Фиг. 4. 5. 5. Електричен вектор (електрична ос) на сърцето и неговото определяне чрез ъгъла, който той сключва с хоризонталната ос

Електрографията на органи, чиято дейност не може да се контролира от съзнанието (сърце, бял дроб, мозък) се използва в криминологията за установяване на връзка между изследвания човек и определени обстоятелства (детектор на лъжата). В момента, когато на изпитвания човек му се задава въпрос или му се показва картина, разкриващи тези обстоятелства, електричната дейност на мозъка, сърцето и дишането се променят несъзнателно. Така, по промените в ЕКГ и ЕЕГ може да се установи участие или отсъствие на връзка с определено престъпление.

В клетките с големи размери (нерви, мускули) деполяризацията може да бъде локална. В даден момент определен учасък от нервната клетка се деполяризира, с което се генерира електричен импулс (нервен импулс). Впоследствие този нервен импулс се разпространява по ствола на клетката с определена скорост и достига до инервиран орган с което се управлява функцията на този орган. Връзката между даден нерв и неговия инервиран орган може да се изследва с т.н. електростимулация (активна електродиагностика). Тя се прилага по отношение на такъв орган (например скелетен мускул), чиято функция се управлява чрез нервни импулси генерирани в далечен нервен център, разположен в главния или гръбначния мозък. Управляващият нервен център се дразни с подходящ външен физичен стимул и се регистрира електричния отговор (евокирания потенциал) на инервирания орган.



Фиг. 4. 5. 6. Вид на различните видове вълни, описващи електричната дейност на мозъка.

В медицинската практика се използват два вида стимулация - чрез електрични и магнитни импулси. При електричната стимулация (Фиг. 4.5.7) се използват електрични стимулиращи сигнали с висока амплитуда (до 2000 v), но малка продължителност (10 ms) които се подават предимно чрез повърхностни контактни електроди. Стимулирането по този начин на определени центрове в главния или гръбначния мозък води до поява на нервен импулс, който достига по нерв до съответния мускул на крайниците и предизвиква неговата деполяризация (евокиран потенциал) и съкращение. Евокираният потенциал на съкратения мускул (т.н. моторен потенциал или М-отговор) се регистрира локално с други електроди (например иглени електроди). По аналогичен начин може да се дразни даден нерв в един негов участък и да се регистрира евокирания отговор в друг участък на известно разстояние L по дължината на нерва. Измервайки времето на закъснение t на евокирания отговор се определя скоростта на разпространение на нервния импулс v = L / t което е важна информация при редица заболявания.

Евокираните потенциали на мускулите на крайниците могат да се получат и чрез дразнене на съответните центрове в гръбначния мозък чрез импулсно магнитно поле. Това е т.н. транскрениална магнитна стимулация, при която стимулиращият магнитен импулс има продължителност около 50-100 s и се получава чрез електромагнит в който тече ток с напрежение около 200 v. След магнитната стимулация, в пирамидалната кора се генерира нервен импулс, който достига до дисталните отдели на ръката и крака за около 20 ms. Това е централното моторно проводно време. Параметрите на евокирания потенциал (М-отговора) в норма са: амплитуда около 1-5 mv и забавяне (латенция) от около 30 ms.

Окото има електричен потенциал със знак (+) отпред и знак (–) от вътрешната си страна, който се означава като биопотенциал на ретината. Когато зрителният рецептор се дразни с импулсна светлина, този потенциал се променя и може да се измери и запише, получава се зрителен евокиран потенциал. Формата на регистрирания евокиран потенциал има важна диагностична стойност при заболяванията на окото.

4.6. Елементи на биоелектронните устройства: електронни усилватели на биопотенциали, диференциални предусилватели, преобразователи. Генератори на дискретни електрични сигнали. Кардиостимулатори и дефибрилатори. Системи за запис и визуализация.

За да се измери биопотенциалът на даден орган, до тялото на пациента се допират два електрода - един отвеждащ (измервателен, активен) и втори сравнителен (пасивен, опорен, заземяващ). Най-често, тези електроди са плоски (повърхностни) и контактуват с кожата посредством слой от проводяща паста. По този начин се намалява контактното съпротивление между кожата и електродите и се намалява амплитудата на електричните шумове. При измерване на моторните потенциали се използват иглени електроди, които се вкарват в мускула. Електродите се изработват най-често от неръждаема стомана, сребро и др.

