Biometrologia se poate defini ca suma cunostintelor referitoare la masurarile biologice, cuprinzand toate aspectele, atat teoretice cat si practice, ale masurarilor, oricare ar fi nivelul lor de precizie, marimea masurata, modalitatea si scopul efectuarii. Ca ramura particulara a metrologiei, obiectul biometrologiei include marimi si unitati de masura, etaloane, metode si mijloace de masurare, erori si incertitudine de masurare, conditii de masurare, caracteristici al mijloacelor de masurare, norme si standarde privind asigurarea metrologica.
Prin marime se intelege o proprietate a obiectelor, fenomenelor sau sistemelor care poate fi deosebita calitativ si determinata cantitativ. In mod obisnuit se opereaza cu marimi fizice care descriu proprietatile fizice ale fenomenelor sau sistemelor.
Stadiul actual al dezvoltarii tehnologice impune imbunatatirea nivelului de viata prin servicii de sanatate si control al mediului inconjurator, sisteme de informare si comunicatii mai eficiente in unitatile sanitare. Aparatele electronice formeaza astazi acea parte a infrastructurii actului medical, careia clinicianul ii deleaga in primul rand o "prelungire" spre pacient a simturilor sale sau anumite sensibilitati pentru care organismul uman este insuficient dezvoltat. In al doilea rand rolul aparaturii electronice medicale este de a prelucra semnalele primare pentru a obtine o afisare, o cuantificare sau o documentare convenabila. In fine este tot mai pregnanta aparitia unei noi generatii de aparate medicale "inteligente" avand implementati anumiti algoritmi de evaluare tintind spre sugestia de diagnostic.
Principalele domenii ale practicii medicale in care biometrologia joaca un rol notabil ar fi:
investigatia paraclinica;
monitorizarea de durata a functiilor fiziologice, intra- si post-operator (terapie intensiva);
protezarea temporara sau de durata pentru inima, rinichi, membre;
inregistrarea, prelucrarea statistica si matematica, arhivarea si regasirea datelor medicale si sanitare;
cercetarea biomedicala.
Utilizarea tehnicii de calcul in medicina asigura
avantaje certe pentru actul medical asigurat pacientilor: noi tehnici de
investigatie, imbunatatirea preciziei si
complexitatii investigatiilor si analizelor de laborator la
un pret mai scazut, un timp mai lung petrecut de medici cu
pacientii, o organizare mai buna a intregii activitati
medicale-fig.2.1
Fig. 2.1 - Captarea biosemnalelor, prelucrarea
si redarea acestora
Biosemnalele reprezinta suportul informatiei biologice. Acestea transmit date de la organismul viu si rezultatele pot fi utilizate pentru proceduri clinice sau experimentale. Dupa natura si sursa biosemnalelor acestea se pot clasifica in:
semnale bioelectrice
semnale de bioimpedanta
semnale biomecanice
semnale biochimice
semnale bioradiante
semnale biotermice
Semnalele bioelectrice sunt semnale caracteristice celulelor nervoase si musculare ce rezulta din proprietatile fundamentale celulare si anume, potentialul transmembranar si potentialul de actiune. Tehnicile neinvazive, folosind electrozi de suprafata, sunt des utilizate pentru culegerea activitatii bioelectrice a celor mai importante surse (inima, muschi, creer) bazandu-se tocmai pe propagare prin tesuturi a curentilor determinati de potentialul de actiune.
Semnalele de bioimpedanta sunt un tip aparte de semnale bioelectrice care pot fi apreciate cand impedanta tesutului este masurata prin injectarea unui curent cu amplitudine redusa dar de frecventa inalta generat de o sursa speciala de curent alternativ.
Semnalele biomecanice sunt semnale generate in timpul functiilor sau proceselor mecanice incluzand forta, presiunea, deplasarea, debitul, vibratiile, etc.
Semnalele biochimice sunt generate de procesele chimice din interiorul tesuturilor si organelor.
Semnalele bioradiante sunt semnalele ce se obtin prin folosirea proceselor optice fundamentale (transmisia luminii, refelxia sau absorbtia).
Semnalele biotermice sunt captate cu ajutorul senzorilor de temperatura si dau informatii despre temperatura in diverse puncte ale organismului si variatia aceteia.
La efectuarea masuratorii unei marimi operatorul dispune de mai multe metode, el trebuind sa aleaga acea solutie care ofera un compromis optim (raportat la importanta masurarii respective) intre precizie, viteza de lucru si pretul de cost.
Se poate face urmatoarea clasificare a metodelor de masura:
a) Metode directe
b) Metode indirecte
Metode de comparatie
Metode de maxim
Metode de zero
Metoda diferentiala
Metoda substitutiei
a) Metode directe In acest caz valoarea marimii de masurat (X) se citeste direct pe scara (sau afisajul) aparatului de masura ceea ce permite o viteza de lucru sporita, la care trebuie adaugat si costul scazut. Aceste masuratori sunt larg raspandite in practica.
Principalele erori care apar, excluzand eroarea proprie aparatului de masura, sunt: eroarea de zero, eroarea de cap de scala si eroarea datorita consumului de la obiectul de masurat (efect de sarcina).
Neajunsul acestor metode este ca precizia de masurare este relativ redusa mai ales in cazul folosirii aparatelor de masura analogice (tipic 1-5%).
b) Metode indirecte In cazul acestor metode masuratoarea se face prin intermediul unei alte marimi de care este dependenta marimea ce dorim sa o masuram. Aceasta metoda este de obicei folosita atunci cand masuratoarea directa este dificil de realizat sau implica riscuri majore.
