Измерительные преобразователи и электроды: Рабочая программа

Министерство образования и науки Российской Федерации _____________________________________________________________ _ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Измерительные преобразователи и электроды

Рабочая программа Факультет информатики и систем управления Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 653900 - биомедицинская техника, 190600 - инженерное дело в медико-биологической практике Направление подготовки бакалавра 553400 - биомедицинская инженерия

Санкт-Петербург 2004 3

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК б21.084.2 Измерительные преобразователи и электроды: Рабочая программа. СПб.: СЗТУ, 2004. - 10 с. Программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653900 - «Биомедицинская техника» по специальности 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике», направлению подготовки бакалавра 553400 - «Биомедицинская инженерия». Рассмотрены основные проблемы применения и эксплуатации медицинских измерительных преобразователей и электродов, устройство и назначение датчиков медицинской информации, их общие свойства, основные специальные и метрологические требования к ним, упругие и чувствительные элементы датчиков медицинской информации, электроды и электродные системы, вопросы согласования датчиков с измерительными цепями. Приведены программа дисциплины, вопросы для самопроверки, список основной и дополнительной литературы. Рассмотрено на заседании кафедры медико-технических систем и безопасности жизнедеятельности 22 сентября 2003 г. Одобрено методической комиссией факультета информатики и систем управления 22 сентября 2003 г. Рецензенты: кафедра медико-технических систем и безопасности жизнедеятельности СЗТУ, В.Л. Филиппов, д-р мед. наук, проф., руководитель лаборатории комплексной оценки состояния здоровья и профилактики НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека. Составитель В.И. Гуткин, засл. деят. науки и техники Р.Ф., д-р биол. наук, проф. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 © Гуткин В.И., 2004 4

Предисловие Цель преподавания дисциплины Целью данной дисциплины является: • изучение общих вопросов построения измерительных преобразователей (датчиков биологической информации - ДБИ) и электродов для съема медикобиологической информации (МБИ); • создание общих физических принципов преобразования МБИ в электрический сигнал; • ознакомление с различными классами ДБИ и электродов, принципами работы, устройством и способами применения их в биомедицинской практике и исследованиях; • изучение вопросов метрологии ДБИ и электродов, согласование ДБИ и электродов с измерительными цепями; • борьба с шумами и помехами в системе «биообъект - ДБИ (или электрод) - измерительная цепь». Задачи изучения дисциплины Данная дисциплина относится к циклу специальных дисциплин медикотехнической подготовки инженеров. В результате изучения дисциплины студент должен приобрести следующие знания, умения и навыки. Студент должен ЗНАТЬ: • основные типы и варианты конструкции ДБИ и электродов; • основные физические принципы, лежащие в основе работы ДБИ; •метрологические характеристики, методы и образцовые средства для испытания, проверки и калибровки ДБИ и электродов; • основные проблемы, возникающие при согласовании ДБИ с измерительной цепью, и способы такого согласования. Студент должен УМЕТЬ: • в соответствии с методами и задачами проведения медико-биологических исследований выбирать наиболее необходимые по метрологическим характеристикам, конструктивным и электрическим параметрам типы и варианты конструкций ДБИ и электродов; • хорошо ориентироваться при проведении профилактических, калибровочных и ремонтных мероприятий с ДБИ и электродами, используемыми в составе медико-биологического оборудования;