1. Биопотенциалите са електрични сигнали с много малка големина (от 10 V до няколко mV, в някои случаи десетки mv). По големина, те са сравними с електротехническите шумове, които представляват ненужни импулси, прехвърлени от захранващата мрежа. Това налага предварителното отделяне на сигналите от шума и тяхното усилване с електронни усилватели, за да се подобри отношението сигнал/шум.

2. Биопотенциалите са бавно изменящи се (нискочестотни) сигнали, каквито са и самите електротехнически шумове, и

3. Вътрешното съпротивление R_i на биообекта е много голямо, поради което само малка част от биопотенциалът на биообекта може да се отведе и измери (виж фиг. 4.6.3).

Тези трудности се преодоляват чрез използване на подходящи електронни усилватели на бионапрежения.

Електронният усилвател е устройство, което приема на своя вход електрични сигнали и ги предава на изхода си в същата форма (без изкривяване), но усилени по мощност и амплитуда (Фиг. 4.6.1). Входното и изходното напрежение на усилвателя са обикновено от аналогов, непрекъснат вид, т.е., те не са кодирани в цифров вид. Ако означим с U_вх напрежението на входния сигнал и с U_изх напрежението на усиления сигнал на изхода на усилвателя, то коефициентът на усилването по напрежение се дефинира така: К_о = U_изх /U_вх. По аналогичен начин се дефинира и усилването по ток и мощност. Усилвателят съдържа активни елементи (електронни лампи, полупроводникови транзистори и интегрални схеми), които са способни да усилят електричните сигнали за сметка на енергията на прав ток. Тази енергия се взема от акумулатори, батерии но най-често от т.н. изправители на променлив ток.


Фиг. 4. 6. 2. Прилагане на обратна връзка в електронните усилватели.

Усилватели, които запазват постоянен коефициента си на усилване К_о в широк честотен обхват се наричат широкоивични усилватели. В зависимост от честотната област, където те усилват, широкоивичните усилватели биват звукови усилватели (20 Hz – 30 kHz) и видео усилватели (20 Hz –5 MHz).

Усилватели, които могат да усилват само сигнали с определена честота като подтискат сигналите или шумовете с други честоти се означават като резонансни усилватели.

В медицинските електронни уреди много често се използват т.н. правотокови усилватели, които могат да усилват само сигнали с много ниска честота, включително и правотокови сигнали.

Съвременните електронни усилватели най-често се правят като миниатюрни интегрални схеми, които включват десетки транзистори, но имат размери от няколко милиметра.

Качествата и функциите на електронния усилвател могат да се подобрят, ако в него се приложи обратна връзка (Фиг. 4.6.2). При това част от усиленото изходно напрежение се връща обратно на входа и се събира (положителна обратна връзка - ПОВ) или изважда (отрицателна обратна връзка - ООВ) от входното напрежение. Нека  е тази част от изходното напрежение, което се връща обратно на входа на усилвателя. При отрицателната обратна връзка, усилването се понижава, но за сметка на това се разширява честотната област и се понижава изкривяването. Когато  = -1 (пълна отрицателна обратна връзка), тогава К_ов = К_о/(К_о+1) и усилвателят работи като повторител на напрежение - няма усилване по напрежение. Входното съпротивление на този усилвател обаче нараства К_о пъти: R_вх= R_вхо (1 + К_о), което е много полезно. В тези формули К_о е коефициентът на усилване по напрежение при отсъствие на обратна връзка. Чрез прилагане на отрицателна обратна връзка се създават усилватели с много високо входно съпротивление. Такива са усилвателите, с които се измерват биопотенциали и рН на разтвори със стъклен електрод.

На Фиг. 4.6.3 е показана принципната схема за усилване на биопотенциал с големина ε, генериран от биообект с вътрешно съпротивление R_i. R_вх е входното съпротивление на усилвателя. От закона на Ом, приложен за входната верига следва, че U_вх = J . R_вх = ε.R_вх / (R_i +R_вх) = ε /(1+ R_i / R_вх). Когато R_i / R_вх  _ тогава U_вх  0, което е крайно нежелателно, защото биопотенциалът няма да се усили. Желателно е R_i / R_{вх  0}, тогава U_{вх } ε и биопотенциалът ще се усили. В този случай се казва, че усилвателят се съгласува добре с биобекта. Усилвателите с високо R_вх (десетки G - Гига ома) съдържат дълбока отрицателна обратна връзка и се конструират трудно. В електрофизиологията се счита за оптимално, когато R_вх е 10 – 20 пъти по-голямо от R_i.