De exemplu, este cunoscut faptul ca temperatura in interiorul unui cuptor de topit metal este dependenta de temperatura intr-un anume punct de pe peretele sau cu un anumit factor de proportionalitate. Acest principiu este folosit pentru a usura munca tehnicienilor de service la unii producatori de microcomputere. Unul dintre primele sisteme computerizate de monitorizare a pacientilor din unitatile de terapie intensiva care prelua semnalul ECG analog si presiunea arteriala avea in partea superioara a carcasei un orificiu in care se putea introduce un termometru obisnuit si daca temperatura in acel punct era mai mica decat 39 C atunci temperatura pe placa de circuit electronic era in limitele stabilite. Aceasta metoda de determinare a temperaturii pe placa de circuit era folosita din doua motive: 1- punctul de masura era usor accesibil fara a necesita demontarea nici unui subansamblu si 2 - putea fi folosit orice termometru de uz medical (30 C - 42 C) usor de utilizat oriunde ar fi fost instalat aparatul.
Insa cel mai comun exemplu de masuratoare indirecta este masurarea presiunii sanguine. Aceasta se realizeaza prin determinarea presiunii intr-o manseta gonflabila plasata de obicei pe antebrat (sfigmomanometrie), presiune ce este corelata cu doua evenimente sonore detectabile, corespunzatoare presiunii sistolice (Ps) si celei diastolice (Pd). (vezi fig.2.2)
Fig. 2.2.- Principiul de masurare indirecta a presiunii sanguine prin zgomote Korotkov:
a - variatia liniara a presiunii in manseta (1) si curba de variatie a presiunii sanguine (2); K - zgomote Korotkov produse la fiecare puls de sange: Ks - zgomot slab; Kc - clar; Ka - ascutit; Kss - surd si slab
b - metoda ascultatorie a zgomotelor Korotkov; 3 - manseta; 4 - pompa (para de cauciuc); 5 - manometru; 6 - stetoscop
Metode de comparatie Caracteristic acestor metode este faptul ca la masurare participa si etaloane. Marimea X se compara direct sau indirect cu un etalon, ceea ce permite sa se obtina o precizie mai buna decat la metodele de deviatie (metodele directe), insa sunt mai costisitoare sI au viteza de lucru mai redusa. Asa cum s-a mai amintit metodele de comparatie pot fi metode de zero de maxim si diferentiale.
Caracteristici generale ale mijloacelor de captare
O schema tipica de masuratoare electrofiziologica este prezentata in fig.1, in care sursa de semnal bioelectric este cuplata direct la electrozii de culegere. Biopotentialul preluat de electrozi este apoi amplificat in conditii de adaptare optima la caracteristicile sursei de semnal si ale electrozilor. Dupa amplificare sau odata cu aceasta, se prelucreaza semnalul cules de electrozi, pentru a obtine informatii maxime asupra sursei bioelectrice si apoi urmeaza redarea biopotentialelor rezultate din prelucrare, reglare, in general, prin evolutia in timp a fenomenelor electrofiziologice-fig.2.3.
Procesele ce au loc in tesuturile vii sunt procese chimice la care participa un electrolit. Culegerea diferentelor de potential generate de activitatile din celule si tesuturi se realizeaza cu electrozi. Electrodul reprezinta un conductor electric impreuna cu electrolitul cu care este pus in contact.
Doi electrozi de culegere a biopotentialelor sunt in contact electric prin electrolitul interpus intre ei. Cand cei doi electrozi sunt uniti in exteriorul electrolitului cu un conductor electric, prin acesta circula un curent electric, adica circula electroni de la electrodul negativ la electrodul pozitiv. La suprafata de contact dintre fiecare din cei doi electrozi si electrolitul din jurul sau, cu care impreuna formeaza un electrod, se stabileste o diferenta de potential, numita potential de electrod. Forta electromotoare a sistemului doi electrozi electrolit este egala cu diferenta algebrica a potentialelor celor doi electrozi.
Conductia electrica in electrolit (tesuturi) este realizata de ioni; conductia electrica in electrozi metalici este efectuata de electroni. La interfata electrod - electrolit au loc fenomene care transforma conductia ionica in conductie electronica si invers.
La orice suprafata de contact electrod electrolit exista tendinta de difuzie a electronilor din metal spre electrolit si de difuzie a ionilor din electrolit spre metal, in sensul stabilirii echilibrului chimic.
La interfata electrod - electrolit au loc reactii de oxido-reducere. Reactia de oxidare este definita ca o pierdere de electroni iar reactia de reducere ca un castig de electroni. Deci, se pot oxida metale (electrozii metalici, anioni sau molecule neutre din electrolit) si se pot reduce nemetale, cationi sau molecule neutre. Orice oxidare este insotita de o reducere; cand un reactant se oxideaza, o cantitate echivalenta din alt reactant se reduce. reactantul care se oxideaza este un agent reducator, iar cel care se reduce este un agent oxidant. Reactia de oxido-reducere consta intr-un transfer de electroni de la agentul reducator la agentul oxidant.
Din cauza reactiilor de oxido-reducere, la interfata electrod tesut ia nastere un strat dublu electric de sarcini, care are o distributie, intr-un spatiu de dimensiuni atomice, in functie de activitatea electrolitului si usurinta cu care metalul electrodului transfera electroni spre electrolit.
Electrozii reversibili sau nepolarizabili sunt electrozii la care, aplicand o tensiune exterioara care compenseaza forta electromotoare rezultata din potentialele electro-chimice ale electrozilor nu are loc nici o reactie chimica. Cu alte cuvinte se numeste electrod nepolarizabil electrodul la care la interfata cu electrolitul apare atat o pierdere de electroni (reactie de oxidare) cat si o acceptare de electroni (reactia de reducere).
