Медицина и здоровье

Article Index
Медицинские приборы и аппараты
Принцип действия механотронов
Основные параметры и их характеристики в механотронах продольного управления
Рабочие параметры диодных механотронных преобразователей продольного управления
Приборы для изучения мышечных сокращений
Установка для измерения механических шумов сердца
Механотронный тонусограф
Приборы для изучения деятельности нервной системы
Приборы для контроля состояния сердечно-сосудистой деятельности
Приборы для изучения дыхания
Приборы для проведения стоматологических исследований
Приборы для офтальмологических исследований
Аппараты для контроля сердечно-сосудистой деятельности
Отображение электрических сигналов в сердце на ЭКГ
Вывод уравнения движения самописца
Физическое обоснование и расчёт фактора разделения
All Pages

 

Основные виды измеряемых биомеханических параметров

В медицинской и клинической практике и в экспериментальных исследованиях находят широкое применение приборы и устройства для измерения следующих физических величин:

1. Механические величины (перемещения линейные и угловые, сила, давление и т.д.)

2. Теплофизические величины (температура, теплота­ излу­чения и т.д.)

3. Электрические величины (биотоки мозга, электрические сопротивления участков тела и т.д.)

4. Физико-химические величины (желудочный сок и т.п.)

5. Магнитные величины (магнитокардиографические)

В современной медицине и биологии особенное место занимает измерение биомеханических параметров живых организмов.

По объёму эти измерения доминируют по сравнению с измерениями другого рода. К числу контролируемых биомеханических параметров относятся:

1. Давление крови и дыхания и т.д.

2. Усилия, которые развиваются при сокращении мышц, мышечных фрагментов и клеток.

3. Эластичность (податливость) биотканей.

4. Объёмные изменения органов и их фрагментов.

5. Линейное перемещение стенок кровеносных сосудов и других элементов организма.

6. Линейные и угловые перемещения.

7. Вязкость жидкостей (крови, плазмы)

8. Скорость потоков жидкостей и воздуха.

9. Расходы потоков жидкостей и воздуха.

Для измерения перечисляемых параметров настоящее время разработано множество приборов и устройств различных принципов действия.

Электромеханические преобразователи, используемые в медицине и биологии

Измерение неэлектрических величин, в том числе и механических, производится путём преобразования этих величин в электрические величины (ток, напряжение, сопротивление и  т.д.) с последующим измерением электрических величин электроизмерительными приборами.

Учитывая важность для медико-биологических экспериментов поступающей на вход электромеханического преобразователя механической величины, выходную характеристику этих преобразователей называют характеристикой преобразования. По крутизне этой характеристики определяется чувствительность преобразователя и измерительной схемы  к измеряемой величине.

Минимальный входной сигнал, на который реагирует преобразователь, называется зоной нечувствительности преобразователя (порог чувствительности).

К современным электромеханическим преобразователям предъявляются следующие требования:

1. Однозначность (отсутствие гистерезиса) в рабочем диапазоне измеряемых величин.

2. Высокая линейность выходного сигнала в рабочем диапазоне преобразования.

3. Отсутствие искажений измеряемой механической величины в рабочем диапазоне частот.

4. Достаточно высокая чувствительность к измеряемой механической величины.

5. Малая зона нечувствительности преобразования.

6. Минимальное влияние на характеристику преобразования внешней среды (температуры, давления и т.д.)

7. Минимальные искажения измеряемой величины, которые происходят от взаимодействия преобразователя с контролируемым процессом или объектом.

8. Высокая стойкость к механическим перегрузкам.

9. Высокая долговечность и надёжность в работе.

10. Минимальные габариты и вес изделия.

К дополнительным требованиям относятся:

1. Высокое быстродействие.

2. Большой динамический диапазон.

3. Малая потребляемая мощность.

4. Взаимозаменяемость.

5. Простота конструкции.

6. Малая стоимость.

Т.к. ни один из электромеханических преобразователей не может отвечать всем предъявленным требованиям и быть одновременно универсальным измерительным средством, поэтому существует большое разнообразие электромеханических преобразователей, в основу которых положены различные принципы действия  и, следовательно, — различные конструкции. Наиболее широкое применение имеют следующие преобразователи:

1. индукционные;

2. индуктивные;

3. ёмкостные;

4. тензорезисторные;

5. фотоэлектрические;

6. магнитоэлектрические;

7. механотронные;

8. электромеханические и т.д.

По виду выходного сигнала они делятся на группы:

1. со съёмом сигнала на переменном токе;

2. со съёмом сигнала на постоянном токе.

Рассмотрим некоторые особенности, характерные для некоторых перечисленных выше преобразователей: индукционные и индуктивные не имеют механического контакта между подвижными и неподвижными частями, они обладают высокой надёжностью, большим сроком службы и малой зоной нечувствительности.

К их недостаткам следует отнести:

1. малая мощность выходного сигнала;

2. съём информации только на переменном токе;

3. сравнительно невысокая чувствительность (от 0,5 до 600 мВ (мкм)).

Кроме того, необходимо применять в совокупности с ними вторичную преобразующую аппаратуру.

Вторые устройства магнитоэлектрические:

преимущества: нет контакта, высокая чувствительность, работают на постоянном токе;

недостатки: малая выходная мощность, достаточно инер­ционный ротор (если в качестве него используется постоянный магнит). Бывает две схемы: подвижный магнит или сигнальная катушка. Если в качестве ротора используется сигнальная или управляющая катушка, то эти преобразователи обладают малой инерционностью. Они имеют малый реактивный момент, который связан с взаимодействием ферромагнитных материалов с магнитным полем.

Третья группа — ёмкостные преобразователи обладает высокой чувствительностью, но обладают тем же недостатком, что и индуктивные преобразователи (выходной сигнал на переменном токе). Кроме того, они имеют малую помехозащищённость (на их работу влияют ёмкости монтажа).

Четвёртая группа — тензорезисторные преобразователи просты по конструкции, имеют малые габариты и вес, широкий частотный диапазон и сравнительно малую зону нечувствительности. Кроме того, они обычно работают на постоянном токе. К недостаткам следует отнести малую мощность выходного сигнала, большой разброс параметров, сложность измерительных схем, их, как правило, используют однократно.

Пятая группа — фотоэлектрические преобразователи более просты по конструкции и в эксплуатации. К недостаткам следует отнести: нестабильность во времени параметров, влияние на них показателей температуры окружающей среды  и влажности воздуха, достаточно высокая инерционность. Механотронные, электровакуумные и электронно-механические прео­бразователи, как правило, работают на постоянном токе. Обладают высокой чувствительностью и очень малой зоной нечувствительности. Они уступают индукционным и индуктивным с точки зрения потребляемой мощности и долговечности. Однако по совокупности технико-экономических показателей они в ряде случаев превосходят эти и другие электронно-механические преобразователи. Эти преобразователи могут быть выполнены высокоточными (электронные приборы), а также в виде газонаполненных (газоразрядных) приборов. По принципу действия делятся на:

1. преобразователи с механически управляемыми электродами (механотроны);

2. преобразователи, основанные на инерционно – плазменном эффекте;

3. преобразователи с магнитным управлением электрического тока;

4. преобразователи с управлением электрическим током путём изменения величины и ориентации внешнего электромагнитного поля.

Три последних группы находят ограниченное применение. А первая имеет широкое распространение  в медико-механических исследованиях, так как это связано с тем, что они сочетают в себе простоту конструкции с высокой чувствительностью. Для своей работы они требуют простых электрических схем и малых питающих напряжений.

Принцип действия механотронов. Основы их кинематических и электродных систем.

 

Структурная схема механотронного преобразователя имеет вид:

Механическая величина М, которая поступает на вход механотронного преобразователя, преобразуется в кинематическую величину с помощью кинематической системы (угловые и линейные перемещения), которая в свою очередь элек­тродной системой II в изменение анодного тока или анодного напряжения, т.е. в электрическую величину. Подвижные электроды соединены с герметичной оболочкой  механотрона с помощью упругих элементов, в качестве которых могут применяться мембраны, консольные пружины, подвески и другие упругие элементы. Причём в механотронном преобразователе можно выделить два основных звена. Эта кинематическая система содержит упругие элементы, подвижные электроды и другие подвижные детали. Электродная система, которая включает в себя совокупность электродов приборов, причём связь между входной механической величиной и выходной электрической величиной может быть выражена:

Э = η_im • M (1)

Э = η_iu • M (2)

где   η_im, η_iu — чувствительности соответственно по току и  на­пря­жению.

