, и Т₂. Достоинством этого типа датчиков является простота, недостатком — инерционность, малый динамический диапазон.

Для измерения параметров дыхания иногда применяют метод импедансной реоплетизмографии РПГ. Принцип работы этого датчика основан на регистрации изменения импеданса грудной полости на протяжении дыхательного цикла.

При реоплетизмографии обычно используют двухэлектродный или четырехэлектродный метод измерения. Причем последний наиболее часто, поскольку он позволяет лучше локализовать исследуемый участок тела и снизить требования к качеству наложения электродов. Функциональная схема канала регистрации РПГ приведена на рис. 3.6. Схема работает следующим образом. Сигнал с выхода генератора 1 зондирующего сигнала с частотой 40 кГц поступает на стабилизатор тока 2, предназначенный для обеспечения стабильности амплитуды тока, подаваемого на биообъект с помощью токовых электродов 6,9. Изменение сопротивления объекга приводит к амплитудной модуляции зондирующего сигнала, который регистрируется с помощью потенциальных (измерительных) электродов 7,8. Усиленный АМ-сигнал демодулируется линейным детектором 3, с выхода которого снимаются исходная 5 и дифференцированная РПГ 10 (см. рис. 3.7).

Рис. 3.7.

Для регистрации объема легочной вентиляции ЛВ можно использовать датчик, работающий по принципу крыльчатого анемометра (рис. 3.8) [46]. Поток вдыхаемого воздуха вращает крыльчатку, установленную на пути светового луча, создаваемого лампочкой, затем попадает на фотоэлемент (фотодиод) и вызывает пульсирующий ток в цепи. Число импульсов последнего пропорционально числу оборотов крыльчатки. Преобразование числа оборотов крыльчатки в электрический сигнал можно осуществить и другими способами, например магнитоэлектрическим, индукционным преобразователем и др. При этом количество воздуха в единицу времени.

где v — объемная скорость воздуха, л/мин; d — диаметр входного отверстия, мм.

Рис. 3.8.

Конструктивно датчик ЛВ выполняется в форме маски, надеваемой на лицо. Его достоинствами являются относительно высокая помехоустойчивость, возможность измерять общий объем легочной вентиляции, объем вдоха в отдельных циклах дыхания, длительность фаз, частоту дыхания. Недостатки заключаются в сложности, неудобстве для испытуемого, нестабильности нуля при малых величинах вентиляции.

Параметры дыхания можно регистрировать также с помощью вживляемых датчиков, измеряющих величину и продолжительность понижения внутригрудного давления.