Electrozii ireversibili sau polarizabili sunt electrozii la care la interfata cu electrolitul au loc reactii ireversibile, desi global, la sistemul electrod - electrolit - electrod, reactia de oxidare are loc in aceeasi masura cu reactia de reducere.
In primul moment, cand cei doi electrozi sunt conectati in electrolit pentru masurare, forta electromotoare este egala cu suma algebrica a potentialelor celor doi electrozi, activitatea electrolitului si temperatura. Aceasta forta electromotoare scade in timp la electrozii ireversibili, deoarece electrozii metalici impreuna cu electrolitul si produsii de reactie din vecinatatea unui electrod genereaza o forta electromotoare opusa celei initiale, micsorand-o pe aceasta sau chiar anihiland-o.
Impedanta electrozilor
Impedanta pe care o prezinta un electrod in circuitul de masurare a fenomenului bioelectric depinde de natura stratului dublu electric format la interfata cu tesutul, de aceea este numita impedanta de polarizare.
In circuitul de culegere si masurare a biopotentialelor prin impedanta celor doi electrozi, impedanta tesutului si impedanta de intrare in amplificator, va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din tesut. Deoarece impedanta de intrare in preamplificator este mare, curentul prin circuitul de masurare este mic, iar caderea de tensiune pe impedanta electrozilor este de obicei neglijabila. Totusi, trebuie tinut seama de impedantele care intervin pentru a alege corespunzator caracteristicile amplificatorului privind amplitudinea si frecventa semnalului.
O interfata electrod - tesut se echivaleaza cu o sursa de tensiune (potential de electrod) si un condensator, datorita stratului dublu electric. Distanta dintre sarcinile electrice de semne opuse la aceasta interfata este de dimensiuni moleculare, astfel incat capacitatea pe unitatea de suprafata a electrodului este intr-adevar mare (~ 10mF/cm2). Cu toate acestea, este bine cunoscut ca se poate trece un curent prin jonctiunea electrod tesut, deci orice model pentru o astfel de interfata trebuie sa includa si o rezistenta, Rf, in paralel cu condensatorul.
Avand componente capacitive impedanta unei perechi de electrozi plasati pe suprafata unui tesut va fi dependenta de frecventa semnalului bioelectric si anume va scadea cu cresterea frecventei.
Intre electrodul metalic si piele, pentru a stabiliza potentialul de electrod, mai ales la miscarile pacientului, se introduce fie o hartie de filtru, fie tifon, imbibate cu un electrolit (de obicei solutie salina), fie o pasta electroconductiva, care este realizata special pentru aceste scopuri si livrata odata cu aparatele de masurari electrofiziologice de catre constructori.
Pastele electroconductive contin solutie de clorura de sodiu sau potasiu, glicerina, apa, piatra ponce; unele au si sapun sau praf de cuart. S-a constatat ca introducerea unui abraziv reduce mult impedanta interfetei electrod - tesut. De asemenea, rezistenta interfetei pasta electroconductiva - piele scade mult iar impedanta este stabila, daca pielea, inainte de aplicarea pastei, este degresata cu alcool si usor curatata cu glaspapir foarte fin.
Trebuie avut in vedere la utilizarea pastelor electroconductive ca unele componente pot produce alergii locale pe pielea unde au fost aplicate, sau in anumite masurari (in special in masurari dermale), pot excita celulele.
Pentru diverse aplicatii electrofiziologice se utilizeaza electrozi de dimensiuni si forme diferite.
Intre electrodul metalic si piele, pentru a stabiliza potentialul de electrod, mai ales la miscarile pacientului, se introduce fie o hartie de filtru, fie tifon, imbibate cu un electrolit (de obicei solutie salina), fie o pasta electroconductiva, care este realizata special pentru aceste scopuri si livrata odata cu aparatele de masurari electrofiziologice de catre constructori.
Pastele electroconductive contin solutie de clorura de sodiu sau potasiu, glicerina, apa, piatra ponce; unele au si sapun sau praf de cuart. S-a constatat ca introducerea unui abraziv reduce mult impedanta interfetei electrod - tesut. De asemenea, rezistenta interfetei pasta electroconductiva - piele scade mult iar impedanta este stabila, daca pielea, inainte de aplicarea pastei, este degresata cu alcool si usor curatata cu glaspapir foarte fin.
Trebuie avut in vedere la utilizarea pastelor electroconductive ca unele componente pot produce alergii locale pe pielea unde au fost aplicate, sau in anumite masurari (in special in masurari dermale), pot excita celulele.
Electrozi de suprafata mare: a - dreptunghiulari; b - circulari;
c - cu suctiune; d - cu banda adeziva
Pentru diverse aplicatii electrofiziologice se
utilizeaza electrozi de dimensiuni si forme diferite (fig.2.4).
In electrocardiografie se folosesc electrozi rectangulari (35 X 50 mm), circulari (F 47,5 mm), cu suctiune (pentru culegerile de pe pielea toracelui, numiti electrozi precordiali).
Cu paste electroconductive, valorile tipice ale rezistentei R1 sau R2 sunt 110KW; impedanta echivalenta a interfetei electrod - tesut la frecvente, in banda semnalului electrocardiografic este practic constanta si egala cu rezistenta mentionata.
In masurarile electrocardiografice se mai utilizeaza electrozi cu banda adeziva, care sunt confectionati dintr-o plasa metalica pe o banda adeziva, plasa imbibata cu pasta electroconductiva. Banda adeziva fixeaza electrodul pe piele si in acelasi timp face ca evaporarea solventilor din compozitia pastei sa fie mai lenta.