В общем случае эти характеристики нелинейные, а наиболее распространённой кинематической системой механотронных преобразователей, применяемых для измерения перемещений и усилий, является система «мембрана – стержень».

Входная механическая величина перемещения α или F подаётся на внешний конец (1), который впаян в мембрану (2), которая является частью герметичной оболочки (3), при этом подвижный электрод – анод (4) укреплён на внутренней стороне стержня, перемещающегося относительно катода (5). Это приводит к изменению анодного тока или напряжения, а, следовательно, и выходного сигнала.

Это механотронный преобразователь давления под воздействием изменения давления Р мембрана 1 прогибается, в результате чего происходит перемещение подвижного анода 2 относительно неподвижного 3, жёстко закреплённого в оболочке 4. Такие преобразователи часто называют манотронами.

 

 

В механотронных схемах наиболее часто применяют системы с продольным и поперечным управлением анодным током.

с продольным                                 с поперечным

управлением управлением

При продольном управлении подвижный плоский электрод перемещается вдоль линии электрического поля, так что плоскость электрода остаётся перпендикулярна линиям этого поля.

В механотронных приборах продольного управления используется зависимость анодного тока от расстояния между анодом и катодом (в случае диодной схемы) и расстоянием между сеткой и катодом  (в случае катодной схемы). В газоразрядных приборах используется зависимость  напряжения на разрядном промежутке от расстояния между электродами.

При поперечном управлении направление перемещения подвижного электрода перпендикулярно линиям электромагнитного поля и на рисунках приведена схемы диодного вакуумного механотрона поперечного управления с подвижным анодом. Здесь управление анодным током осуществляется путём изменения площади перекрытия между анодом и катодом. Наибольшее распространение нашли вакуумные механотронные преобразователи продольного управления анодным током, т.к. они имеют более простую схему и конструкцию, у них достаточно высокая чувствительность и малая требумая мощность.

Общее число электродов у этих механотронов может составлять 2; 3; 4. Чаще используются первые две конструкции.

Основные параметры и их характеристики в механотронах продольного управления

Чувствительности механотронов:

η_im = σ Ψ_i

η_um = σ Ψ_u

равны произведению чувствительностей его кинематической и электродной систем.

где    σ — чувствительность кинематической системы механотрона;

Ψ_i, Ψ_u — соответственно чувствительности его электродной системы по току и напряжению перемещения подвижных электродов.

Чувствительность σ является важнейшим кинематическим параметром системы и определяется:

где    ∆d — перемещение подвижных электродов механотрона, которое вызвано воздействием механической величины М.

В зависимости от вида преобразователей и размерностей  ∆d и М чувствительность σ может иметь различные размерности.

Основной характеристикой кинематической системы механотрона продольного управления является зависимость перемещения его подвижного электрода от измеряемой механической величины.

∆d = σ М          ∆d = f(М)

В общем случае основные характеристики кинематических систем нелинейны, но т.к. перемещения подвижных электродов большинства механотронов малы, поэтому в рабочем диапазоне измеряемых механических величин выходные характеристики считают линейными, а чувствительность постоянной.

При расчётах и проведении экспериментов с механотронными преобразованиями перемещений и усилий для характеристики кинематической системы очень часто используют величину, обратную чувствительности (жёсткость кинематической системы).

Важным параметром механотронного преобразователя является частота собственных механических колебаний, которую часто называют резонансной частотой системы f_о.

где   М — масса колеблющейся системы;

σ_F — чувствительность к перемещению под действием силы;

k — коэффициент, который зависит от типа и геометрии механотронной системы.

Из последнего выражения видно, что повышение частоты f_о может быть получено путём уменьшения массы М и повышением жёсткости λ. Но увеличение λ приводит к уменьшению чувствительности.

Механотронная электродная система обычно характеризуется следующими основными параметрами:

1. внутренним дифференциальным сопротивлением R_i;

2. чувствительностью по току Ψ_i;

3. чувствительностью по напряжению Ψ_u к перемещению подвижного электрода.

Электрический режим работы механотрона до механического воздействия на него обычно характеризуется начальными значениями анодного тока, анодного напряжения и начальным межэлектродным расстоянием в нём.

I _ао, U_ао,d_ао

Рассмотрим параметры R_i, Ψ_i, Ψ_u на примерах вакуум­ных­ ди­­одных и триодных  механотронов продольного управле­ния­.

Под чувствительностью по току к перемещению в данном слу­чае понимается отношение изменения анодного тока I к ве­ли­­чине приращения перемещения подвижного анода (при по­сто­­янном напряжении на электродах).

Для диодных механотронов:

U_a=const

Для триодных механотронов:

U_c — напряжение на сетке.

Переходя к частным производным, получим, что чувствительность диодного механотрона:

и триодного:

Т.к. ∆d = d - d_o — разность между текущим расстоянием между электродами и начальным, т.е. при М=0, поэтому учиты­вая, что d_o=const выражение для чувствительности, мож­но переписать:

Под чувствительностью по напряжению к перемещению понимают зависимость отношения изменения анодного напряжения к величине приращения перемещения:

Под дифференцированным внутренним сопротивлением понимают сопротивление его межэлектродного промежутка и находят его как отношение изменения анодного напряжения U к изменению анодного тока I при постоянном межэлектродном рас­стоянии или как отношение соответствующих частных производных:

Численное значение R_i для данных значений I_а и U_а может быть определено только путём дифференцирования кривой I_а=f(U_а) зависимости анодного тока I от анодного напря­же­ния U.

Используя последнее выражение и подставляя в полученное выражение численные значения тока I_а и напряжения U_а, увидим, что эта за­висимость будет нелинейной. Используя выкладки, изложенные выше, можно получить уравнения связи между чувствительностью по напряжению, чувствительностью по току  и внутренним сопротив­ле­нием R_i.

Ψ_u = -Ψ_i R_i

Одно из основных требований, которое предъявляется к механотрону, является либо высокая чувствительность по току, либо по напряжению. При этом механотроны с высокой чувствительностью по отличаются большим внутренним сопротивле­­нием R_i.

Параметры Ψ_i, Ψ_u и R_i электродной системы так же как параметры механотрона η_im , η_um, которые определяются по первым двум формулам, характеризуют механотронный пре­об­разователь в простейшем режиме его работы, а именно, ког­да на все электроды механотрона подают только на­пря­же­ние по­с­то­ян­но­го тока и в анодной цепи не содержится каких-либо  сопро­тив­­лений на­грузок. В связи с отсутствием нагрузки в анодной це­­пи паде­ние напряжения между анодом и катодом в этом слу­чае равно напряжению источника питания Е_а.

Этот режим электровакуумных приборов называется статическим, а параметры и характеристики, которые определяются в этом режиме называются статическими характеристиками. При этом за основную статическую характеристику механотронной системы продольного управления принимаем зависимость анодного тока I от межэлектродного расстояния d, которая изменяется при перемещении подвижного электрода (анода), полученная при неизменных напряжениях на электродах. Эти характеристики называются характеристиками перемещения (б).

Одной из важных характеристик механотрона в статическом режиме является его анодная характеристика (в). Эта характеристика  — зависимость анодного тока I от анодного на­­пряжения U, полученная при фиксированном межэлектродном расстоянии (в случае триод — при неизменном напряжении на сетке).

Статическая электромеханическая характеристика механотрона в целом может быть, т.е. зависимость анодного тока I от действующего механического воздействия получена экспериментальным путём методом расчёта или методом графического сложения заранее рассчитанных характеристик перемещения механотронной системы и основной характеристики кинематической системы.

Рассмотрим простейшие формулы для расчёта параметров и характеристик диодного механотрона продольного уп­ра­в­ления с плоско параллельной системой подвижных электродов.

Для данного случая:

I_а=( А S_к U_а^3/2 ) / d² (1)

А — постоянный коэффициент, А=2,33•10^-6; [ A ]=А•В^-3/2;

S_k — активная площадь катода, обращённая к аноду;

U_a — напряжение между анодом и катодом;

d — расстояние между анодом и катодом.