5

• рассчитывать основные метрологические характеристики ДБИ и электродов и элементы электронных согласующих схем. Студент должен ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ: • о современных тенденциях в использовании ДБИ и электродов; • о принципиально новых типах ДБИ и электродов, сочетающих в себе достижения микроэлектроники, химии и биотехнологии; • о перспективах интеллектуализации ДБИ в биомедицинской аппаратуре, • о возможностях и перспективах бесконтактных методов съема МБИ; • о ведущих фирмах мира, разрабатывающих и выпускающих датчики медико-биологического назначения, и номенклатуре выпускаемой ими продукции. Место дисциплины в учебном процессе Для освоения дисциплины "Измерительные преобразователи и электроды" необходимы знания математики, химии, биохимии, биологии человека, электроники и микроэлектроники, физических основ измерений, теоретических основ электротехники, конструктивных материалов. Знание этой дисциплины, в свою очередь, необходимо для освоения дисциплин: «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы», «Управление в биологических и медицинских системах», «Технические методы диагностических и лечебных воздействий», «Электроника и микропроцессорная техника» и др. 1. Содержание дисциплины 1.1. Содержание дисциплины по ГОС Роль измерительных преобразователей (ИП) и электродов (Э) при выполнении медико-биологических исследований; электроды и электродные системы для регистрации биопотенциалов; ИП для регистрации проявления жизнедеятельности: механические, электрические, тепловые, оптические, магнитные, биохимические и др.; физические явления, используемые в ИП; тензорезисторные, емкостные и пьезоэлектрические ИП механических параметров; терморезисторные, транзисторные (в т.ч. в интегральном исполнении) для теплофизических ИП; фотоэлектрические ИП; ИП для биологической интроскопии (в том числе ультразвуковой); ИП расхода биожидкостей и газов; биосенсоры; схема согласования первичных ИП и Э с техническими средствами регистрации и измерения; основные метрологические характеристики ИП, методы их оценки.

6

1.2. Рабочая программа (Объем дисциплины 150 часов) Тема 1. Предмет дисциплины и ее задачи [1,2, 3, 4] Структура, содержание курса, его связь с другими дисциплинами учебного плана. Предмет и задачи дисциплины. Значение и место ДБИ и электродов для оценки функционального состояния биологического объекта при энергетическом, вещественном и информационном воздействии на него. Вопросы для самопроверки 1. Предмет и задачи дисциплины "Измерительные преобразователи и электроды". 2. Виды физиологических полей, порождаемых биологическими объектами. Проблемы измерения медико-биологических показателей. 3. Роль ДБИ при проведении медико-биологических исследований. 4. Требования, предъявляемые к ДБИ. 5. Принципы преобразования неэлектрических величин в электрически сигналы. 6. Перспективы в создании современных ДБИ и электродов. Тема 2. Датчики биологической информации [1,2, 5, 6] Определения датчиков биологической информации (ДБИ). Основные показатели состояния биологического объекта. Общие свойства ДБИ. Основные специальные и метрологические требования к ДБИ. Классификация ДБИ. Миниатюризация ДБИ. Вопросы для самопроверки 1. Первичные и вторичные преобразователи. 2. Генераторные и параметрические ДБИ. 3. Основные физиологические показатели, подлежащие первичному преобразованию. 4. Статические характеристики датчика. 5. Гистерезис. 6. Динамические характеристики датчика. 7. Классификация ДБИ 8 Вопросы миниатюризации ДБИ. Тема 3. Упругие элементы ДБИ [1, 2, 6] Основные характеристики и конструктивные формы упругих элементов ДБИ. Основы инженерного расчета упругих элементов ДБИ. Плоские колпачко7

вые мембраны с краевым гофром. Плоские и колпачковые мембраны-плиты. Тензометрическая балка. Прямоугольная мембрана переменной толщины. Влияние на чувствительность градиента температур между мембраной и корпусом. Запаздывание в передаче давления мембранных чувствительных элементов. Вопросы для самопроверки 1. Основные требования к материалу упругих элементов ДБИ. 2. Основные физико-химические характеристики материалов, применяемых при изготовлении упругих элементов ДБИ. 3. Конструктивные формы упругих элементов ДБИ. 4. Основные расчетные зависимости упругих элементов ДБИ. 5. Чувствительность упругих элементов. 6. Эффективная площадь упругих элементов. 7. Точность преобразования упругих элементов. Тема 4. Чувствительные элементы ДБИ [1, 2, 6] Основные принципы построения чувствительных элементов ДБИ. Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы. Гальваномагнитные чувствительные элементы. Емкостные чувствительные элементы. Проволочные чувствительные элементы. Волоконно-оптические чувствительные элементы. Вопросы для самопроверки 1. Типы чувствительных элементов. 2. Характеристики полупроводниковых чувствительных элементов. 3.Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов. 4.Полупроводниковые технологии. 5. Ползучесть тензорезисторов. 6. Ресурс работы тензорезисторов. 7. Схемы включения тензорезисторов. 8. Материалы, используемые при изготовлении датчиков Холла. 9. Параметры датчиков Холла. 10. Конструктивные схемы емкостных чувствительных элементов. 11. Преимущества емкостных преобразователей давления. 12. Температурная погрешность емкостных чувствительных элементов. 13. Материалы, используемые при изготовлении проволочных чувствительных элементов. 14. Основные характеристики проволочных чувствительных элементов. 15. Основные характеристики оптоволоконных чувствительных элементов. 16. Строение и общие свойства оптического волокна. 8