In ultimii ani se folosesc din ce in ce mai mult electrozi cu jonctiune lichida-fig.2.5, care se utilizeaza de cele mai multe ori o singura data si sunt confectionati din argint stabilizat electric si mecanic, intr-o pasta conductiva ce umple o cavitate. Fiind un contact stabil intre electrodul propriu zis si electrolitul din scobitura portelectrodului, acesti electrozi permit culegeri ale biopotentialelor in timp ce pacientul desfasoara activitati normale sau chiar eforturi fizice.
Plecand de la aceasta situatie s-au realizat electrozi cu masa cat mai mica, care sa nu deranjeze prea mult miscarile pacientului, mai ales in cazul unor acceleratii si amplitudini mari. Sunt electrozi de cateva grame greutate, realizati prin depuneri metalice pe benzi din poliester (Mylar); in partea centrala a electrodului se pune o pasta conductiva, iar partile marginale au adeziv de fixare pe piele.
In sistemele de colectare si prelucrare a datelor privind activitatea unor muschi, se utilizeaza matrice de electrozi. Diametrul unui electrod este de 2 mm, distanta intre electrozi pe toate directiile fiind 5 mm.
Fig.2.5 - Electrozi cu jonctiune lichida pentru culegeri de
surafata de durata in timpul exercitiilor fizice: 1 -
electrod metalic; 2 - pasta electroconductiva; 3 - portelectrod din
material plastic; 4 - conductor; 5 - suport adeziv
Matricea este realizata pe suport din material plastic flexibil de 5 mm grosime, electrozii fiind din Ag/AgCl-fig.2.6.
Fig.2.6. - Matrice de electrozi de suprafata: 1 - electrod Ag; 2 - pasta electroconductiva; 3 - adeziv; 4 - material plastic flexibil; 5 - orificiu de aerisire; 6 - conductor
In timpul operatiilor pe creier activitatea electrica se urmareste culegand potentiale direct de pe cortex cu electrozi sferici din argint (F = 1 mm), numiti sonde Nelaton. Impedanta unei perechi de electrozi aflati pe scoarta cerebrala la o distanta de cativa centimetri este de zeci de kW
Pentru masurari directe pe tesuturi in curent continuu s-au construit electrozi nepolarizabili, la care diferenta de potentiale de electrod la o pereche de electrozi aplicati pe tesut este in jur de 510mV. Un astfel de electrod nepolarizabil este realizat dintr-o pipeta (fig.2.7.). In capatul ingustat al pipetei se afla un tampon din bumbac, cu care se face culegerea de pe tesut; in partea opusa, prin dopul pipetei si in contact cu electrolitul din pipeta care umezeste firul de bumbac, este trecut electrodul (firul) din argint-clorura de argint. rezistenta in curent continuu a unei perechi de "electrozi" din bumbac este de cativa zeci de kW
Fig.2.7. - Electrod cu tampon din bumbac: 1 - fir de bumbac;
2 - electrolit; 3 - pipeta; 4 - electrod din Ag
Se mai utilizeaza electrozi tip ac de siringa mono- si bipolari si electrozi din fire subtiri (cativa zeci de microni) din cupru argintat sau argint, izolati cu material plastic-fig.2.8. Acestia sunt introdusi in locuri specifice in vederea supravegherii activitatii musculare in timp de cateva ore. Firul sau perechea de fire sunt introduse in muschi cu ajutorul unui ac de seringa si dupa fixarea lor acul de seringa este indepartat. La terminarea masurarii, o tragere usoara a conductorului metalic il va indoi in unghi drept si apoi va elibera tesutul. De multe ori se folosesc pentru culegere de biopotentiale manunchiuri de fire conductoare din otel inoxidabil (F mm).
Fig.2.8: Electrozi ac: a - electrozi ac de seringa; b - electrozi care se introduc cu acul de seringa in muschi
Electrozi pentru masurari celulare (microelectrozi)
Un microelectrod trebuie sa fie de dimensiunile celulei in care se introduce fara sa o distruga. Se folosesc, in general, microelectrozi metalici si micropipete din sticla umplute cu un electrolit.
Microelectrozii metalici se realizeaza din fire metalice subtiri, ascutite electrochimic la capatul care se introduce in celula, pana la diametre de 0,110mm. Se folosesc microelectrozi din otel inoxidabil, platina, argint, aur, tungsten.-fig.2.9.Acoperirea cu un material izolant a partii inactive si controlul precis al varfului ascutit se face la microscop. Acoperirile izolatoare sunt materiale plastice sau sticla si se intind pana la portiunea introdusa in celula. Micsorarea impedantei se obtine prin marirea electrochimica a suprafetei si prin introducerea in developator fotografic.
a) microelectrod cu strat subtire metalic:
1 - suport de sticla sau carbura de tungsten; 2 - strat subtire de metal; 3 - izolatie din rasina; 4 - conector aurit
b) microelectrod integrat:
1 - substrat din siliciu; 2 - bioxid de siliciu; 3 - electrozi din aur acoperiti cu un strat de bioxid de siliciu; 4 - suprafata activa de culegere
Microelectrozii metalici au o rezistenta mai mica decat cea a microelectrozilor de sticla, totusi sunt mai putin utilizati, deoarece polarizeaza la curenti de intrare in amplificator mici si rezistenta lor poate creste. De asemenea pot aparea si potentiale de electrod instabile. Nu pot fi folositi la masurarea de potentiale stationare fara precautii deosebite.