Формула (1) позволяет рассчитать 2 основные статические характеристики диодного механотрона:

I_а=f( d )               U_a=const

Из (1) видно, что характеристика перемещения носит явно нелинейный характер, поэтому очень важно оценивать степень нелинейности данной характеристики в рабочем диапазоне перемещений подвижного электрода механотрона. Это производится по следующей формуле:

∑_cт = [ ∆I_{а max} / ( I_{а max} - I_{а min} )] • 100%

Для диодного механотрона продольного управления величина нелинейности считается по следующей эмпирической формуле:

∑_cт =0,25 • Z^-1[ 3 + Z² – 3( 1 – Z )^2/3 ] • 100%,

— относительное смещение подвижной части механотрона.

Если продифференцировать (1), то получим формулы для чувствительностей  по току и по напряжению:

(2)

(3)

Затем, взяв частную производную

(4)

Подставив (1) в (2), получим:

(5)

(6)

Формулы (2), (4), (5), (6) могут быть использованы лишь для пред­варительного расчёта характеристик и параметров дио­­дного механотрона.

Принципиальные измерительные схемы на основе применения механотронных преобразователей.

 

Рабочие параметры диодных механотронных преобразователей продольного управления.

Простейшая схема включения диодного механотрона имеет вид:

R_п R_а

U_п — измерительный прибор;

U_н ­­— напряжение накала.

U_п

I_a Е_а

М

U_н

Эта схема состоит из двухэлектродного механотрона М, анодной нагрузки R_a, измерительного прибора U_п с внутренним сопротивлением R_п, источника анодного питания Е_а, которые соединяются последовательно.

Для этой схемы справедливо:

Е_а = ( R_п - R_a ) + U_а (1)

Так как анодный ток I является одновременно функцией двух переменных  I_а=f(d, U_а), то его полный дифференциал:

(2)

Если в формуле (2) значение статических параметров, то получим:

(3)

Для диодного механотронного преобразователя рабочая чувствительность по току к механотронной величине определяется:

(4)

η_im — статическая чувствительность механотронного преобразователя по I.

Механотронный мост

Чаще на практике применяется мостовая симметричная схема на основе двуханодного диодного механотрона, которая имеет вид:

Данная схема позволяет снизить пульсации (флук­ту­а­ции) источников питания и внутриламповых эффектов на вы­хо­де сигнала преобразователя.

Рабочая чувствительность такой схемы, включаемой в мос­товую симметричную схему, определяется как произ­вод­ная от I в цепи отсчётного прибора на величину изменения из­ме­­­ря­емой механической величины.

(5)

Есть другие схемы анодного моста, только с одним подвижным анодом.

(6)

Выходное сопротивление мостовой схемы:

(7)

а рабочая характеристика мостовой схемы:

I_п = f ( M ) — ток в цепи выхода отсчётного прибора.     (8)

В общем случае характеристика (8) нелинейна, причём степень её нелинейности зависит от степени нелинейности параметров механотронной системы и от параметров измерительной схемы.

Степень нелинейности механотронного преобразователя в статическом режиме, как правило, равно степени нелинейности суммарной статической характеристики перемещения его электродной системы.

Установлено, что степень нелинейности зависит от отношения R_a к внутреннему дифференциальному сопротивлению механотрона R_i (R_a/ R_i). Для простейшей схемы это отношение находится с помощью приближённого соотношения вида:

R_{a опт} ≈ 7,2 R_iо

Для мостовой схемы это соотношение колеблется в диапазоне (2…3,5) R_iо ≈ R_{a опт}.

1. R_a > R_{a опт}

2. R_a = R_{a опт}

3. R_a < R_{a опт}

Формула для нелинейности имеет вид:

∑_раб = ∆I_{п max} / I_{п max} • 100%

где   ∆I_{п max} — наибольшее отклонение реальной характеристики от линейной;

I_{п max} — наибольшее значение в измерительной диагонали механотрона.

В измерительной схеме с диодными механотронами в ка­чес­тве отсчётных измерительных устройств с целью повышения чувствительности измерительной схемы применяются при­боры с малым внутренним сопротивлением, т.е. R_п << R_iо (микро- или миллиамперметры, самопишущие и цифровые измерительные приборы).

Приборы для изучения мышечных сокращений

При физиологических исследованиях механотроны применяются для измерения и регистрации механических параметров сократительных эффектов следующих объектов:

— изолированных мышц;

— изолированных органов живых организмов;

— различных мышечных фрагментов (мышечные полоски);

— отдельных мышечных клеток (мышечных волокон).

Рассмотрим схему устройства для исследования изолированных мышечных объектов в изотермическом режиме, при котором усилия, развиваемые мышечным объектом, происходят при практически неизменных его размерах.

Устройство состоит из механотронного преобразователя 1, штырь которого посредством гибкой тяги 2 соединён с мышцей 3, которая помещена в сосуд 4, наполненных физиологическим раствором.

Мышца раздражается с помощью электрического тока, который подводится с помощью электродов 5.

Электрическая схема устройства представляет собой мост механического типа, в одну диагональ которого включен измерительный прибор ИП, и имеет два регулируемых сопротивления для регулировки анодного и сеточного токов.

В качестве измерительного прибора в данной схеме чаще всего применяются самопишущие приборы типа Н-338 и т.д.

Этот прибор прост по конструкции, а в качестве механотронного преобразователя исполнительные механизмы типа 6МХ1С. Данный механизм позволяет измерять усилия в диапазоне от 10 мг до 30 г. Для измерения усилий в более широком диапазоне применяются датчики усилий конструкции 2.

Датчик состоит из механотронного преобразователя 1, который установлен в механическом корпусе 2 и закреплён винтом 3. С целью измерения в области малых усилий на выходном штыре механотрона укреплён лёгкий трубчатый стержень 4, конец которого проходит через отверстие в ограничителе хода 5. Исследуемая мышца 8 соединена со стержнем 4 с помощью передвижного хомутика 6 с крючком 7. Прикладывая измеряемое усилие к концу стержня 4, получим максимальный  для данного датчика значение чувствительности при сравнительно малом диапазоне измеряемых сил. Перемещая точку приложения силы вдоль штыря и стержня в сторону мембраны механотрона, можно расширить диапазон его измерений (например, из положения А в В).

Регулировка  диапазона измерений поясняется схемой:

На данном рисунке система «мембрана — стержень» представляет собой двухплечий рычаг в точке опоры в месте спая стержня 1, удлинённого трубкой 2 с мембраной 3.

На внутреннем плече рычага укреплён подвижный анод 4, расположенный в стеклянном баллоне 5. В данном случае контролируемый механический сигнал (сила F), под действием которого подвижный анод 4 перемещается относительно неподвижного катода 6 на величину ∆d. При этом чувствительность датчика по току к входному механическому воздействию определяется:

Ψ_F = ( n + l ) m Ψ_i σ_F (1)

Ψ_i — чувствительность механотрона по току к перемещению;

σ_F — приведённая чувствительность кинематической сис­темы;

n — длина штыря механотрона;

l — длина трубчатого стержня;

m — длина внутреннего плеча кинематической системы механотрона.

Из (1) видно, что для увеличения чувствительности Ψ_Е необходимо увеличить плечо (n+l). При этом диапазон измеряемых сил обратно пропорционален длине внешней части стержня. Дальнейшее расширение диапазона измерений достигается за счёт применения специальной балки 9 (рис 2). Один из концов этой балки жёстко крепится к корпусу датчика, а другая соединяется со штырём механотрона с помощью гибкой тяги 10. Эта тяга выполняется в виде эластичной плоской пружины, которая жёстко закреплена в зажимах 11. При этом балка 9 выполняет роль промежуточного управляющего элемента, который непосредственно воспринимает измеряемое усилие, создаваемое мышцей 12. В результате этого можно расширить диапазон измерений от единиц мг до 10 кг.

Для измерения сокращений мышечных объектов в изотоническом режиме, т.е. в условиях постоянной нагрузки в виде растяжения мышцы, применяют устройство вида (4). На схеме 4 один конец исследуемой мышцы 1 закреплён на штанге 2, которая вместе с мышцей размещена в кювете, заполненной физическим раствором 4. Свободный конец мышцы нагружен постоянной растягивающей силой в виде грузика 5. Этот конец мышцы с помощью гофрированного поводка 6 и тяги 7 соединён с концом штыря 8 механотрона 9. В качестве механотрона применяется широкодиапазонный прибор. Корпус механотрона при помощи кронштейна 10 и хомута 11 прикреплён на наружной стенке кюветы 3.

