Применение четырехканального реограф на транзисторах с питанием от батарей для ведения научно-исследовательских работ. Конструкция прибора, структурная и принципиальная схемы, технические данные. Расчет транзисторного ВЧ генератора и аттенюатора.
Аннотация к работе
Реографией называется метод изучения состояния какой-либо системы и происходящих в ней процессов по изменению электрического сопротивления этой системы для постоянного или переменного тока. Реография - весьма точный метод, так как даже очень малые изменения сопротивления могут быть зарегистрированы современными приборами - реографами. Реограммой называется кривая, соответствующая зависимости сопротивления исследуемой системы R (или его изменения D R) от времени: R = R(t) или D R= D R(t). 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.).В центре панели расположены общие органы управления, слева и справа - попарно - симметрично органы управления каждым каналом (рис. При заданном значении Рвых мощность Рк, которую должен отдать транзистор в контур, составляет Параметры РК max = 0,4Вт. и fmax = 200 МГЦ. высокочастотных транзисторов приведены в справочнике по полупроводниковым приборам (взяли транзистор КТ 668В, или его аналог ВС393) где Skp - крутизна линии критического режима выбранного транзистора (при отсутствии данного параметра в справочнике значение Skp определяют графически в семействе идеализированных выходных характеристик транзистора; из справочника возьмем Skp=0,03). В случаях, когда значение напряжения среза в справочниках не приводится, его можно найти по идеализированным (спрямленным) характеристикам транзистора или ориентировочно принять равным Ес=(0,1…0,2)В (полярность Ес зависит от типа транзистора: для транзисторов p-n-p на базу подается отрицательное, а для транзисторов n-p-n положительное напряжение смещения).В данной курсовой работе был рассмотрен реограф 4-РГ-1.
Введение
Реографией называется метод изучения состояния какой-либо системы и происходящих в ней процессов по изменению электрического сопротивления этой системы для постоянного или переменного тока. Реография - весьма точный метод, так как даже очень малые изменения сопротивления могут быть зарегистрированы современными приборами - реографами.
Реограммой называется кривая, соответствующая зависимости сопротивления исследуемой системы R (или его изменения D R) от времени: R = R(t) или D R= D R(t).
В медицинской диагностике разработаны методики регистрации реограмм любого органа человеческого тела: сердца (реокардиограмма), мозга (реоэнцефалограмма), магистральных сосудов, печени, легких, конечностей и др. При этом вид реограммы дает нужную информацию об изменениях кровенаполнения органа при пульсациях сердца, о скорости кровотока, состоянии сосудистой системы и др. Такая информация существенно дополняет, в частности, результаты электрографического обследования при диагностике сердечно - сосудистых и других патологий, поэтому реография часто применяется в комплексе с ЭКГ, ЭЭГ и т.д.
Реографическое обследование практически совершенно безвредно для пациента, так как проходящие через него при этом токи имеют очень малую величину. Поэтому реографическое обследование может продолжаться в течение длительного времени (например, при функциональной диагностике), либо неоднократно повторяться.
В настоящее время метод реографии считается весьма перспективным и широко используется в различных областях клинической диагностики и в физиологических исследованиях.
1. 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. 1).
Рисунок 1 - 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 изза 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 (рис. 2) переменного напряжения
U =U0sin?t (1) в цепи исследуемого объекта О протекает переменный ток, изменяющийся по закону
I=I0sin(?t-?0), (2) ?=2?? - циклическая частота; ? - частота переменного тока; ?0 - сдвиг по фазе между током и напряжением.
Рисунок 2 - Подача на электроды переменного напряжения
Величина
Z = U0/I0 (3) 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 Rc уменьшается при увеличении частоты переменного тока ? по закону
Rc = 1/2??С = 1/?С, (4) 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 n имеет вид, представленный на рис. 3.
Рисунок 3 - Зависимость импеданса живой ткани
При малых частотах n (до 104 Гц) импеданс велик и примерно равен активному сопротивлению R ткани для постоянного тока. При больших частотах Z уменьшается, достигая n ~ 108 Гц некоторого минимального значения R".
Такая зависимость импеданса от частоты может быть приближенно моделирована электрической схемой, представленной на рис. 4.
Рисунок 4 - 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.
2. Описание физического метода измерения
2.1 Структурная схема реографа
Реограф имеет общий генератор и 4 идентичных канала (с автономным витанием). Напряжение высокой частоты поступает с генератора через обмотки связи на преобразователи каналов, где изменения сопротивления пациента (для токов в.ч) преобразуется в пропорциональные изменения напряжения низкой частоты. Блок схема реографа изображена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Блок схема реографа
1) Генератором высокочастотного напряжения в реографе является двухтактный автогенератор с индуктивными связями на транзисторах Т1 Т2 и трансформаторе Тр-1. Высокочастотное напряжение - 2,5 в (эф) подается с четырех выходных обмоток на преобразователи каналов.
2) Преобразователь по схеме балансного демодулятора состоит из сопротивлений: эквивалента (R7) или R пациента, R баланса (R8), R14, R15, диодов Д1 Д4 и конденсатора C2. Напряжение в.ч. подается на средние точки измерительной (R7, R 8) и усилительной (R14, R15) диагоналей демодулятора. При равенстве плеч измерительной диагонали (R7= R8 или Rпац = R8) на выходе демодулятора сигнал отсутствует. При изменении сопротивления пациента на выходе демодулятора появляется постоянное напряжение, пропорциональное изменению сопротивления. Преобразователь имеет образную характеристику, линейную в весьма широком диапазоне разбалансировок и неизменную фазовую характеристику, при переходе черев нуль (положение баланса). Низкочастотный сигнал (пропорциональный изменению входного импеданса) с емкостной нагрузки демодулятора С2 поступает на усилитель постоянного тока.