Microelectrozii din sticla se realizeaza din tuburi capilare din sticla speciala incalzite prin inductie si trase pana la dimensiuni ce permit inca existenta orificiului. Marginile taioase sunt apoi indepartate cu hartie abraziva foarte fina. Umplerea cu electrolit a micorpipetei se face cupland un dispozitiv din cauciuc ce sustine mai multe pipete la o pompa de vid; partea inferioara a pipetelor este introdusa intr-o cuva cu electrolit care, prin absorbtie, patrunde dinspre partea ingusta spre partea mai larga a micropipetelor. Uzual, electrolitul este de 2M3M KCl. Deoarece o concentratie prea mica, apropiata de cea a lichidului intracelular, ar fi compatibila cu citoplasma, dar ar duce la rezistente foarte mari (rezistivitatea electrolitului mare), se face un compromis pentru a avea rezistente limitate ale microelectrodului. Electrodul este un fir metalic subtire imersat in electrolit. Se folosesc de obicei electrozi din Ag/AgCl, otel inoxidabil, tungsten.
Mijloace de captare a biosemnalelor - traductoare
Pentru prelevarea unor biosemnale de natura neelectrica se folosesc traductori de masura, care transforma aceste biosemnale in semnale elctrice.
Tabelul 1 sintetizeaza marimile neelectrice ce pot fi transformate in semnale electrice si modalitatile corespunzatoare recomandate.
Tabelul 1
|
Modalitate de trans- formare Marimea de evaluat |
Rezistiv |
Capacitiv |
Inductiv |
Fotoelectric |
Piezoelectric |
Piezorezistiv |
Termistor |
Termocuplu |
Termorezistenta |
Dispozitiv activ |
Electromagnetic |
|
Deplasare Presiune Lucru mecanic Forta Temperatura Debit |
x x x x |
x x x x |
x x x |
x x x x |
x |
X x |
X X x x x |
x |
x |
x x |
X x |
Traductoare pentru fonocardiografie
In vederea captarii diverselor zgomote cardiovasculare (valvulare, sufluri, Korotkoff, etc.) se folosesc traductori de tip microfon care transforma energia sonora in energie electrica. Caracteristicile principale ale unor asemenea traductori-microfon sunt: sensibilitatea si caracteristica de frecventa, adaptate specificului zgomotelor de captat. Sensibilitatea (eficacitatea exprimata in unitati de tensiune pe unitati de presiune) este cuprinsa intre 0,1 μV/μbar si 1,5 μV/μbar. Caracteristica de frecventa, care este reprezentarea continua a sensibilitatii in functie de frecventa in coordonate carteziene, este plata intre limitele (maximale) 15 - 10 000 Hz care definesc banda - fig. 2.10
a) Microfoane piezoelectrice. Presiunea sonora care actioneaza asupra unui element piezoelectric provoaca in acesta deformatii mecanice sub actiunea carora apare o tensiune electromotoare proportionala cu presiunea sonora pe element. Aceste microfoane au
b) caracteristica de frecventa buna si sensibilitate mare, dar in schimb pot fi influentate de temperatura, umiditate, sunt instabile in functionare, iar suprasolicitarile mecanice pot duce la distrugerea cristalului.
Microfoanele piezoelectrice pentru inregistrarile de repaus clinostatic sunt de dimensiuni mari (ex. RFT-HM 612 - fig.2.10 cu element traductor cristal Seignette) avand banda de frecventa 15 - 100 Hz si sensibilitatea intre 0,7 μV/μbar si 1,5 μV/μbar. Prin intermediul unui buton palpator sunt aplicate in diferite focare de auscultatie.
Microfoanele piezoelectrice folosite in special pentru inregistrarile in efort, miscare sau pozitie ortostatica sunt de dimensiuni mici (ex. RFT - HM 692 - fig. 2.11 - cu element traductor de tip ceramic cu zitconar de Pb sau titan) avand banda de frecventa 20-1000 Hz si sensibilitatea de minimum 0,05 μV/μbar. Aceste microfoane pot fi folosite si la inregistrarea zgomotelor Korotkoff in metodele neinvazive de masurare a presiunii arteriale.
In cazul inregistrarii fonocardiografice prin cateterism, se folosesc sonde microfonice piezoelectrice miniaturale (ex. RFT.MM 101, cu traductor ceramic), care sunt conectate la un preamplificator de microfon. Aceste sonde microfonice au banda frecventelor de lucru de 15 - 10 000 Hz, iar sensibilitatea 0,1μV/μbar.
b) Microfoane condensator. Sub actiunea presiunii sonore diafragma microfonului vibreaza. Aceasta diafragma constituie una din armaturile unui condensator si anume armatura mobila. Vibratiile diafragmei provoaca variatii ale capacitatii condensatorului transformate apoi intr-o tensiune electromotoare alternativa proportionala cu variatiile sonore. Acest microfon prezinta o caracteristica de frecventa uniforma in toata banda si are un zgomot propiu foarte redus ; in schimb are o sensibilitate mica si este puternic influentata de zgomote exterioare. Deoarece au o capacitate proprie foarte mica, microfoanele condensator nu pot fi conectate prin cablu la amplificator si prin urmare ele contin pe langa capsula microfonica si primul etaj de amplificare. Sunt utilizate in perceperea zgomotelor Korotkoff in metodele neinvazive de masurare a presiunilor sanguine.
Traductoare pentru mecanograme
Conform conceptului de mecanografie ca expresie a variatiilor de deplasare de la nivelul unor biostructuri efectoare, traductoarele adecvate pentru evidentierea acestora sunt de tip rezistiv, fotoelectic, piezorezistiv, piezoelectric etc.