Электростимулятор 12 предназначен для стимуляции сокращений мышцы. При сокращении мышцы свободный конец её совершает возвратно-поступательные движения по вертикали. Это перемещение фиксируется механотроном и регистрируется с помощью самописца.

Изотонический режим используется обычно для регистрации сокращений образцов тонкого кишечника у животных. Возникающие при этом перемещения составляют ≈ 1 – 5 мм, а нагрузка на испытуемый объект 1 – 3 г.

Установка для измерения механических шумов сердца

Механическими шумами сердца принято называть спонтанные асинхронные сокращения отдельных клеток и групп клеток миокарда. Установлено, что механический шум сердца характеризует тонус миокарда и в конечном счёте определяет степень наполнения сердца кровью.

По уровню шумов можно судить об эффективности работы сердца как насоса.

Для измерения механических шумов была разработана установка:

На данном рисунке показано, что в ёмкости 1 с физическим раствором 2 помещена мышца 3. Один конец мышцы закреплён неподвижно к стенке сосуда, а другой — связан через тягу 4 со стержнем механотрона 7. Данный механотрон служит для регистрации усилий, развиваемых при сокращении мышцы. Для регистрации перемещений применяют механотроны 8 и 9. При этом перемещения регистрируются в двух крайних точках мышцы. Для этого к концам механотронов 8 и 9 присоединяют микропипетки 10. Эти микропипетки выполнены в виде тонкостенных стеклянных трубочек диаметром 2 – 2,5 мм с сужением на конце до диаметра 1 мкм. Выходные сигналы механотронов 8 и 9 будут пропорциональны перемещениям крайних точек мышцы. Эти выходные сигналы усиливаются с помощью операционных усилителей 12 и 13, а выходной сигнал механотрона 7 усиливается с помощью усилителя 11. Для получения сигнала, пропорционального укорочению исследуемого элемента мышцы применяется схема суммирования сигналов с помощью резисторов R₁ и R₂ и усилителя 14 будет пропорционален укорочению исследуемого элемента мышцы. Выходные сигналы U_вых4, U_вых1 регистрируются одновременно самописцем 15. Сокращение мышцы стимулируется с помощью электростимулятора 16.

Необходимо отметить, что данная установка необходима для лабораторных исследований отдельных групп мышц сердца для определения их реакций на различные лекарственные препараты.

Механотронный тонусограф

В клинической практике механотроны также используются для изучения мышечной силы и исследования –динамических и статических нагрузок тонуса мышц.

На данной схеме корпус 1 силоизмерительного датчика установлен в отверстии подшипника 2 и жёстко соединён с внутренним кольцом этого подшипника. Наружное кольцо запрессовано в периферийную часть текстолитового диска 3, который вращается на оси 4. Вращение этого диска осуществляется от двигателя 5 через редуктор 6, 7, 8 и вариатор, который состоит из диска 9 с резиновым ободом 15.

Диск 9 установлен на валу 11, который закреплён в шарикоподшипнике 10. Диск 9 может свободно перемещаться вдоль оси 11 с помощью червячной передачи 12. Во избежание скручивания кабеля 13 он пропущен через отверстие в диске 3. При этом на силоприёмной колодке укреплена ручка 14 из электроизоляционного материала. Тонусограф работает следующим образом: пациент берёт рукой за ручку 14, после чего включают двигатель 5, и начинает вращаться двигатель 5. Диск 3 увлекает за собой кисть руки пациента. При этом мышцы руки растягиваются, оказывая определенное сопротивление вращению диска. Сила сопротивления воспринимается подвижной колодкой силоизмерительного устройства, а выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе, регистрируется с помощью самописца.

Для оценки состояния мышечной системы применяют также динамографы, т.е. приборы, позволяющие определять усилие, развиваемое мышцами конечностей, а также производимую ими работу.

Силоизмерительный датчик (СИЭМ – 1) содержит корпус 1, который жёстко закреплён с помощью хомута 2 и винтов 3 с металлической плитой 4, которая может быть закреплена на полу или на стене 5. На подвижной колодке при помощи хомута 6 закреплена скоба 7, которая нужна для фиксации конечности пациента во время измерения. Во время измерения пациент тянет или отталкивает скобу 7. При этом на диаграммной бумаге с помощью самописца будет регистрироваться кривая, которая характеризует степень утомляемости мышц, а по площади полученной диаграммы судят о произведённой работе.

Для исследования мышц ног пациента применяют комплексный прибор КУМП – 1.

Схема его имеет вид:

Данный прибор состоит из механотронного устройства  с силоизмерительным датчиком  и трёх измерительных блоков, которые соединены  с силоизмерительными датчиками  и которые обеспечивают снабжение электропитанием съём выходных сигналов. Механическое устройство содержит основание 1, на котором с помощью стоек 2 устанавливаются три силоизмерительных устройства: 3, 4 и 5.

Силоизмерительные устройства выполнены в виде миниатюрных СИЭМ (силоизмерительные механизмы), которые жёстко закреплены в стойках 2, а их подвижные колодки снабжены силосъёмными площадками: 6, 7 и 8. Стопа пациента устанавливается на площадке 6 и 7 датчиков 3 и 4. Затем все датчики подключаются  к электроблокам: 9, 10 и 11, информация с которых поступает на самописец 12.

Приборы для изучения деятельности нервной системы

В неврологии механотронные датчики применяют:

1. для регистрации тремора;

2. для изучения рефлекторных сокращений мышц в ответ на дозированное механическое раздражение на отдельные участки сухожилий или надкостницы;

3. для регистрации статического равновесия тела и походки;

4. для исследования психофизического состояния пациента путём изучения почерковых движений.

Тремор (дрожание) — непроизвольные колебательные движения всего тела или отдельных его частей (в первую очередь конечностей), которые характеризуются ритмичностью и стереотипностью.

легранн

Прибор, который служит для регистрации и измерения тремора называется тремограф. Данный прибор содержит механотронный датчик ускорения инерционного принципа действия, кроме того, самописец и измерительный электроблок.

Изображен однокомпонентный тремограф. Состоит из механотронного преобразователя перемещений 1, на штыре которого укреплена инерционная масса 3. При ускоренном движения механотрона, возникающем в результате тремора, стержень 2 отклоняется на определенный угол, что вызывает перемещение подвижного анода 4, закрепленного на внутреннем конце стержня, при этом изменение анодного тока пропорционально измеряемому ускорению. Во время работы этот датчик закрепляется, например, с помощью кольца, лейкопластыря и т.д. на конечности или голове пациента. Т.к. этот прибор имеет только одну плоскость чувствительности к ускорению, он называется однокомпонентным. Бывают двух-, трех- и многокомпонентные тремографы.

Для измерения давления пиномозговой жидкости пациента (ликвора), которая заполняет полости спинного и головного мозга, применяется прибор, состоящий из датчика ликворного давления, измерительного блока и самописца. Манотрон 1 снабжен колпачком 2, верхняя часть которого выполнена конической с наконечником, куда устанавливается шприцевая игла 3. Боковая поверхность колпачка снабжена отверстием, которое закупоривается пробкой 4. При работе измерительный резервуар, который образуется колпачком 2 и мембраной 5, заполняется физиологическим раствором. Это делается с помощью шприца через отверстие с пробкой 4. После заполнения резервуара и удаления из него пузырьков воздуха игла 3 датчика вводится между позвонками в область ликвора. При этом ликворная жидкость попадает в полость иглы 3, создавая давление на мембрану 5 манотрона. При этом подвижный анод перемещается, а выходной сигнал пропорционален ликворному движению, а отсчитывается по регистрирующему прибору.

Для проверки сухожильных рефлексов разработаны приборы, которые служат для вызывания сухожильных и периостальных рефлексов. Они позволяют произвести дозированный удар по рефлексогенной зоне и тем самым вызвать рефлекторные движения конечностей (коленный и ахилов рефлексы).