Тема 5. Первичные измерительные преобразователи [1, 2, 3, 5] Оптико-электрические измерительные преобразователи (ОЭИП). Требования, предъявляемые к ОЭИП. Источники света. Оптические фильтры и их характеристика. Фотоприемники. Метрологические характеристики ОЭИП. Согласования оптических и электрических характеристик излучателей и фотоприемников. Применение оптопар в медико-биологической практике. ДБИ температуры. Физические принципы, классификация и диапазон использования температурных ДБИ. Применение термосопротивлений в биомедицинской практике для измерения скорости потока веществ, анализа состава газов, плотности веществ. Пирометры. ДБИ давления, деформации, силы. ДБИ состава, скорости и расхода газа и биологических жидкостей. Электрохимические ДБИ, принципы работы и определяемые частицы. Анемометры. Электромагнитные ДБИ расхода, принцип действия, конструкция и практическое применение. Определения расхода биологических жидкостей. ДБИ влажности. Основные понятия и термины. Гигрометры. Принцип действия, конструкции и характеристики. Психрометры. Микроэлектронные ДБИ влажности. ДБИ магнитного поля. Магниторезистивные ДБИ. Датчики Холла и Виганда. Применение, конструкция и характеристики. ДБИ радиоактивного излучения. ДБИ на основе ионизации газов. Сцинтилляционные и полупроводниковые ДБИ. Ультразвуковые ДБИ. Основные акустические характеристики биологических объектов. Предельно допустимые интенсивность и энергия облучения в ультразвуковой интоскопии. Магнитострикционные излучатели. Приемники акустических колебаний. Конструкции, принцип действия и диапазоны применения микрофонных ДБИ ультразвуковых колебаний. Биосенсоры и бесконтактные ДБИ съема физиологической информации для оценки состояния человека. Биодатчики на основе полупроводников и биологических ферментов. Хемочувствительные полупроводниковые структуры. Методы нанесения биоматриц. Датчики на основе ионно-селективных полевых транзисторов. Биомикросхемы. Вопросы для самопроверки 1. Обобщенная структурная схема оптико-электрических измерительных преобразователей (ОЭИП). 2.Лампы накаливания ОЭИП. 3. Светодиоды ОЭИП. 4. Лазеры ОЭИП. 9

5. Фоторезисторы ОЭИП. 6. Фотодиоды ОЭИП. 7. Фототранзисторы ОЭИП. 8. Фототиристоры ОЭИП. 9. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы ОЭИП. 10.Фотоумножители. 11.Спектральная и интегральная чувствительность ОЭИП.. 12.Обнаружительная способность ОЭИП. 13.Термопары. 14. Термосопротивления. 15.Потенциометрические ДБИ. 16.Амперометрические ДБИ. 17.Кондуктометрические ДБИ. 18.Термоанемометры, ионные, крыльчатые, лазерные, ультразвуковые анемометры. 19.Конденсационный, сорбционный, электролитический, резистивный и емкостной гигрометры. 20.Ионизационная камера, счетчик Гейгера-Мюллера. 21.Акустический импеданс, дифракция, интерференция и поглощение ультразвуковой волны. 22.Конденсаторные, электродинамические, пьезоэлектрические и электретные микрофоны. Тема 6. Электроды и электродные системы [1, 8] Классификация электродов для биомедицинских исследований. Основные характеристики электродов. Систематические погрешности съема биопотенциалов. Поляризация электродов. Стеклянные электроды и микроэлектроды для измерения биопотенциалов. Металлические электроды. Полупроводниковые микроэлектронные электроды. Электроды для медицинской техники. Вопросы для самопроверки 1. Стимулирующие и отводящие электроды. 2. Неполяризующиеся электроды. 3. Микроэлектроды. 4. Капиллярные микроэлектроды для вне- и внутриклеточной регистрации. 5. Многоканальные капиллярные электроды. 6. Вживленные и поверхностные металлические электроды.