Traductoare pentru mecanocardiograme (pulsuri)
Pentru
inregistrarea pulsului arterial se utilizeaza traductoare aplicate pe
regiunea de maxima activitate pulsatila. Traductorul de forma
si dimensiune adecvata functioneaza pe principiul
piezoelectric folosind cristale Seignette (ex. Traductorul RFT - AP 202 - fig.2.12), lucrand in gama de frecventa de 0,1 - 200 Hz
si avand factorul de transmisie de 0,3 - 2,5 mV/μm.
Fig. 2. 12. - Traductorul de puls arterial RFT-AP 202:
a.traductorul; ; b.dispozitive anexe
Traductorul de puls care utilizeaza sistemul fotoelectric prin reflexie este prezentat in fig. 2.13 si ofera informatii referitoare la variatia volumetrica datorata pulsatiei sangelui. Variatiile volumetrice sanguine sunt traduse prin variatii de transiluminare la nivelul fotorezistentei RF (fig. 2.14.), care sunt transformate in variatii de tensiune amplificate si inregistrate corespunzator. Pe langa sistemul fotoelectric prin reflexie se foloseste in mod similar sistemul fotoelectric prin transmisie (fig. 2.15).
Fig. 2.13.Traductor foto- Fig. 2.14. Principiul de func- Fig. 2.15. Traductor foto-
electric prin reflexie: tionare al traductorului electric prin transmisie
L - sursa luminoasa: fotoelectric
F - fotoreceptor.
In cazul traductoarelor piezoelectrice de puls venos, modul de functionare, elementul traductor si frecventa de lucru sunt similare cu cele de la traductorul de puls arteriale, cu deosebirea ca factorul de transmisie este minimum 20 μV/μm, adica este mai sensibil (ex. traductorul RFT - VP102 - fig. 2.16).
Folosind elemente de racord adecvat diferitelor traductoare se pot face inregistrari ale pulsului radial, apexogramei etc.
Traductoare pentru pneumografie
Traductoarele utilizate pentru detectarea miscarilor respiratorii folosesc fie Hg, fie CuSO4, sau o pasta electrolitica intr-un furtun elastic care incinge toracele.
Ca traductor piezorezistiv se foloseste marca tensometrica (fig. 8), care contine un fir rezistiv montat rigid de o lamela. La tensionari ale lamelei se modifica valoarea rezistentei firului.
Traductoarele piezorezistive sunt montate intr-o punte Wheatstone echilibrata si compensata termic (printr-o rezistenta adiacenta traductorului) -2.17.
Pentru inregistrari pneumografice se mai pot folosi traductoare de tip inductiv, capacitiv, termic (la unitati de monitorizare).
Fig. 2.17. Traductor piezorezistiv (marca tensometrica):
a - cu fir distantat de lamela ; b - cu fir cimentat pe lamela
Traductoare pentru miografie
Pentru inregistrari miografice, fie pe muschiul neted, fie pe muschiul striat, se folosesc traductoare de tip rezistiv, capacitativ, inductiv, piezorezistiv (marca tensometrica ) sau fotoelectric montati in circuit punte (fig. 2.18). Modificarile de deplasare (contractie izotonica) sau de tensiune
(contractie izometrica) sesizate de elementul traductor determina stricarea echilibrului initial al puntii si aparitia unei tensiuni electrice care este apoi amplificata in circuite corespunzatoare.
Traductoare pentru masurarea directa a presiunii
Indiferent de modul de conversie a variatiilor de presiune (statice sau dinamice) in semnale electrice, traductoarele de acest tip contin o camera de compresie conectata cu compartimentul de presiune asupra caruia se efectueaza masurarea, o membrana elastica solidara cu elementul traductor si dispozitivul traductor propriu-zis. Dispozitivul traductor propriu-zis este inclus intr-un circuit punte care livreaza o marime electrica proportionala cu variatiile de presiune (fig. 2.19.).
Rx
Rh
R DR R DR
Uo
R-DR
R+DR
DU Uo
D
Unele traductoare de presiune transforma variatiile de deplasare, proportionale cu presiunea, in variatii ale unui parametru electric (rezistenta, capacitate, inductanta) iar altele transforma variatiile de presiune intr-un semnal electric (traductoare piezoelectrice). Combinarea intr-un singur traductor a acerstor doua sisteme duce la traductoarele mixte.
In domeniul de presiuni 10 300 mm Hg (1,333 39,99 kPa) se utilizeaza ca traductor tranzistorul sensibil la presiune (pitran). Acesta este un tranzistor cu siliciu NPN, cu jonctiunea emitor-baza cuplata mecanic cu membrana sensibila la presiunea de masurat.
La alegera unui traductor (rezistiv, inductiv, capacitiv, piezorezistiv, piezoelectric, mixt) trebuie sa se tina seama de domeniul variatiilor presionale din compartimentele de masurat (arterial: 40 pana la 400mm Hg, veons : 8 pana la 80mm Hg, cavitan: 100 pana la 760mm Hg) si in consecinta de sensibilitate (min. 2 mV/mm Hg), de caracteristica de frecventa (optim 0 40 Hz) si de volum deplasat (103 mm3/100 mm Hg 1mm3/100 mm Hg). Astfel pentru masurarea presiunii arteriale se foloseste traductorul W 102 RFT (gama de masura : 40 pana la + 400 mm Hg, deplasarea voltmetrica max. 0,3mm3/100 mm Hg), iar pentru masurarea presiunii venoase traductorul W 101 RFT (gama de masura : 8 pana la 80mm Hg deplasarea voltmetrica 0,01 mm3/ 100 mm Hg) (fig. 2.20).