Устройство состоит из ударного приспособления, состоящего из рейки 7, бойка 3, и пружины 5, помещенные в корпус. На корпус навинчиваются крышки 2 и 10. Рейка под действием пружин 5 перемещается вдоль оси              Х и ударяет по резиновому бойку 3, который прикладывается к определенному месту рефлекторной зоны. При этом ограничение перемещения рейки 7 осуществляется при помощи упора 4. Сила удара дозируется величиной сжатия пружины. Пружина сжимается между кольцевыми втулками корпуса и площадкой рейки 12. Требуемая степень сжатия регулируется с помощью курка 9, который входит в выемки рейки 7 и пружины 8.

Приборы для контроля состояния сердечно-сосудистой деятельности

К числу таких приборов относятся механотронные манометры для измерения давления крови. Приборы для регистрации пульсовых колебаний стенок кровяных сосудов (сфигмографы) и для измерения скорости кровотока в магистральных сосудах, а также приборы для контроля состояния перефирического кровообращения (пальцевые плетизмографы).

Для измерения давления крови человека и животных прямым способом применяются датчики следующей конструкции.

Этот датчик состоит из механотронного преобразователя перемещений 1, корпуса 2, мембраны 3, которая является частью измерительного резервуара 4. Выходной штырь механотрона с помощью тяги 5 соединен с жестким центром мембраны 3. Перед измерениями резервуар заполняется физиологическим раствором. Для графической регистрации пульсовых колебаний штуцер 6 соединяется с кровеносным сосудом посредством шприцевой иглы. Для графической регистрации пульсовых колебаний крупных кровеносных сосудов (сонная артерия, лучевая артерия, бедренная артерия) применяют механотронные сфигмографы.

В состав данного прибора входят: измерительный электроблок, механотронный датчик и самописец.

Механотронная часть состоит: механотрон 1 укреплен в корпусе 2, легкий подвижный цилиндр 3 (пелот) закреплен с помощью двух эластичных мембран 4 в корпусе 2. Причем для уменьшения жесткости мембрана имеет прорези и в нерабочем состоянии пелот 4выступает за пределы мягкой резиновой воронки 5. При работе датчика его пелот прижимается к стенкам исследуемого сосуда, а мягкая воронка 5 при этом способствует устранению напряжения на поверхности кожи и тканей. Пульсации стенок кровеносных сосудов передаются пилоту, фиксируются механотроном 1 и регистрируются самописцем.

В качестве механотрона в данной конструкции могут быть применены типы: 6МХ1Б, 6МХ2Б и т.д., которые имеют диапазон измеряемых перемещений от 0 до 140 мкм. В качестве самописца рекомендуется быстродействующий типа: Н-338.

Приборы для изучения дыхания

При проведении различных исследований требуется измерять максимальный объемный расход воздуха при вдохе и выдохе, при чем как через рот, так и через нос. Для проведения этих измерений применяются пневмотахометры. Конструкция механотронного пневмотахометра имеет вид:

Механический пневмотахометр состоит из расходомерной трубки с диафрагмой; механотронного датчика давления; измерительного блока.

Расходомерная трубка 1 выполнена тонкостенной из легкого материала, она снабжена диафрагмой 2, которая встроена в среднюю часть трубки. Причем по обе стороны диафрагмы распложены патрубки 3 и 4, а на верхнюю часть трубки 1 укреплена насадка 5, которая используется для контроля вдоха и выдоха только ртом и специальный воздухоприемник 6, который выполнен в виде резервуара из мягкой резины. Необходимо отметить, что этот воздухоприемник продувается через никель 7. Воздухоприемник 6 предназначен для контроля вдоха и выдоха, как ртом, так и носом, а для этого он герметично уплотняет область рта и носа по переносице, щекам и подбородку. Патрубки 3 и 4 расходомерной трубки соединены резиновыми шлангами 8 и 9 с патрубками 10 и 11 механического датчика давления. Этот датчик содержит герметичный цилиндрический корпус 12, и упругий чувствительный элемент сильфон 13. Один конец сильфона закрыт герметично заглушкой 14, которая соединена с выходным штырем механотрона 15. Сам механотрон с помощью кожуха 16 крепится к корпусу 12. Датчик построен по дифференциальному типу и измеряет разность давлений по обе стороны сильфона 13. Пневмотахометр работает следующим образом: при вдохе или выдохе поток воздуха проходит через расходомерную трубку 1 и, встречая на пути диафрагму 2, создает по обе стороны последней разность статических давлений, которая и будет пропорциональна скоростному напору воздуха. Данная разность через патрубки 3 и 4 и через воздухопроводы 8 и 9 подается на механотронный датчик давлений. Эта разность будет вызывать перемещение сильфона, а следовательно, и выход штыря механотрона. Выходной сигнал в виде анодного тока будет вызывать разбалансировку мостовой схемы. А напряжение разбаланса моста будет пропорционально величине мгновенных значений расходов воздуха, которые определяются амплитудами вдоха и выдоха.

Измерительный прибор регистрирует эти показания в ви­де­­­ величин, имеющих размерности расхода воздуха.

Для измерения пульсаций давлений в дыхательных путях (особенно исследуемых живых организмов под наркозом) разработан высокочастотный монометрический датчик избыточного давления.

Датчик содержит металлическое основание 1;механотронный преобразователь 2, который установлен на основание с помощью специального крепления 3 с хомутом 4. В его состав входит мембранная коробка 5 со штуцером 6. Особенность состоит в том, что мембранная коробка складывающегося типа и выполнена из двух эластичных мембран, которые имеют большую эффективную поверхность, что, обеспечивает высокую чувствительность  к давлению. Жёсткий центр мембраны посредством втулки 7 соединён с выходным штырём механотрона 8. Датчик снабжён держателем 9, который обеспечивает его установку на лабораторном штативе. При работе прибора штуцер 6 мембранной коробки с помощью резинового шланга соединён с дыхательными путями пациента. При выдохе давление в полости мембранной коробки возрастает, коробка раскрывается,  и перемещение жёсткого центра передаётся выходному штырю механотрона. Жёсткий центр мембраны посредством втулки 7 соединён с выходным штырём механотрона 8. Датчик снабжён держателем 9, который обеспечивает его установку на лабораторном штативе. При работе прибора штуцер 6 мембранной коробки с помощью резинового шланга соединён с дыхательными путями пациента. При выдохе давление в полости мембранной коробки возрастает, коробка раскрывается,  и перемещение жёсткого центра передаётся выходному штырю механотрона. Выходной сигнал у этого датчика пропорционален измеряемому давлению  Техническая характеристики: диапазон измеряемого давления от ±5 до ±50 мм рт. ст.: чувствительность по току к давлению — 20 мкА /мм рт. ст.; анодное напряжение  — 12±5 В; нелинейность прибора в рабочем диапазоне — ± 2%; приведённая погрешность — ± 3%.

Приборы для проведения стоматологических исследований

При проведении различных исследований в стоматологии и при проведении некоторых операций на органах приротовой области (косметические операции, реконструктивные т.д.) важным является измерение усилий сжатия зубов, усилия развиваемого круговой мышцей рта при максимальном её сжатии и сила прижатия губ к дёснам. Для измерения этих факторов используются различные динамометры, построенных на механическом, гидравлическом принципах с применением электромеханических преобразователей индукционного типа, тензодатчиков и др. Принципиальная схема такого динамометра, построенного на механотронах, имеет вид:

Динамометр состоит из механотронного датчика и измерительного блока. Причём механотронный датчик содержит корпус 1, в который вмонтирован с помощью винтов 2 механический силоизмерительный элемент 3. Этот элемент состоит из подвижных и неподвижных колодок соответственно 9 и 11, которые соединены между собой плоскими пружинами10. Механотрон 4 имеет баллон, который жёстко связан с неподвижной колодкой. Внешняя часть выходного штыря механотрона связана с подвижной колодкой 9. На этой же колодке закреплена с помощью винтов втулка 5. В посадочные отверстия этой втулки, а также корпуса 1 укрепляются съёмные насадки 6 и 7, которые непосредственно воспринимают усилия зубов или губ. Эти насадки обычно выполнены или из оргстекла, или эбонита. Токопроводящие элементы монтируются в корпус прибора 1 с помощью втулки 8, которая выполнена из изоляционного материала. СИЭМ — силоизмерительный электромеханический механизм подключён к мостовой схеме, плечи которой образуют две анодные нагрузки R_a. В одну диагональ моста включён измерительный прибор , а регулируемые сопротивления R_c и R_p служат для балансировки мостовой схемы, а также для величин анодного напряжения. При этом схема не требует высоких напряжений и накала

Е_а≈20 В; Е_н=6В

Динамометр работает следующим образом: насадки 6 и 7 устанавливается между верхними и нижними губами и дёснами. При этом верхняя насадка в верхней своей выемке имеет место для размещения верхней уздечки верхней губы, что сопровождается сжиманием круговой мышцы рта при сжатии пациентом губ. При этом измерительный прибор предварительно устанавливается на ноль. Вызываемые при этом усилия воздействуют на насадки 6 и 7 и тем самым вызывают изменение анодного тока. При этом напряжение разбаланса моста    пропорционально измеряемому усилию сжатия. При соответствующих формах насадок 6 и 7 с помощью данного динамометра могут быть измерены отдельные усилия пар зубов, усилия прижатия верхней губы к нижней, усилие прижатия языка к десне и т.д.