10

Тема 7. Согласования ДБИ с измерительной цепью [7] Согласование электродов с усилителем биопотенциалов. Экранирование электродов. Входные цепи усилителей биопотенциалов. Требования к источникам питания. Общие характеристики схем усиления. Методы коррекции нелинейности ДБИ и постоянной составляющей сигнала. Гальваническая развязка. Помехи и методы борьбы с ними. Способы уменьшения помех в измерительном канале. Выделение полезного сигнала. Сопряжение ДБИ с персональным компьютером и создание телеметрических каналов передачи биомедицинской информации. Последовательный интерфейс и его использование при сборе МБИ. Приборный интерфейс. Вопросы для самопроверки 1. Усилители биопотенциалов. 2. Дифференциальные схемы постоянного и переменного тока. 3. Источники возникновения постоянной составляющей. 4. Дифференциальные усилители. 5. Виды шумов. 6. Заземление, защитное экранирование, фильтрация. 7. Общие вопросы организации интерфейса "ДБИ - ЭВМ" Тема 8. Заключение [1 - 3] Современные тенденции и направления в разработке ДБИ и электродов для медико-биологических исследований. Новые технологии и нетрадиционные применения известных ДБИ и электродов. 1.3.

Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения 1. Предмет курса и ее задачи ......….................................……………. 2 часа 2. Датчики биологической информации ….....................…………....... 2 -"3. Упругие элементы ДБИ ........................…..........................…...…...... 2 -"4. Чувствительные элементы ДБИ .........................................……........ 2 -"7. Первичные измерительные преобразователи .......................…........ 2 -"8. Электроды и электродные системы ......................................……...... 2 -"8 Согласования ДБИ с измерительной цепью .........................…….... 2 -"9 Заключение ...........................................................................……........ 2 -"-

11

1.4. Темы лабораторных работ (4 часа) 1. Изучение принципа действия и включения чувствительных элементов ДБИ ………………………………………………………………...……… 1 час 2. Исследование тензометрических полупроводниковых, гальваномагнитных и емкостных датчиков давления крови ………… 1 -"3. Исследование характеристик датчиков температуры ………… 1 -"3. Исследование датчиков и устройств для стоматологических целей………………………………………………………………………. 1 -"2. Библиографический список Основной: 1. Осипович Л.А., Гуткин В.И. Медицинские измерительные преобразователи и электроды: Учеб. пособие. - СПб.: СЗПИ, 1997. 2. Осипович Л.А. Датчики физических величин. - М.: Машиностроение, 1979. Дополнительный: 3. Бриндли К. Измерительные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 4. Виглеб Г. Датчики. – М.: Мир, 1998. 5. Дональдсон П. Электронные приборы в биологии и медицине. – М.: ИЛ, 1963. 6. Проектирование датчиков для измерения механических величин. /Под ред. Е.П.Осадчего. – М.: Машиностроение, 1979. 7. Электрические измерения неэлектрических величин. /Под ред. П.В.Новицкого. – Л.: Энергия, 1977. 8. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IВМ РС /Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера. – М.: Мир, 1992.

12

Содержание Предисловие ……………….. ……………………………………….. 3 1. Содержание дисциплины …………..……........……………............ 4 1.1. Содержание дисциплины по ГОС..….............................……............. 4 1.2. Рабочая программа …………………..........…………………….........4 1.3. Тематический план лекций…..……………. .………...........................9 1.4. Темы лабораторных работ ……………………...........……….......... 9 2. Библиографический список …………………….....……................... 10 Редактор Т.В.Шабанова Сводный тематический план 2004 г. ЛР №020308 от 14.02.97. Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07953.П.005641.11.03 от 21.11.2003

Подписано к печати . . 2004. ФОРМАТ 60Х84 1/16. Б. кн.-журн. П.л. 1,0 Б.л. 0,5 РТП РИО СЗТУ Тираж 70 Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная 5

13