Fig.2.20. Traductor de presiune RFT- W101 (W102):
1-robinet cu 3 cai; 2-ventil; 3- flansa traductorului
Aceste traductoare sunt de tip extensiometric cu fir de otel si semiconductor. O alta cerinta impusa traductoarelor de masura directa a presiunii este ca partile metalice ce intra in contact cu pacientul, direct sau prin coloana de lichid (cateter), sa fie bine izolate electric pentru a limita curentul de scurgereprin pacient la mai putin de 50mA (cel putin 5MW la 220V 50 Hz). Datele fiind caracteristicile prezentate se impune o aleger corespunzatoare a circuitului de amplificare pentru a se asigura o redare fidela variatiilor de presiune.
Traductoare pentru oscilografie
In cazul tehnicii oscilografice clasice decelarea oscilatiilor presionale puls-volumetrice, mult reduse ca amplitudine in raport cu nivelul de presiune din intervalul sistolodiastolic, este realizata cu ajutorlu manometrelor diferentiale de tip Pachon cu transmisie pneumomecanica.
Date fiind limitele sistemului mecanic de transmiter a oscilatiilor de la capsula aneroida la acul indicator al oscilometrului, se poate inlociu sistemul de transmisie mecanic printr-un traductor piezoelectric sau piezorezistiv. Variatiile de semnal electric sunt preluate prin circiute de amplificare si sistemul de afisaj cunoscute (vezi tensiooscilografia).
Traductoare pentru pletismiografie
a)
Fig. 2.21. - Punte traductoare pentru reopletismografie
Tip punte. Variatiile periodice sistolo-diastolice ale irigatie
sanguine dintr-un anumit teritoriu (segment de membru ) sunt evidentiate
prin variatii ale impedantei acestuia in cazul cand segmentul este
intercalat intr-un circuit electric tip
punte de impedanta, alimentat in curent alternativde inalta
frecventa (20 50 kHz). In acest caz puntea de impedanta impreuna cu
oscilatorul de inalta frecventa joaca rol de traductor
(fig.2.21) pentru transformarea variatiilor de irigatie materializate
prin variatii de impedanta in variatii de tensiune care
sunt preluate de un amplificator. Intercalarea segmentului testat in puntea de
impedanta traductoare se face cu 2 electrozi prin care se face
concomitent atat injectia curentului de inalta frecventa
cat si captarea variatiilor de impedanta;
b) Tip fotoelectric. In cazul investigarii unor segmente limitate cu transparenta crescuta (deget, lob ureche) se utilizeaza traductoare de tip fotoelectric prin reflexie si prin transmisie, similari celor prezentati la traductoarele mecanocardiografice.
Traductoare pentru ergometrie si ergografie
a) Ergometrie. Pentru evaluarea lucrului mecanic este necesara cunoasterea numarului de rotatie de-a lungul carora s-a anulat rezistenta opusa de un dispozitiv de franare prin curenti Foucault. Traductorul folosit este de tip tahometric, instrumentul de masura fiind etalonat in rot./min., proportionale cu viteza de rotatie a unui dispozitiv generator de curent atasat discului de franare a ergometerului.
b) Ergografie. Metoda de investigare initial mecanica ergografica este realizata in conditii moderne prin folosirea unor traductoare electromecanice de tip rezistiv (potentiometri) sau inductiv, care printr-o conectare adecvata la dispozitivele egografice convertesc variatiile deplasarilor induse de contractiile musculare voluntare pentru tractarea unei greutati, in variatii electrice ce sunt ulterior amplificate si inregistrate.
Pentru masurarea temperaturilor si a altor marimi asociind variatii termice se folosesc traductoare de urmatoarele tipuri:
Termocupluri ;
Termorezistente ;
Termistore ;
Dispozitive active.
a) Termocupluri
Termocuplul este realizat din doua conductoare din metale diferite (fier-constantan, cupru.constantant etc.), imbinate prin lipiresau sudura si conectate la milivoltmetrusau compensator, pentru evidentierea variatiilor de temperatura transmise locului de imbinare de catre tesutul biologic.Frecvent se utilizeaza termocuplul fier-constantan, deoarece are o tensiune termoelectromotoare mare (5,2 mV la 100oC) si o rezistentamecanica mare. Termocuplurile se utilizeaza pentru masurarea temperaturilor in domeniul
oC si +1 300oC.
b) Termorezistenta
Datorita variatiei rezistentei metalelor in functie de temperatura acestea pot fi utilizate sub forma de termorezistente la sesizarea variatiilor de temperatura intr-un mediu dat. In acest scop termorezistentele se monteaza intr-un circuit punte (fig. 13). Datorita inertiei lor relativ mari, ele sunt recomandate pentru masurarea variatiilor lente de temperatura. Dupa materialele folosite intalnim termorezistente de platina ( gama de lucru oC pana la +600oC), de cupru (gama de lucru oC pana la +150oC), de fier (gama de lucru oC pana la +150oC), de nichel (gama de lucru +200oC pana la +250oC)
c) Temistoare
Termistoarele sunt elemente semiconductoare care au proprietatea de a-si modifica rezistentei in functie de temperatura. Ele pot fi cu coeficient pozitiv sau negativ de variatie a rezistentei functie de temperatura (crestere, respectiv scadere a rezistentei proprii).
Termistoarele sunt plasate in sonde exploratoare pentru diferite densitati:
pentru masurarea temperaturii gazelor inspirate sau expirare;
pentru inregistrari de temperaturi in tesuturi;
pentru masurarea temperaturii subcutanate sau intramusculare;
pentru masurarea temperaturii in cavitati anatomice natururale (sonde rectale, vazicale, gastrice etc.);
pentru masurarea unor temperaturii de suprafata (piele);
pentru masurarea temperaturilor din interiorul sistemului cardio-vascular.