Приборы для офтальмологических исследований

При проведении различных офтальмологических исследований актуальным является измерение внутриглазного давления либо прямым путём, либо косвенным. Для решения этих задач  с помощью монотрона (6МДХ11С) были разработаны датчики внутриглазного давления, примерная конструкция которых имеет вид:

Монотрон 1 снабжён насадкой в виде колпачка 2, который выполнен из оргстекла. Верхняя часть колпачка выполнена в виде конуса с наконечником, на который устанавливается шприцевая игла 3. Боковая поверхность колпачка 2 имеет отверстие, плотно закупоренное резиновой пробкой 4. При этом резервуар, образованный колпачком 2 и мембраной 5 монотрона заполняется физическим раствором через пробку 4. После заполнения раствором и удаления из резервуара воздуха игла 3 датчика вводится в глаз. При этом выходной сигнал монотрона будет пропорционален внутриглазному давлению и отсчитывается по шкале самописца  или измерительного прибора. При этом в зависимости от применённого механотронного датчика величина измеряемого давления может колебаться в диапазоне от 0 до 50 мм. рт. ст.

Для исследования кровоснабжения глаза используются приборы, называемые офтальмодинамографами.

Этот датчик состоит из устройства, которое предназначено для измерения компрессии глазного яблока и оно выполнено в виде индукционного датчика перемещений, который размещён в корпусе 7. Кроме этого датчик имеет устройство, которое воспринимает пульсовые волны роговиц. Конструктивно этот датчик имеет вид небольшой камеры 12, которая разделена мембраной 14 на две половины. Пульсовые волны через колебания воздуха передаются мембране 14, а колебания мембраны преобразуются в электрический сигнал с помощью механотрона 15. Датчик шарнирно закреплён на рычаге и может быть вручную с помощью рукоятки подведён и прижат к глазному яблоку, с которым соприкасается с помощью нижней своей части 13 (чашечка 13 повторяет форму глазного яблока). В состав устройства входит трёхканальный самописец 6, один из каналов которого регистрирует изменение во времени компрессионной нагрузки на глаз пациента, другой канал — офтальмодинамографическую кривую, третий канал регистрирует офтальмоэлектрокардиограмму. Этот прибор позволяет определить внутриглазное давление в артериальных сосудах глаза, а затем на фоне внутриглазного давления записать кривую глазного пульса  (путём регистрации колебаний роговицы с помощью механотрона).

К недостаткам относятся:

1) значительная масса, которая при контакте с глазным яблоком вызывает повышение внутриглазного давления;

2) компрессия глазного яблока вызывается вручную при помощи простейшего приспособления и при этом из-за неточной величины нагрузки, прикладываемой к яблоку, возникает ошибка в измерении.

Диагностические приборы

Аппараты для контроля сердечно-сосудистой деятельности (кардиографы)

Первые электрокардиограммы и физиологические исследования были произведены Гальвани в XVII в. Он установил, что электрический импульс может вызывать сокращения мыщц, и только потом было установлено обратное явление. После изобретения струнного гальванометра Эйнтховен в 1903г. зарегистрировал электрические токи работающего сердца человека. С развитием усилительной и регистрирующей техники изучение биоэлектрических явлений в сердце стало возможным, а это привело к созданию электрокардиографии.

Природа биоэлектрических явлений в сердце

Электрические явления в сердце объясняет мембранная теория, которая связана с возникновением биопотенциалов и согласно которой проникновение ионов калия, натрия, кальция, хлора и других веществ возможно через мембрану мышечной клетки. В электрохимическом отношении клеточная мембрана – оболочка с разной проницаемостью для различных ионов. Она разделяет как бы два раствора электролитов, которые существенно отличаются по составу и концентрации. При этом положительные ионы калия в силу концентрационного градиента стремятся выйти из клетки, а отрицательные ионы хлора, натрия кальция и т.д., наоборот, стремятся войти внутрь клетки. Вот это перемещение ионов внутри клетки и приводит к созданию разности потенциалов невозбудимой клетки. При этом её наружная поверхность становится положительной, а внутренняя отрицательной. Возникающая на мембране разность потенциалов препятствует дальнейшему перемещению ионов и при этом возникает стабильное состояние поляризации сократительного миокарда.

Трансмембранный потенциал покоя является отрицательным и составляет примерно 90 мВ. При возбуждении клетки резко возрастает проницаемость её стенки, и это приводит к изменению ионных потоков. А, следовательно, и к изменению самого трансмембранного потенциала. Этот процесс проходит несколько раз от резкой деполяризации, когда трансмембранный потенциал меняется от –90 до +30мВ, идо быстрой реполяризации. Причём реполяризация продолжается до тех пор, пока не будет достигнута фаза поляризации клетки. А все процессы распространяются в клетках миокарда, предсердии и желудочков сердца.

Основные функции сердца

Сердце обладает рядом функций, которые определяют особенности его работы, а также электрические процессы, которые отражаются на ЭКГ. Функция автоматизма заключается в способности сердца активизироваться и вырабатывать электрические импульсы. Однако процессы зарождения импульсов возбуждения находятся под влиянием центральной и вегетативной нервной системы. Сердечная мышца состоит из двух видов клеток:

1) клетки проводящей системы;

2) клетки сократительного миокарда.

Причём только некоторым клеткам проводящей системы присуще свойство автоматизма. Эти клетки называют клетками водителей ритма.

Функция проводимости  — способность проведения возбуждения, которая возникает в какой-либо части сердца к другим отделам сердечной мышцы.

Автоматическая деятельность сердца, а именно, возникновение процессов деполяризации и их распространение по миокарду предсердий, а также желудочков осуществляется благодаря особой нервно-мышечной ткани, которая называется проводящей системой сердца.

Схема проводящей системы сердца имеет вид:

1 — межпредсердный пучок; 2 — СА-узел; 3 — правое предсердие; 4 — пучок Гисса; 5 — АВ-соединения; 6 — правый желудочек; 7 — правая ножка пучка Гисса; 8 — левое предсердие; 9 — АВ-узел; 10 — левая передняя ножка пучка Гисса; 11 — левый желудочек; 12 — левая задняя ножка пучка Гисса; 13, 14 — волокна Пуркинье.

Клетки синоатриального (СА) узла и проводящей системы сердца, в которую входят: атривентикулярное соединение, проводящая система предсердий и желудочков. Всё это обладает проводящей способностью и функцией автоматизма.

Сократительный миокард системы лишён функции автоматизма. В нормальном состоянии СА-узел вырабатывает электрические импульсы с частотой 60 – 80 импульсов в мин. Он представляет собой центр автоматизма I – го порядка. При этом возбуждение распространяется из правого предсердия по межпредсердному пучку на левое предсердие. Далее электрический импульс распространяется по АВ-соединению через АВ-узел в пучок Гисса. При нарушении проводящих путей на этом участке АВ-соединение становится центром автоматизма II порядка и вырабатывает импульсы с частотой 40 – 60 импульсов в мин. По ветвям пучка Гисса электрические импульсы поступают к волокнам Пуркинье. Нижняя часть пучка Гисса может быть центром автоматизма III порядка, которой обладает самой низкой частотой 25 – 40 импульсов в мин. В АВ-узле и между АВ-узлом и пучком Гисса происходит значительная задержка электрических импульсов. Эта задержка возбуждения способствует тому, что желудочки начинают возбуждаться только после окончания сокращения предсердий, обеспечивая при этом необходимую последовательность работы сердца как насоса в системе кровообращения. Так большая скорость проведения импульсов по проводящей системе способствует практически одновременному охвату желудочков волной возбуждения, а, следовательно, наибольшему эффективному оптимальному выбросу крови в аорту и лёгочную артерию. Образование и проведение импульсов в сердце можно представить следующей схемой:

В случае нарушения проведения, на каком либо участке роль водителя ритма берёт на себя нижележащий участок. Нарушение проведения импульсов принято называть блокадой проводящих путей.