За да има усилвателят много високо R_вх, първото му стъпало се прави като повторител на напрежение. За да се подобри отношението сигнал/шум, като второ стъпало се използва т.н. диференциален усилвател на напрежение. Това стъпало е най-важната част на усилвателя, защото то усилва полезния сигнал (биопотенциала) и подтиска шумовите сигнали.

Диференциалният усилвател (Фиг. 4.6.4), има два симетрични входа, инвертиращ (В_х1) и неинвертиращ (В_х2). Сигнал, подаден на неинвертиращия вход не променя фазата си при излизане от усилвателя, докато сигнал, преминал през инвертиращия вход, променя фазата си на 180^о когато излезе на изхода. Ако на тези входове се подадат два противофазни сигнала, инвертиращият вход ще преобърне фазата на сигнала и на изхода ще се появят два усилени, синфазни сигнала - режим на усилване (Фиг. 4.6.4). Така става усилването на биопотенциалите на сърцето, мозъка и др. Ако на входовете се подадат два синфазни сигнала (такива са електротехническите шумове), на изхода те се отслабват взаимно (Фиг. 4.6.4). Така, диференциалният усилвател усилва полезния сигнал и отслабва шума. В миналото, за да се подтисне шума, пациентът е бил поставян в заземен фарадеев кафез, което сега е излишно.

Биоусилвателите съдържат в началото си повторител на напрежение и диференциален усилвател. На изхода си биоусилвателите съдържат краен усилвател по мощност, който усилва по мощност изчистения от шум полезен сигнал. Това дава възможност усилените биосигнали да се регистрират. В по-старите уреди биопотенциалите се регистрират с писец върху хартиена лента. Най-често се използва термичен запис, при който лентата е покрита с восъчен слой, а писецът се загрява над температурата на стопяване на восъка (около 70^оС). При допиране на писеца до хартията, восъкът се стопява и се отбелязва точка.



Фиг. 4. 6. 4. Електрическа схема на диференциален усилвател, изграден с транзистори (вляво). Избирателно усилване на противофазни сигнали (вдясно).
Биопотенциалите като функция на времето могат да се покажат на екрана на електроно-лъчева тръба, което осигурява максимално бързодействие и липса на изкривяване (фиг. 4. 6. 5).


Фиг. 4. 6. 5. Устройство на кинескоп (електроно-лъчева тръба).

Електроно-лъчевата тръба представлява вакуумиран стъклен съд с екран, покрит с луминофор от цинков сулфид. В съда е поместена електронна пушка (източник на фокусиран лъч от ускорени електрони). Лъчът попада върху екрана и предизвиква светене на луминофора. Х-пластините и У-пластините са два електрични кондензатора, които отклоняват лъча в хоризонтално и вертикално направление, съответно. На Х-пластините се подава нарастващо напрежение, което кара лъча (светещатата точка на екрана) да се движи хоризонтално с равномерна скорост. В същото време, на У-пластините се подава усиления биопотенциал, поради което светещата точка описва промяната на този сигнал с времето.

В някои случаи, на Х- и У-отклоняващите пластини се подават нарастващи напрежения, което кара лъча да описва всяка точка от екрана ред по ред. В същото време, управляващият сигнал мени интензивността на лъча, съответно яркостта на светещата точка с което на екрана се създава картина от по-светли и по-тъмни точки. Такива кинескопи се използват в компютърните томографи, в сканиращия електронен микроскоп и др.

Напоследък електроно-лъчевата тръба се заменя с екран от течен кристал. Мониторите с течен кристал са плоски, заемат много по-малко място и са много по-леки от тези с електронно-лъчева тръба.

Много често в съвременните електромедицински апарати биопотенциалите се регистрират в цифров вид. За целта те се преобразуват от аналогов (непрекъснат) вид в електрични импулси. Амплитудата на изходния аналогов биопотенциал се кодира в честота на крайните импулси. Това става чрез т.н. аналого-цифрови преобразователи (АЦП). След АЦП импулсите се подават към компютър за обработка, представяне на сигнала на екран и съхранение на информацията, която се съдържа в биопотенциалите.

В съвременните електрокардиографи и електроенцефалографи биопотенциалите се дискретизират и обработват с вграден компютър. В компютъра има инсталирана програма, която измерва временните интервали между зъбците и амплитудите на зъбците, след което докладва за наличието на отклонения спрямо нормата.