3) Калибровка производится с изменением сопротивления, включенного последовательно с сопротивлением пациента. Кнопкой калибровки сопротивление, стоящее в цепи пациента - R1 замыкается набором сопротивлений R2 R6 различной величине в зависимости от амплитуды калибровки. Калибратор собран, из сопротивлений УЛИ-1% что обеспечивает точность калибровочных импульсов. Для калибровки в отсутствии реограммы (с целью избавления от ошибок) возникающих за счет инерционности перьев) предусматривается возможность переключения на эквивалентное сопротивление Rэкв, подключаемое взамен пациента.
4) Индикатором настройки и контроля питания служит микроамперметр М-592, подключаемый либо к выходу демодулятора настраиваемого канала, либо к источнику питания генератора. При работе индикатор отключается от настраиваемого канала для устранения 50 Гц. наводки и шунтирования сигнала.
5) Парафазный усилитель постоянного тока собран по схеме с общим эмиттером на малошумящих транзисторах Т2, Т3 типа П-28. Усилитель балансируется потенциометром, уставленным в цепи нагрузки Р17. Потенциометром Р13 в цепи базового смещения регулируется усиление. При правильном выборе режима транзисторов шумы прибора, приведенные ко входу, не превышают 0,0025 Ом. Малый температурный и временной дрейф - обеспечивается согласованием с демодулятором и тщательным подбором транзисторов.
6) Сигнал с нагрузки усилителя поступает на симметричный плавный аттенюатор для возможности установки амплитуды сигнала необходимой величины. Далее сигнал поступает на переключатель полосы пропускания канала, обеспечивая в положении 0-500 гц запись, на регистратор, имеющий УПТ, реоплетизмограммы.
7) Для дифференцирования реограммы сигнал с выхода усилителя подается на дифцепочку PC, имеющую постоянную времени дифференцирования 10 мсек.
8) Реограф имеет 5 автономных источников питания для получения минимальных связей по каналам. Источники питания (батареи КБСЛ-0,5; "Сатурн") не имеют общих точек между собой и корпусом прибора.
Принципиальная электрическая схема прибора изображена на рисунке 6.
Четырехканальный реограф на транзисторах с питанием от батарей предназначен для ведения научно- исследовательских работ по изучению кровенаполнения различных органов а тканей человека и животных (реофаэография, реоэнцефалография и.т.д.).
С помощью реографа можно исследовать относительный обмен кровенаполнения, скорость и интенсивность пульсовой волны, сосудистый тонус и т.д.
Реограф может быть применен для диагностики различных поражений. сердца, сосудистых поражений головного мозга, в хирургической практике и,т.д.
Намерение вышеуказанных параметров производится ""методом импедансной плетизмографии. Интересующей участок зондируется высокочастотным напряженней,, для которого он представляет определенное сопротивление, Изменение этого сопротивления при изменении кровотока преобразуется в электрический сигнал и регистрируется кардиографом ЭЛКАР-4 или энцефалографом 4ЭЭГ-1 (или другим регистратором подобного типа при соответствующем исключении к его входному разъему).
При используемых в реографе частотах переменного тока емкостное сопротивление биообъекта мало, и полный импеданс приближенно равен активной составляющей сопротивления R. В случае, если с помощью потенциометра установить R?=R, напряжение на выходе измерителя и демодулятора (отсутствует, что и регистрируется индикатором. Такого баланса обычно добиваются в начале работы с реографом. По шкале потенциометра при этом определяют сопротивление биообъекта R=R?. Отметим, что вместо биообъекта в измерительную цепь моста может быть включено эквивалентное переменное сопротивление, которое можно подобрать равным R?, так что R?=R=Rэкв.
В случае, когда сопротивление биообъекта R слабо и медленно (например, с частотой сердечных сокращений) изменяется во времени (рис. 7а), высокочастотное напряжение генератора (рис. 7б) на выходе измерителя U1 (рис. 7в) оказывается уже не равным нулю, а модулированным значением ?R(t). Демодулятор, представляющий собой выпрямитель на диодах, выделяет медленно изменяющуюся часть ("огибающую") этого сигнала U2 (рис. 7г), прямо пропорциональную изменениям ?R сопротивления биообъекта: U2 = k1?R, k1 = const (5)
Это напряжение обычно бывает, однако, очень мало и не может быть непосредственно зарегистрировано индикатором или регистратором. Поэтому напряжение U2 подается, вначале на усилитель. Усиленное напряжение U3 (рис. 7д)
U3 = k2U2 = k1k2?R, k2 = const (6) то есть
U3 = k?R, k = k1k2 (7) поступает с выхода реографа на регистратор где наблюдается реограмма (рис. 7е)
?x = QU3 = kq?R (q = const), (8)
?x = p?R, p = kq = const (9) где ?x - величина смещения шкалы регистратора (например, пера электрокардиографа, луча осциллоскопа и т.д.). График зависимости ?x(t), прямо пропорциональный изменениям сопротивления биообъекта ?R(t), и представляет собой реограмму.
Рисунок 7 - построение реограммы биообъекта
Вывод
В данной курсовой работе был рассмотрен реограф 4-РГ-1. Были отображены его структурная и принципиальная схемы, внешний вид, технические данные. Подробно описан принцип работы прибора, а так же принцип измерения и построения реограммы.
Список литературы
1. Кулаичев А.П. Компьютерная электрофизиология в клинической и исследовательской практике. М.: НПО,1999
2. http://lainslav.narod.ru/med.files/reograf.htm
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: МИР, 1982
4. Маята В.С. Диагностическая и терапевтическая техника. М.: Медицина, 1969