Функция проводимости

Возбудимость — свойство сердца возбуждаться под влиянием различных раздражителей. Она выражается в способности сердца активизироваться электрически. Этими свойствами обладает как проводящая система, так и клетки сократительного миокарда. Возбудимость сердца тем выше, чем более слабый раздражитель способен вызвать электрическую активность клетки. Возбудимость клетки подчиняется закону: всё или ничего. Это значит что подпороговые раздражители не вызывают активизации сердца, а пороговые вызывают максимальную по силе активизацию сердца. Причём дальнейшее увеличение силы раздражения не приводит к увеличению степени активизации.

Функция рефрактерности

Возбудимость сердечной клетки изменяется в отдельные периоды сердечного цикла. В течение абсолютного рефрактерного периода (АРП) сердце не может вторично сокращаться, независимо от силы входного импульса возбуждения.

В относительном рефрактерном периоде  (ОРП) сердце способно активизироваться при воздействии, более сильном, чем обычное.

На участке ОРП существует короткий период наибольшей уязвимости, когда при самом слабом раздражении возможно сокращение сердца. Иногда это может привести к опасным доля жизни нарушениям ритма сердца.

Нормальная ЭКГ:

Функция сократимости

Сократимость — способность сердечной мышцы сокращаться в ответ на возбуждение. Этой функцией в основном обладает сократительный миокард, который и осуществляет насосную функцию сердца.

Отображение электрических сигналов в сердце на ЭКГ

Колебания трансмембранного потенциала отражает динамику процессов реполяризации и деполяризации в различных участках сердечной мышцы. Однако  в электрокардиографии электроды располагают на поверхности тела на значительном расстоянии от клеток миокарда. Поэтому ЭКГ-запись разности потенциалов, которые возникают на поверхности тела при распространении волны возбуждения по сердце. На рис. 3  изображён фрагмент ЭКГ с принятыми обозначениями элементов сигнала и разностью электрических процессов в сердце Деполяризация предсердий регистрируется на ЭКГ В виде зубца Р, а деполяризация желудочков в виде комплекса QRS, который состоит из Q, R и S. В период полного охвата возбуждения желудочков разность потенциалов отсутствует и на ЭКГ регистрируется изолиния.

Процесс быстрой реполяризации желудочков соответствует зубцу Т. Нормально работающее сердце генерирует электрические импульсы, создающие электрическое поле, которое обладает модулем и направленностью.

Векторное представление электрических потенциалов сердца впервые было представлено датским физиком Эйнтховеном. Он предложил измерять разность потенциалов между руками и между каждой рукой и каждой ногой, т.е. вдоль из каждой сторон треугольника Эйнтховена.

В случае отведений I, II, III производится изучение вектора электрического поля сектора во фронтальной плоскости. В случае шести дополнительных отведений, которые называются грудинными, изучается изменение вектора электрического поля сердца в поперечной плоскости.

Центральная терминаль Вильсона:

Среднее значение потенциалов с отведений правая рука — левая рука — левая нога образуют ценральную терминаль Вильсона. Любому опытному терапевту для диагностики любой сердечной аномалии достаточно двенадцатиканальной записи ЭКГ, а именно: шести грудных, трёх усиленных униполярных (aVF, aVL, aVR) и трёх стандартных (I, II, III).

Виды регистрации измерительной информации

Регистрация — представление измерительной информации в форме видимых или скрытых изображений, которые размещаются на некоторых материальных носителях (бумага, фотоплёнка, тепловая бумага, магнитная лента, диски и т.д.).

Существуют различные виды регистрации:

1. с помощью чернил на диаграммной бумаге;

2. в осциллографах применяют запись на фотоплёнки и фотобумаги:

3. в магнитографах — магнитный способ регистрации на магнитной ленте.

Перспективными мерами, которые направлены на преодоление недостатков чернильной записи, является использование в самопишущих приборах подачи чернил под давлением, переход на запись с помощью красящих паст и применение перьев с волокнистыми наконечниками.

В светолучевых осциллографах получение видимой записи производится на специальной бумаге, которая не нуждается в проявлении. Здесь применяется специальная оптика и источники с ультра излучением. Основной недостаток этого способа заключается в высокой стоимости фотобумаги.

Известны и другие способы регистрации измерительной информации: электрофотографический, электрохимический, электротермический и другие. Но они нашли очень узкое применение.

Самопишущие приборы прямого действия

К ним относятся электромеханические измерительные приборы, которые имеют устройства для регистрации показаний в форме диаграммы. Запись производится преимущественно чернилами, и перо фиксирует изменение измеряемой информации в виде функции времени на движущейся диаграммной бумаге. Бумага выпускается в виде ленты или диска, а скорость движения бумаги устанавливается в зависимости от скорости измеряемых процессов.

Вывод уравнения движения самописца

Пусть самописец является подвижным твёрдым телом с одной степенью свободы, к которому приложена сумма моментов сил, относительно оси движения. В этом случае уравнение моментов сил будет иметь вид:

(1)

Пусть на подвижную часть прибора действует противодействующий момент в виде механической или электрической пружины, который выражается:

M_п=k_пα (2)

Тогда характеристическое уравнение данной системы будет иметь вид:

IP² + K_П=0 (3)

Если найти решение (3), то

(4)

(5)

Если представить решение данного уравнения (1), то оно будет иметь вид:

(6)

где    с₁, с₂ — постоянные интегрирования (из начальных условий).

(7)

где    ω₀ — частота собственных не демпфированных колебаний.

Т.к. в реальных условиях на движущуюся систему всегда действует ускорение (демпфирование), то уравнение движения описывается:

IP² + K_дP+K_П=0 (8)

В этом случае решение характеристического уравнения будет иметь комплексную сопряжённую форму:

(10)

где   — степень успокоения.

Предположим, что, тогда                   (12)

(13)

Подставляя (13) в (11), и упрощая его, получим формулу:

Т.к. на самописец действует возмущающий момент, то в исходном уравнении появляется правая часть:

(15)

(IP² + K_дP+K_П)α(Р)=М_в(Р) (16)

Чтобы привести к безразмерному виду, поделим всё уравнение (16) на К_п, тогда получим, что выражение для         функции будет иметь вид:

(17)

Анализ динамических характеристик

Если получить выражение для АЧХ и ФЧХ, то получим, что

(18)

(19)

Если проанализировать динамические характеристики данной системы: АЧХ и ФЧХ.

	М — показатель колебательности

Особенности конструкции и теории центрифуг

Центрифугирование — разделение грубо дисперсных систем, которые состоят из твёрдых и  жидких компонентов с разными плотностями под действием центробежных сил. Этот метод применяется в биологии, медицине и технике и очень часто заменяет процессы фильтрования, отстаивания и отжимания.

Ультрацентрифугирование — один из главных современных методов выделения и исследования белков, нуклеиновых кислот, вирусов и других биополимеров. В данном случае большая скорость вращения и оптимальный выбор размеров ротора центрифуги позволяет добиться оседания даже небольших молекул.

Данный метод даёт возможность получить изолированные клеточные структуры, такие как ядро, лизосома, рибосома и другие. Особенности этого метода в сочетании с электронно-микроскопическим изучением позволяют привязать те или иные биохимические процессы, которые совершаются в клетке, к определённым структурам и органоидам. В обычных центрифугах скорость вращения ротора от 1000 об/мин до 3000 об/мин.

В ультрацентрифугах скорость вращения от 20000 об/мин до 80000 об/мин. Центробежная сила может превышать в 400000 раз силу  тяжести Земли.

Особенности конструкции и принципа действия центрифуги

Центрифуга — прибор, который широко применяется в медицине для осаждения частиц, которые взвешены в моче или других жидких средах. Для отделения форменных элементов от плазмы крови.

Центрифуга имеет корпус 2, механизм привода 1, ротор 4, который закреплён на валу 3; на роторе имеется пробиркодержатели 5. С целью избежания травмирования лаборанта есть кожух.