Termistoarele pot avea inertie mica sau mare, functie de volum iar domeniul temperaturilor masurate poate ajunge pana la +100oC.
d) Traductoare termice cu dispozitiv activ
Aceste traductoare sunt construite pe baza dependentei caracteristicii curent-tensiune a jonctiunii PN a unui semiconductor de variatii ale temperaturii.
Traductoare pentru analiza gazelor
Pentru analiza gazelor din aerul expirat sau a celor transportate la nivelul sangelui, se folosesc analizoare de gaz echipate cu traductoare corespunzatoare.
a) Traductoarele pentru analiza gazului expirat se bazeaza pe principiul conductibilitatii termice. O sarma de platina incalzita printr-un curent electric constant atinge o temperatura care depinde de conductibilitatea termica a gazului care o inconjoara. Sarma de platina se afla intr-un dispozitiv in punte, compus din patru camere de masura. In primele doua camere circula gazul de masura iar in celelalte dpua circula gazul de referinta (ambiental). Modificarea echilibrului punti este evidentiata prin valori diferite ale tensiunii pe un instrument de masurat.
b) Traductoarele pentru analiza gazului sanguin si in special a O2 sunt, in cazul masurarilor indirecte, de tip fotocelula cu seliniu, iluminate continuu sau intermediar (choppat) de la o sursa de lumina constanta cu lungimea de unda l 6 500-8 000 A, prin intermediul unor filtre de rosu si infrarosu. Transiluminarea indirecta a sangelui, in retele de vase sanguine (ex: lob ureche), sau directa a sangelui prelevat intr-o cuva, proiecteaza pe fotocelula o radiatie cantitativ dependenta de variatiile absorbtiei de lumina ale oxihemoglobinei si hemoglobinei din sangele investigat. Acest semnal este apoi amplificat si prelucrat. Traductoarele, functie de metoda de masura, au forme si dimensiuni corespunzatoare. La masurarile continue directe, traductorul pentru masurarea concentratiei (presiunii partiale) a oxigenului din sange este realizat ca varianta a traductorului de tip Clark, fiind constituit din doi electrozi scufundati intr-o solutie de electrolit la pH alcalin si protejati in exterior de o membrana de difuzie (teflon) permeabila pentru oxigen. Traductorul are forma aciculara pentru a putea fi introdus in vasul sanguin (fig.2.23).
Fig. 2.23 - Electrod tip Loeschke pentru masurarea O2
1-tub de argint; 2-fir de platina; 3-cilindru de sticla;4-tub de sticla; 5-membrana din tifon,grosime 10mm; 6-conductor de cupru; 7-corp din material plastic; 8-tub PVC pentru umplere cu electrolit; 9-epokitt; 10-inel (sau cap penetrant)de fixare din argint sau otel inoxidabil; 11-izolatie din PVC; 12-solutie de electrolit; 13- lipitura.
Fig.2.24.Electrod tip Loeschke pentru masurarea CO2.
Traductoare pentru spirometrie si spirografie
Evaluarea prin spirometrie a volumelor de gaze ventilate este posibila fie prin transmiterea mecanica a deplasarilor unui cilindru la o penita inscriptoare fie prin intermediul unui traductor rezistiv (potentiometric) alimentat cu potentiale de referinta (+Vref si -Vref) permitand ca semnalul electric de pe cursorul potentiometrului sa fie preluat de un lant de masura adecvat. In unele tehnici spirometrice moderne variatiile vitezei fluxului de aer sunt convertite in variatii electrice prin intermediul unor traductori de presiune permitand dupa prelucrare masurari ale VEMS, CV,etc. De asemenea, se folosesc traductoare de viteza tip Fleisch, prin integrarea semnalului de viteza obtinandu-se semnalul de volum care se afiseaza.
Traductoare pentru reflexografie
Pentru urmarirea fidela a vitezei raspunsurilor reflexe mecano-contractile, tehnicile moderne au inlocuit sistemele mecanice de obtinere a reflexogramelor prin traductoare de tip rezistiv, capacitativ, inductiv, piezorezistiv, piezoelectric, fotoelectric. Variatiilede tensiune electrica de la iesirea acestor traductoare sunt aplicate unor lanturi de masura adecvate.
Traductoare electroacustice
Traductoarele care convertesc semnalele electrice in oscilatii ale presiunii sonore se numesc traductoare electroacustice (difuzoare sau casti). Aceste traductoare constituie sarcina unui amplificator de putere, generand un camp acustic. Ele constituie din traductorul propriu-zis (bobina mobila), elementul solidar cu traductorul (membrana)si elementul radiant.
Difuzoarele pot fi electrodinamice, electromagnetice, electrosta-tic lucrand de regula inbenzi de frecventa in limitele a 60-18 000 Hz.
Traductoarele electrostatice pot fi utilizate in fonostimulatoare, in audiometrie, in bio-feedback si in sistemele de monitorizare prin ascultare.
|
Politica de confidentialitate |
 .com |
Copyright ©
2024 - Toate drepturile rezervate. Toate documentele au caracter informativ cu scop educational. |
Personaje din literatura |
| Baltagul – caracterizarea personajelor |
| Caracterizare Alexandru Lapusneanul |
| Caracterizarea lui Gavilescu |
| Caracterizarea personajelor negative din basmul |
Tehnica si mecanica |
| Cuplaje - definitii. notatii. exemple. repere istorice. |
| Actionare macara |
| Reprezentarea si cotarea filetelor |
Geografie |
| Turismul pe terra |
| Vulcanii Și mediul |
| Padurile pe terra si industrializarea lemnului |
| Termeni si conditii |
| Contact |
| Creeaza si tu |