Ротор с пробиркодержателями составляет основную часть центрифуги. Он устанавливается на вертикально расположенном валу электродвигателя. До начала работы пробирки стоят вертикально, а во время вращения ротора принимают горизонтальное положение, поэтому осадок ложится строго перпендикулярно оси пробирки. Имеют место угловые роторы.

В случае углового ротора пробирки занимают наклонное положение, а, следовательно, осадок ложится тоже под углом к оси пробирки.

Принцип действия основан на создании большой центробежной силы, под действием которой скорость разделения компонентов смеси, помещённой в центрифугу, увеличивается во много раз, по сравнению со скоростью осаждения частиц под действием силы тяжести. Частицы, различные по массе распределяются по слоям. При увеличении скорости вращения траектория движения частиц в пробирке происходит по спирали.

 

Физическое обоснование и расчёт фактора разделения

Дадим краткую характеристику жидких сред, разделения которых на компоненты происходит в центрифуге. Кровь — жидкая ткань, которая составляет внутреннюю среду организма. Она состоит из жидких частиц, которые называются плазмой. В плазме во взвешенном состоянии находятся форменные элементы (лейкоциты, эритроциты, тромбоциты). Ряд веществ распределён между собой и плазмой неравномерно. Удельный вес крови в среднем составляет 1,05. Эритроциты — красные кровяные тельца, которые имеют форму двояковогнутого диска диаметром 7,2 – 7,5 мкм, объёмом 88 мкм³, массой 95 мкг. Их количество у здоровых людей от 4 миллионов до 5,5 миллионов в 1 мм³. Лейкоциты — белые кровяные тельца, которые имеют округлую форму диаметром 10 – 15 мкм. Их количество у здоровых людей 6000 – 8000 в 1 мм³. Тромбоциты — кровяные пластинки округлой формы диаметром 1,5 – 2,2 мкм. Их количество у здоровых людей 200000 – 400000 в 1 мм³. Моча жидкий продукт, который вырабатывается почками и имеет сложный химический состав. Её удельный вес от 1,002 – 1,03. Наличие в моче форм элементов свидетельствует о патологических процессах, поэтому их обнаружение является важным.

Рассмотрим механизм центрифугирования на примере осаждения эритроцитов. Характерной особенностью этих форм элементов является отстаивание их на дне сосуда при сохранении крови в несвёрнутом состоянии. Кровь разделяется на два слоя: верхний прозрачный — плазма; нижний — осевшие эритроциты. Процесс реакции оседания эритроцитов (РОЭ) сложен и до конца ещё не выяснен. При этом на клетки действует сила тяжести мg, силы электростатического отталкивания F_эл, сила сопротивления средыF_c, архимедова сила F_А и другие. Норма РОЭ составляет 4 – 10 мм/час, т.е. за время 3600 с эритроциты проходят расстояния 4•(10^-3 – 10^-2) мм. Поставим задачу увеличения скорости оседания эритроцитов за время 180 – 600 с. Пусть длина пробирки 10 см. Считаем среднее расстояние, проходимое эритроцитами 5•10^-2 м.

Рассмотрим пробирку с кровью в обычном состоянии, т.е. в вертикальном положении. Согласно второму закону Ньютона сумма всех сил, действующих на частицу

Проведём ось y по направлению движения тела и спроецируем на ось силы ускорения с учётом знаков, получим:

mg-F_c1=ma₁ (2)

F_c1=m(g-a₁) (3)

Найдём ускорение а₁ и формулы для пути

(4)

(5)

Если S=7•10^-3м, а t=3600c, то, подставляя в (5), получим:

Если придать вращение центрифуге, то пробирка изменит своё положение на горизонтальное.

Второй закон Ньютона:

F_ц=ma_ц (8)

ma_ц- F_c2=ma₂

mg - F_c1=ma₁ (9)

ma_ц - F_c2=ma₂

Положим, что в некоторый момент времени t₀ ускорение а₁ и а₂ равны 0 (а₁ = а₂ = 0), то

F_c1= mg (10)

F_c2= ma_ц

Отношение центробежного ускорения к ускорению свободного падения принято называть фактором разделения. Это основной показатель работы центрифуги

(11)

Если подставить (11) в (10), то получим

F_c1= mg (12)

F_c2=mgf_r

Сила сопротивления F_c2= F_c1 f_r (13)

Если подставить (11) и (13) в (7), получим

ma₂=mgf_r -F_c1 f_r (14)

(15)

(16)

Если затем выражение (3) подставить в (16),

(17)

Если (17) Õ (14):

mgf_r - F_c1 f_r = ma₁ f_r (18)

Уравнение (18) описывает движение частиц при центрифугировании. Найдём а₂ для времени 180 с и 600 с, используя формулу (5).

Если сравнить а₁ и а₂, окажется что фактор разделения колеблется в диапазоне от 250 до 2800.

(19)

где r — радиус вращения.

ω=160 – 530 рад/c

n=1500 – 5000 об/мин

Если рассмотреть более точную математическую модель разделения частиц, то необходимо рассмотреть уравнение следующего вида:

X=BU+Cf′ — кинетическое уравнение                 (1)

где X — скорость протекания процесса;

x — фазовая координата;

U — движущая сила;

f′ — возмущающий фактор;

B,C — коэффициенты при управлении и возмущении соответственно.

Разновидностью обобщённого кинетического уравнения (1) является кинетическое уравнение, которое описывает процесс естественного осаждения (седиментации), а также  использование для описания искусственного процесса у.

Это уравнение называется уравнением Стокса:

U_x=X=K ∆ρ (2)

где  U_x — cкорость осаждения твёрдой фазы из дисперсно-жидкой среды при седиментации или центрифугировании, м/c;

X — толщина твердой фазы осадка;

∆ρ — эффективная плотность дисперсной смеси, кг/м³,

K — константа Стокса.

Таким образом, по закону Стокса скорость седиментации пропорциональна эффективной плотности смеси, причём

∆ρ= ρ₁ – ρ₂ (3)

где ρ₁ , ρ₂ — соответственно плотности твёрдой и жидкой фаз.

(4)

где d — эквивалентный диаметр частицы;

g — ускорение свободного падения, g=9,81 м/с²;

μ — коэффициент динамической вязкости жидкости, Па•с.

Константа Стокса характеризует скорость нарастания осадка при осаждении, которое приходится на единицу эффективной плотности дисперсной смеси. При выводе уравнения Стокс исходил из рассмотрения условия равновесия сил, которые действуют на шарообразную час - 1 -ицу, оседающую в жидкости с постоянной скоростью, и рассмотрел уравнение

G=R+P (5)

где   G — вес частицы в вакууме;

P — выталкивающая сила Архимеда;

R — cила гидродинамического сопротивления.

Считалось, что G=m₁g; P=m₂g (6)

Согласно Стоксу

R=3nμdV (7)

где m₁ — масса частицы;

m₂ — масса среды в объёме частицы;

V — объём частицы.

(6) - (7)     (5):  уравнение (2) и (3),(4)

Причём разность G – P характеризует кажущийся вес частицы в данной среде, а ∆ρ может трактоваться как кажущаяся плотность частицы в данной среде.

Соотношения (5) –(7), а также (2), (3) и (4) справедливы для установившегося процесса седиментации, который протекает в условиях квазеламинарного процесса обтекания средой поверхности шарообразной частицы.

Re<5.

На практике, в общем, случайный процесс седиментации протекает в  не установившемся режиме (не ламинарный режим)

Re>5.

В механике сыпучих сред и дисперсно-жидких смесей шаровая форма частиц принята за нормированную. Причём эквивалентный диаметр нормальной частицы находится из условия равенства объёмов шарообразной и не шарообразной частиц. В частности, если частица имеет форму трехосного эллипсоида, то её диаметр определяется как

d=2(a ·b ·c)^1/3 (8)

где   a,b,c — соответственно полуоси эллипсоида.

Для повышения эффективности и ускорения естественного процессов применяется центрифугирование. В этом случае вместо сил тяжести рассматриваются иск       силы центробежного характера Q_ц, а также кариолисовы силы Q_к. Формирование этих сил обеспечивается за счёт придания центрифуге угловой скорости и соответственно процесс центрифугирования делится на три части:

1) центрифугальная седиментация;

2) центрифугальная флотация;

3) центрифугальная фильтрация.

Next >